水轮发电机主轴螺栓联接的有限元分析

彭 惠，石端伟，汪勇波，程术潇

（武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉 430072）

0 引 言

某水轮发电机主轴螺栓联接结构由发电机法兰轴（简称上法兰轴）、水轮法兰轴（简称下法兰轴）、12个M68螺栓等组成。该螺栓联接结构仅采用传统的设计方法，通过螺栓联接强度计算公式［1］，得出了无垫片螺栓联接的危险界面的应力为72.0 MPa。该值实际上仅为螺栓截面平均应力值，难以用于评价主轴法兰螺栓联接的安全可靠性。更重要的是，由于发电机组件结构与安装尺寸的变化，该螺栓联接结构的上/下法兰轴之间出现了14.5 mm的轴向间隙，必须增加相应厚度的垫片才能保证该水轮发电机主轴的正常运行。

针对重要零部件螺栓联接的有限元分析，国内有不少成功的工程案例，谢建华等［2］对主动轴、法兰接合面在剪切作用下进行了接触分析和试验研究；黄冰阳等［3］研究了联接螺栓过盈量及改进加工工艺对各部件应力应变情况的影响；孙雷［4］研究了联接螺栓在预紧状态下各部件的应力情况。但均未对螺栓在同时承受预紧力、拉力、扭矩和弯矩状态下进行综合分析。

为了保证水轮发电机运行的可靠性，准确校核增加14.5 mm厚度垫片后主轴螺栓联接结构的受力特性，本研究运用有限元软件ANSYS，准确模拟水轮发电机主轴法兰有/无垫片螺栓联接结构，分析在额定运行工况下，上/下法兰轴之间联接螺栓的受力情况，从而得出法兰轴螺栓联接结构的综合应力、接触应力，校核螺栓联接的强度。……