Список выполненных НИОКР

Конечно-элементные исследования пространственного теплового и напряженно-деформированного состояния клапанов подогревателей высокого давления (2009)

Ключевые слова подогреватели высокого давления, ПВД, впускной клапан, обратный клапан, напряженно-деформированное состояние, сейсмическое воздействие
Программное обеспечение ANSYS/LS-DYNA , SIMULIA/Abaqus
Период проведения 2009 г.

В работе, которую сотрудники CompMechLab выполнили для «ОАО «НПО ЦКТИ»,   проведены расчетные исследования пространственного теплового и  напряженно-деформированного состояния клапанов подогревателей высокого давления (ПВД), поверочный расчёт на прочность и оценка величины напряжений в наплавленном металле в зоне кольцевой посадочной плоскости тарелки и корпуса клапана.

Построенные конечно-элементные модели клапанов для расчета напряженно-деформированного состояния в узле посадки при закрытии включают шток с поршнем и тарелкой, корпус клапана с присоединенными трубопроводами и крышку. Модель впускного клапана также содержит стойку и корпус гидропривода.

Расчет на прочность проведен на основании решения статической задачи термоупругости для всех эксплуатационных режимов (режим нормальных условий эксплуатации, гидроиспытаний, клапан “закрыт”). Все расчеты выполнены на основе консервативных методик – при выполнении расчетов, все параметры и характеристики принимали значения и изменялись в пределах, которые заведомо приводят к более неблагоприятным результатам, следовательно, идут в запас прочности корпусов обратного и впускного клапанов.

Определение статической прочности выполнено в соответствии с РДЭО 0330-01 и ПНАЭГ-7-002-86 по величине приведенных общих мембранных напряжений, приведенных напряжений, определяемых по суммам мембранных и общих изгибных напряжений и размаху приведенных напряжений, определяемому по суммам составляющих общих или местных мембранных, общих и местных изгибных, общих температурных и компенсационных напряжений.

Распределение эквивалентных напряжений в клапанах
а – впускной клапан, б – обратный клапан.

Выполненные расчеты показывают, что статическая прочность впускного и обратного клапанов на всех режимах эксплуатации при типовом конструктивном решении и с учетом модификации в соответствии с ПНАЭ и РД обеспечена.

Величина максимальных эквивалентных напряжений в корпусе и элементах клапанов при заданных нагрузках не превышает допускаемых при расчетной температуре.

Коэффициент запаса прочности по размаху приведенных напряжений на расчетных режимах работы не менее 1.7 для впускного клапана и не менее 1.8 для обратного.

Исследование динамики процесса закрытия впускного и обратного клапанов проведено для различных вариантов конструкции узла посадки. При типовом конструктивном решении тарелка и корпус клапана имеют контакт типа “плоскость на плоскость”. Для клапанов с типовым узлом посадки выявлено возникновение пульсаций напряжений в наплавленном металле, что приводит к его растрескиванию и металлическому стуку. Также на основе расчета напряженно-деформированного состояния клапана в закрытом положении получено распределение контактного давления на тарелке и распределение напряжений в области контакта.

На основе анализа различных вариантов конструкции посадочного места был выбран оптимальный вариант, исключающий разрушение наплавленного металла и металлический стук. При таком варианте тарелка и корпус клапана имеют контакт типа “сфера на конус”. Тарелка клапана имеет скругление, а уплотнительная поверхность корпуса фаску под углом 45о на линии контакта. Фаска на корпусе клапана и скругление тарелки выполнены с помощью наплавки. В результате динамического взаимодействия тарелки и корпуса клапана в момент закрытия в области контакта максимальные эквивалентные напряжения не превышают допустимых.

Изменение интенсивности напряжений в центре пятна контакта при ударе тарелки клапана

 Изменение интенсивности напряжений в центре пятна контакта при ударе тарелки клапана
а - "плоскость-плоскость", б - оптимальный вариант

На основе решения динамической задачи процесса закрытия клапана получено напряженно-деформированное состояние впускного и обратного клапанов.

В корпусе клапанов и конструктивных элементах, а также в тарелке в моменты времени до и после удара эквивалентные напряжения, возникающие при закрытии клапанов, не превышают допускаемых значений.
 

Распределение эквивалентных напряжений в сечении клапана, узле посадки и гидроприводе в момент удара

Распределение эквивалентных напряжений в сечении клапана, узле посадки и гидроприводе в момент удара
а – впускной клапан, б – обратный клапан

Для расчета работоспособности клапана при сейсмическом воздействии исследовано напряженно-деформированное состояние в клапане, вызванное гармоническим воздействием на частоте, соответствующей первой собственной частоте клапана. Колебания такой частоты являются наиболее опасными, так как могут привести к возникновению резонансных явлений в клапане.

В результате гармонического анализа корпусов клапанов определены первые собственные частоты и, соответствующие им формы колебаний.

Собственные формы колебаний

Собственные формы колебаний
а – впускной клапан, б – обратный клапан 

 

В результате решения динамической задачи получено напряженно-деформированное состояние в клапанах, вызванное сейсмическим воздействием. Напряжения в корпусах клапанов при сейсмическом воздействии не превышают допускаемых. Можно сделать вывод, что работоспособность впускного и обратного клапанов Ду500А при сейсмическом воздействии обеспечена.