Численный расчет степени вакуумирования, допустимой для гофрированной стенки

В процессе эксплуатации трансформатора стенки бака испытывают избыточное давление. Внутреннее давление создается в режиме работы трансформатора при нагреве, а наружное давление возникает при вакуумировании.

В случае капитального ремонта трансформатора или его транспортировки возникает вопрос о необходимости сушки изоляции обмоток трансформатора. Одним из наиболее распространенных в эксплуатации является способ сушки изоляции в собственном баке без масла с применением вакуумирования, допустимого для конструкции бака. Вакуумным насосом внутри бака создается разряжение, допустимое для данной конструкции бака.

Рассматриваемая в данной статье конструкция трансформатора, содержит гофрированные стенки, использующиеся для компенсации избыточного давления масла при нагреве. Гофрированная стенка под давлением имеет ограничения в условиях эксплуатации. Деформирование ее гофр в процессе эксплуатации должно быть упругим, а также гофры не должны схлопываться.

Наибольшую нагрузку гофрированная стенка испытывает в процессе вакуумирования. В зависимости от степени вакуумирования меняется и нагрузка на гофр. В данной работе определяется максимальная допустимая степень

Адеянов Игорь Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры механики.

вакуумирования для некоторых вариантов конструкции гофра.

Гофр представляет собой тонкостенную конструкцию, полученную гибкой листа (рисунок 1, а). Эскиз части гофра с указанием варьируемых размеров приведены на рисунке 1, б: b – глубина волны гофра; R – внутренний радиус гофра; δ – толщина стенки гофра.

В работе [1] аналитический и численный расчет гофра производился с использованием балочной схемы. В данной работе используется более точно описывающая реальную конструкцию оболочечная схема расчета, учитывающая радиусы закругления гофра.

Расчет производится методом конечных элементов. В силу симметрии гофра и приложенных нагрузок, в расчетах используется половина гофра (рисунок 2). Кроме геометрической модели гофра на рисунке 2 присутствует абсолютно жесткая стенка. В качестве граничных условий приняты: условия симметрии по линиям гофра, лежащим в плоскости симметрии; жесткое закрепление по границам гофра, не лежащим в плоскости симметрии. Нагружение гофра производится равномерным наружным давлением.

Геометрическая модель гофра разбита конечными элементами оболочечного типа [2], имеющими 4 узла с 6 степенями свободы в каждом узле: 3 перемещения по осям X , Y , Z и 3 момента относительно этих осей (рисунок 3). Контакт между гофром и абсолютно жесткой поверхностью моделировался целевыми конечными элементами на стенке и контактными конечными элементами на гофре.

a.

Рис. 1. Гофрированная стенка: а – общий вид; б – сечение рассчитываемой части гофра

Рис. 2. Геометрическая модель половины гофра с граничными условиями и абсолютно жесткой стенкой

Рис. 3. Конечно-элементная модель половины гофра и абсолютно жесткой стенки

Механические свойства материала гофра (сталь 09Г2С) задаются следующими константами: E = 2 . 10⁶ кг/см² - модуль продольной упругости материала гофра, v = 0,3 коэффициент Пуассона, O T = 340 МПа - предел текучести.

Расчет производится шагами по наружному давлению от р = 0 до максимального значения р = 1 кг/см², соответствующего полному вакууму. В качестве допустимого давления (степени вакуумирования) в итоге выбирается такая максимальная величина давления, при которой выполняются одновременно 2 условия: 1) максимальное эквивалентное напряжение не превышало предела текучести; 2) стенки гофра не схлопывались, т.е. нет соприкосновения стенки гофра и абсолютно жесткой поверхности.

Задача решается как физически и геометрически нелинейная с учетом неупругих свойств материала гофра.

Поле эквивалентных напряжений для одного из выполненных расчетов в качестве примера приведено на рис. 4, а. Для того же варианта рас чета на рис. 4, б показан момент схлопывания стенок гофра, о чем можно судить по появившемуся контактному давлению между гофром и абсолютно жесткой поверхностью.

Результаты проведенных численных расчетов представлены в виде графиков на рис. 5-6.

Полученные результаты наглядно демонстрируют влияние глубины волны гофра а также внутреннего радиуса гофра на допустимую степень вакуумирования. При увеличении глубины волны гофра допускаемая степень вакуумирования сначала определяется пределом текучести материала гофра, а затем смыканием стенок гофра. При увеличении внутреннего радиуса гофра допускаемая степень вакуумирования сначала определяется смыканием стенок гофра, а затем пределом текучести материала гофра.

Данный расчет актуален при выборе степени разряжения внутри бака при вакуумировании современных трансформаторов, в которых отсутствует расширительные баки и термосифон-

а.

б.

Рис. 4. Результаты расчета гофрированной стенки ( b =200 мм, R =3 мм, 5 =1,2 мм): а - распределение эквивалентного напряжения в гофре на шаге нагружения ( р = 0,3 кг/см²), предшествующем возникновению напряжений, превышающих предел текучести;

б - распределение контактного давления в гофре на шаге нагружения ( р = 0,4 кг/см²), соответствующем возникновению этого давления

^^^ Наружное давление, соответствующее смыканию стенок гофра

^^^ Наружное давление, соответствующее пределу текучести

— — Граница максимально допустимого давления

Глубина волны гофра, мм

Рис. 5. Зависимость допускаемого наружного давления на гофр от глубины волны гофра

^^^ Наружное давление, соответствующее смыканию стенок гофра

^^^ Наружное давление, соответствующее пределу текучести

— — Граница максимально допустимого давления

Внутренний радиус гофра, мм

Рис. 6. Зависимость допускаемого наружного давления на гофр от внутреннего радиуса гофр

ные фильтры, а увеличение объема масла при нагреве воспринимается упругими гофрами.