大型变压器油箱三维机械强度计算分析

ilokifib

工程背景，利用PRO/E软件建立油箱的三维计算模型，结构强度分析采用ANALYSIS对模型进行有限元分析，通过计算得出了油箱在真空和正压下的应力和变形结果。所得出的结论具有一定的指导意义。
關键词： 变压器；油箱；有限元；强度计算
【中图分类号】TM4
【文献标识码】A
【文章编号】2236-1879（2017）07-0213-02
引言
近年来，随着电力工业的发展，电力变压器的容量不断增大，电压等级不断提高，结构愈加复杂，变压器油箱的体积也日趋庞大。特别是大型的变压器，其油箱容积很大，需要承载几百吨的器身重量，连同变压器油及油箱本身和相应的附件，重量往往可以达到数百吨。例如：国内的某大型变压器厂生产的ODFPS-700000/750产品器身重达到了220t，总重量398t。
油箱作为变压器的重要承力部件，对其强度、变形及稳定性的计算，也就成为变压器设计者不得不面对的一项新的课题。为了保证真空载荷下变压器油箱的安全可靠，同时尽可能减少油箱原材料的消耗，合理地设计油箱结构，已成为大型电力变压器设计的重要内容之一。
在以往的变压器的设计过程中，油箱的强度设计经常采用经验设计，不对其进行详细的变形、应力计算分析。这种根据以往的设计和使用经验，选取某种结构进行定论的设计方法，使得油箱设计成型后，其结构强度仍然是一个未知数，不一定能够保证其安全，给变压器的安装和运行安全造成影响。
本文对某大型变压器油箱进行三维有限元计算分析
1变压器油箱结构和模型建立
油箱箱壁采用10mm厚钢板，纵向加强铁采用12mm厚和16mm的的钢板分别弯折成180mm×380mm的槽形结构，油箱高压升高座盖板采用20mm厚的钢板，箱底采用20mm 厚的钢板，箱底内侧加30mm厚条形加强铁，箱底外侧采用12mm的钢板弯折成180mm×380mm的槽形结构，箱盖采用20mm厚钢板，箱盖外侧布置有T形加强铁。此外，为了简化计算，本模型按照中心对称原则，正压、真空计算1/2油箱的受力情况。简化后的油箱的详细结构见图1、图2。
2计算条件
根据标准和相关技术协议，油箱的机械强度应承受住真空13.3Pa和正压120kPa的机械强度试验。
本计算的模型采用PRO/engineer Wildfire2建立，结构强度分析采用ANALYSIS；
3真空载荷计算
图3真空13.3Pa加载示意图
油箱承受真空13.3Pa加载示意图见图3。油箱各部位的等效应力计算值见图4。最大应力出现在箱盖加强铁上，最大应力214.4MPa。
在规定载荷作用下油箱各部位的变形见图5，结构的最大变形量为10.041mm，分布在油箱箱盖上。
4正压载荷计算
油箱承受正压120kPa加载示意图见图6。油箱各部位的等效应力计算值见图7。最大应力出现在箱盖加强铁上，最大应力232.35MPa。
在规定载荷作用下油箱各部位的变形见图8，结构的最大变形量为9.71mm，分布在油箱箱盖上。
5结论
（1）根据以上计算，上述变压器油箱结构可以承受真空压力13.3Pa和正压120kPa的机械强度试验；
（2）箱盖采用T形加强铁可有效改善应力分布；
（3）真空和正压时最大应力均出现在箱盖的加强铁上，最大应力232.35MPa，因此箱盖加强铁宜选用屈服极限为345 MPa的Q345B钢板，增加强度裕度；
（4）除真空和正压计算外，此计算方法还适用于油箱其他部分的机械强度计算，如油箱承重计算、吊轴和千斤顶支架部位的强度计算。计算方法简单方便。
参考文献
[1]保定天威保变电气股份有限公司。电力变压器手册[M].北京：机械工业出版社，2003。
图8油箱正压结构位移图（高压侧）
作者简介：王伟（1981- ），男，河北保定人，保定天威保变电气股份有限公司工程师，主要从事变压器技术、管理等相关工作。