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100MW空冷汽輪發電機是目前國內自行研制的最大容量的空冷發電機。護環是發電機轉子的關鍵部件，通過理論研究和有限元分析，確定護環與本體、護環與中心環的最佳配合公盈，并對護環的強度特性進行分析具有重要意義。既保證100空冷發電機轉子安全、穩定運行，也為開發135MW，200大型空冷機組轉子護環的優化設計提供依據。護環的受力狀態極其復雜。超速時，護環將承受巨大的離心力作用，與本體和中心環產生較大的相對位移，為保證護環與本體、中心環保持接觸必須選取較大的配合公盈；靜止時，護環則要承受由于較大的配合公盈產生的配合力；正常工作狀態，護環將受到離心力、熱應力及剩余配合力的作用；在起停機過程中，需要考慮轉子齒受到的交變力的作用。因此，護環的分析必須兼顧4種不同的工況。另外，由于護環的材料與本體、中心環的材料性能不一致，在各個工況下三者的變形存在差異，為保證在每個工況時，護環與本體、中心環保持接觸，應力分布又達到最優工況，確定最佳配合公盈是問題的又一個關鍵。傳統的計算方法是將護環簡化成薄壁或厚壁圓筒，計算其平均變形、平均應力及配合面的總壓力。因此無法知道護環的最大應力和應力分布規律，設計是比較保守的。用有限元方法分析護環的應力和變形，克服了傳統方法的缺點，計算結果更符合實際情況。本研究將GAP元用于接觸問題是一次成功的嘗試，從應力分布來看，結果非常理想，計算精度大大提高，在護環的優化計算中值得推廣應用。
本研究采用有限元方法，應用世界先進的I-DEAS有限元計算程序進行分析。轉子是回轉體，所以我們采用軸對稱單元建立計算模型。計算時取本體一部分，護環、中心環全部為研究對象建立有限元模型，護環與本體結合面單元劃分很密，以找出真實的最大應力點和應力分布情況，有限元模型如圖所示。護環與本體，護環與中心環為過盈配合，處理接觸問題時我們曾經用過桿單元或梁單元，以及假設第三種材料等方法，但這些手段在反映護環的受力情況時都有一定的局限。本文在護環的分析中采用GAP單元來處理配合面接觸問題，計算結果更符合實際情況，計算精度大大提高。
護環的受力狀態比較復雜，根據其運行工況需要考慮靜止時護環由于較大的配合公盈產生的配合力、超速時護環承受的較大離心力作用以及正常工作狀態，護環受到的離心力、熱應力及剩余配合力的作用；在起停機過程中，需要考慮轉子齒受到的交變力的作用。因此，護環的分析必須兼顧4種不同的工況。計算時選取如下3種工況，通過配合公盈的優選使護環在正常工作狀態轉子齒處于壓應力狀態，從而提高轉子齒的疲勞壽命。計算工況：護環是通過熱套配合裝到轉子上的，相當于一個圓筒緊緊地套在一個圓柱上。由于護環材料與本體、中心環材料性能不一致，護環受力情況又比較復雜，所以在不同工況下，護環、中心環和本體的變形都不相同。為了保證在各個工況下，護環與本體、中心環保持接觸，我們分別計算了3個工況下，護環與本體，護環與中心環配合面的變形，最后計算出配合公盈。
護環、中心環和轉子扼部均為各向同性材料。轉子齒部為不連續體，計算時簡化成正交各向異性材料，利用等效剛度的辦法計算出三個主方向的彈性模量，并給出相應的材料密度。材料的機械性能列于表，護環與本體、中心環配合面對應節點的位移分別見表，根據表之表的變形由式計算出配合公盈值，并考慮護環熱套工藝要求，確定出護環與本體兩個配合面直徑最佳配合公盈，護環與中心環兩個配合面直徑最佳配合公盈。從護環的應力分布情況可見，各個工況下的應力分布十分合理，表明單元的劃分、邊界條件處理正確，護環配合公盈選取恰當，計算結果可信。
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