两种汽轮机常用弹簧片的力学分析

索言汔粉1I发DONGFANGTURBINE15陈阳东方汽轮机有限公司，江生科四川德阳，618000摘要菱形弹簧片和矩形弹簧片是汽轮机汽封中常用的两种弹簧片，它们的正确选择与设计对汽轮机安全运行以及提高汽封的密封性能有着较为重要的意义。该丈分别针对这两种弹簧片，对它们进行了力学分析，得到了它们的最大应力，并对这两种弹簧片进行了比较与有效性分析。关键词汽轮机；菱形弹簧片矩形弹簧片；力学分析MECHANICALANALYSISFORTWOKINDSOFSPRINGSTRIPSINSTEAMTURBINECHENYANG，JIANGSHENGKEDONGFANGTURBINECO，LTDDEYANGSICHUAN618000ABSTRACTDIAMONDSHAPEDSPRINGSTRIPANDRECTANGULARSPRINGSTRIPAREUSUALLYUSEDINTHESTEAMTURBINETOCHOOSEANDDESIGNSPRINGSTRIPSCORRECTLYISMEANINGFULFORTURBINESSAFEOPERATIONANDENHANCINGSTEAMSEALSPERFORMANCEFORTHESETWOKINDSOFSPRINGSTRIPS，THEMAXIMUMSTRESSISDERIVEDFROMAMECHANICALANALYSIS，ADDITIONALLY,ACOMPARISONBETWEENTHEMANDANALYSISABOUTTHEIREFFICTIVENESSAREGIVENKEYWORDSSTEAMTURBINE，DIAMONDSHAPEDSPRINGSTRIP，RECTANGULARSPRINGSTRIP，MECHANICALANALYSIS0弓I言为了减小汽轮机动静间的泄漏损失，提高汽轮机组的效率，各制造商在汽轮机的转子与静子之间设计有各种汽封。动静间隙的大小直接影响机组的经济性和安全性。问隙过大，蒸汽泄漏量大，机组经济性降低；间隙过小，汽轮机转子与汽封可能发生碰磨，使转子产生弯曲，影响机组的安全运行，可见汽封装置的性能对汽轮机性能有较大的影响。根据汽封安装部位的不同可以将汽封分为端汽封轴封、隔板汽封和叶顶汽封。通常汽封圈由若干汽封弧段组成，镶嵌于汽封体、持环或隔板槽内，弧段背面由弹簧压紧，一旦汽封齿触碰到转子，弧段可借助弹簧的变形在凹槽内向外退让。可见，汽封弹簧的正确选择与设计有着重要的意义。目前汽封用弹簧一般有圆柱螺旋弹簧，菱形弹簧片，矩形弹簧片以及蛇形弹簧等。严格地讲，弹簧片作为一种薄板结构，其受力分析适用于弹性力学中的薄板小挠度弯曲理论。虽然利用薄板小挠度弯曲理论可以对矩形或圆形等规则薄板在简单边界条件下的弯曲问题给出理论解答，但是对于弹簧片这种形状和边界条件较为复杂的薄板是很难给出理论解答的。当弹簧片的长作者简介陈阳1983，男，2005年毕业于吉林大学，2008年6月获得中国科学院力学研究所R学硕士学位，现主要从事汽轮机产品设计工作。16F索言芘粉拨IDONGFANGTURBINE度远大于它的厚度和宽度时，将弹簧片视为梁结构是可行的，由此得出的结论在工程上也是可用的。本文针对上述菱形弹簧片和矩形弹簧片，对弹簧片在梁模型的基础上进行了力学分析，并对结果进行了讨论。1IL菱形弹簧片的力学分析汽轮机汽封体常用的菱形弹簧片如图L所示，是对称结构。R_一一一一一一RLJ邑图1菱形弹簧片结构当长度2远大于厚度T和宽度S这里是变化的，由口到6再到时，它可以被视为梁结构。由于结构的对称性，可以假设弹簧片在两端分别受垂直于汽封体圆弧的力、，以及在中点处受到向上的力P，如图2所示。对于梁的弯曲问题，如果忽略R、中性面方向即X方向的分力，就可将它简化为在中点受力的简支梁问题。这样简支梁在作用力P方向的挠度即是弹簧片在两端处的实际挠度。如果忽略菱形弹簧片弯曲后在X方向的增量，即认为，则菱形弹簧片在图2的状态下正常工作时，简支梁在作用力尸L方向的挠度为R十一一1当汽封弧段最大限度退让时，简支梁在作用力尸1方向的挠度为_。_一RF一4R一19A2其中，为汽封圈退让间隙。图2菱形弹簧片受力示意图以下将由卡氏第二定理求得力P，与挠度的关系，并对弹簧片最大应力进行求解。设弹性体在支座约束下无任何刚体位移，为作用于结构上的外力，沿力P作用方向的位移为，U为结构的变形能，则变形能对载荷的偏导数等于作用点沿作用方向的位，这便是卡氏第二定理。在计算梁变形能时，由于弯矩M与梁长度的关系总是比剪力和梁长度的关系高一个量级，在梁的长度与梁高度之比较大时，弯矩是主要的而剪力是次要的，此时可以忽略剪力，也不需要对剪力进行强度校核。于是忽略梁的剪力，则有击CMXMXDX3一EI川AP,其中，E是材料的弹性模量，中性轴的惯性矩。对于图1结构的菱形弹簧片，其中，IX是梁截面对4口是L,CI图2甲简文各截向的芎矩为一，O时M一一2ZDP、0，时，MZ25、于是3式化为丘3PLCXL2H二HLCZ口XL2】6积分上式，即得，一6R，JJ一LC63ALC一【一十一7R6一1A令8F6一A则KLET9将式9代入式5，进而可求得梁各横截面最大弯应力为6MX1。进一步分析式10，由于S为分段函数，弹簧片最大应力绝对值将产生在C或XO截面友，侣考虑诵常情况下，C早一个车奇小的信并日索言汔粉拔DONGFANGTURBLNE17在C处SX的突跳将产生应力集中，所以可以认为菱形弹簧片最大应力发生在C截面处。考虑到的挠度即是弹簧片在两端处的实际挠度6，于是有I3K1ETL一C11其中，L，的取值可参照式1和式2，即可求得相对于的最大弯曲应力。2矩形弹簧片的力学分析图3是常见的矩形弹簧片结构示意图。它的显著特点是在弹簧片的一端伸出了“小腿”，形成了“L”形。I图3矩形弹簧片结构图图4是矩形弹簧片的工作示意图。一方面由于矩形弹簧片“L”形部分多处与汽封弧段接触而受力，而且力的方向可能随弹簧片工作状态变化而变化，所以这部分的受力较为复杂；另一方面，由于通常“L”形部分长度B并非远大于宽度A，这使得该部分的力学模型只能采用薄板来分析，进而导致矩形弹簧片不能整体简化为梁或曲杆来分析。这样的特点便增大了矩形弹簧片的受力分析难度。，一。汽封体ILX67M汽封弧度F_LL”批图4矩形弹簧片工作受力示意图一C一一C，18L棠盲汽鼢愤IDONGEANGTURBLNE但是通常矩形弹簧片的“L”形部分相对只是弹簧片一小部分，如果不考虑该小部分的强度即认为该部分是安全的，而只对剩余大部分作力学分析，分别用X方向和Y方向的集中力以及弯矩M来替代弹簧片“L”形部分对其余部分的力学作用，根据圣维南原理，虽然得到的结果并不能适用于其余部分靠近“小腿”端的具体受力情况在该端仅是静力等效，但对于弹簧片其余部分中离“小腿”端较远的其它地方，还是适用的。根据上面的讨论，如同菱形弹簧片受力分析时一样，本文将矩形弹簧片简化为梁模型。忽略中性面方向的受力以及矩形弹簧片“小腿”端在X方向可能的极小位移，同时注意到矩形弹簧片由于受汽封体圆弧限制，可以认为其两端Y方向位移相等的事实，便得到了图5中的自由端挠度为零且O的悬臂梁结构固定端模拟弹簧片“小腿”端，悬臂梁在P作用力方向的挠度即是弹簧片在两端处的实际挠度6。矩为图5矩形弹簧片悬臂梁力学模型对于图5中的悬臂梁，截面对中性轴的惯性吾各截面弯矩原点设在自由端为0，2时，M一，。，一A2，时，一十一，一生2，BS一于是有百SX一0则得到1510进而可得鲁劬E1广十一一16积分上式，并将式12式15代入得LP1令1718则KZET厶19进而可由梁的弯曲应力公式得到梁各横截面最大弯应力为6MXAT。20结合式13知，悬臂梁弯矩大小线性地由零增加LJXL2处的极值532P，然后线性地在811L处减小到零，再线性地增加LJXL处的极值316PFF_,并突变回零。在这个过程中，一方面两处极值相差不大，另一方面XL处的极值仅是静力等效，式20在该点及附近失效。所以可近似认为矩形弹簧片最大应力发生在XL2截面处，于是有FOMJ21其中的取值类似于式1及式2，即矩形弹簧片在图4的状态下正常工作时，悬臂梁在作用力方向的挠度为厂_厶6RT一22当汽封弧段最大限度退让时，悬臂梁在P作用力方向的挠度为FP26RT十其中，为汽封圈退让问隙3两种弹簧片的比较与有效性分析对于图1中的菱形弹簧片，称S为当量宽度，并假设S日6厅，重新推导式9和式11则有竽24I3ET_25对于实际的菱形弹簧片，若应用式24，近似可取SX击AB。如果取矩形弹簧片的长度为2L，则式19、式21分别可写作P28ET3A26L，15LIB27分别比较式24和式26，以及式25和式27，可以看出1菱形弹簧片和矩形弹簧片它们的变形以及最大应力随挠度变化的规律是相似的；粗略地讲，大致上两种弹簧片刚度与它的厚度立方成正比，与长度立方成反比，与当量宽度成正比；而弹簧片的最大应力与弹簧片的厚度成正比，与它长度的平方成反比，与它两端挠度成正比。2对于相同材料，相同长度和相同厚度的两种弹簧片，在近似当量宽度时矩形弹簧片的刚度大约为菱形弹簧片的两倍，在相同挠度下矩形弹簧片的最大应力大约为菱形弹簧片的L_4倍。以上对两种弹簧片的宏观分析结论，对设计和选用弹簧片是十分有益的。图6是矩形弹簧片简支梁力学模型梁长为2L，它与图5悬臂梁模型是完全等价的，利用这一模型，也可以得到与上面完全一致的分析结果。比较图2和图6中的简支梁模型，可以看出，两种弹簧片相同条件下在刚度和应力方面具有的差异，是由于工作时矩形弹簧片在一端比菱形弹索言汽粉按DONGFANGTURBINE簧片多了一额外的弯矩M作用。19图6矩形弹簧片简支梁力学模型式9和式19揭示了弹簧片变形量与它的变形力之间的关系。弹簧片在工作时，一方面，为了使弹簧片不发生破坏，弹簧片的形变应控制在一定的范围内，从保证它的最大应力在弹簧片材料容许的弹性极限范围内，其中弹簧片的最大应力可由式11和式21计算得到。特别地，为了保证汽封圈具有良好退让性，弹簧片在考虑到汽封圈退让间隙这种极限状态时，其最大应力也应在材料容许范围内。对于菱形弹簧片，由于存在截面突变，根据实际情况可在式11基础上再考虑一定的应力集中系数。另一方面，弹簧片的变形量是与汽封弧段的质量相关的，弹簧片只有保证一定的变形量，也即保证了一定的变形力，才能保证汽封圈与转子的间隙在一定范围内，从而保证泄漏量在设计范围内。文献5指出，弹簧片变形力在能够支撑起汽封弧段的情况下应尽可能小些，在考虑到一定安全系数后，弹簧片变形的正常压力应不小于汽封弧段重力的17倍。总之，弹簧片在正常工作时，为了保证其有效性，它既要有适当的强度而不致于发生破坏，又要有适当的刚度和形变；既要保证动静间隙稳定在设计值，又要保证汽封圈有良好退让性。4每淞I誊拳LLHL蒸本文分别针对汽轮机中常用的菱形弹簧片和矩形弹簧片进行了力学分析，得到了它们的最大应力，并对这两种弹簧片进行了比较与有效性分析。两种弹簧片的变形和应力变化规律是相似的，相同情况下矩形弹簧片的刚度大约为菱形弹簧片的两倍，而矩形弹簧片的最大应力则大约为菱形弹簧片的14倍。为了保证弹簧片在正常工作时的有效性，即下转第38页38I豪言乞论拔IDONGFANGTURBINE一4缩束语LLLI东汽大件加工机床大多带有多个附件，均有附件补偿计算问题。特别是国内数控机床厂家大多没有进行这方面的开发，附件补偿程序必须由用户自行开发。附件补偿程序的设计，应用SINUMERIK840D数控系统刀具可定向功能，解决了大型数控龙门铣床带有多个附件自动补偿计算问题，在程序设计中采用系统功能指令、系统变量、编制宏命令等方法完成了附件补偿的功能开发，应用数控系统的数据通道实现系统变量和外部R参数之间的相互传递，实现了数控系统运行中实时数据的提取，编制的程序简单明了，更有利上接第19页要有适当的强度，又要有适当的刚度和形变，以保证动静间隙稳定到设计值，和使汽封圈有良好退让性。参考文献【1】张瑞青，王雷，黄一伦，张延峰汽封用蛇形弹簧的试验及分析汽轮机技术200908，514268269，320【2】管伟诗，于丽，王洪鹏“蛇形弹簧”在300MW汽轮机磅东汽要闻毽晦、。S。舀于发挥数控机床控制系统本身的功能。数控龙门铣床附件补偿程序已成功地应用，该程序的使用给附件的补偿计算带来了方便，大大减轻了由于附件补偿计算复杂带给编程技术人员的压力及重复性的劳动，而且能够保证附件补偿计算的正确性，减少了机床的辅助时间，解决了机床附件不能进行自动补偿的问题。设备具备附件自动补偿功能提高了产品的质量，也降低了由于附件在不同位置的加工需要多次对刀而带来的人为误差。该方法也适用于配置了附件的大型数控落地镗铣床的附件补偿计算。参考文献略汽封结构改进中的应用电站系统工程2003，1913657131徐芝纶弹性力学下册第三版北京高等教育出版社19905163【4】陈塑寰，聂毓琴，孟广伟材料力学吉林科学技术出版社20001288107，2162I9【5J曹祖善，于尔亮汽封圈菱形弹簧片的强度设计中国动力工程学会透平专业委员会2009年学术研讨会论文集_209091891941MW风电叶片试制成功8月末，由东汽树脂事业部自主设计研发的1OMWDF64风电叶片完成静力实验后，顺利通过中国船级社认证，标志着此次自主开发设计叶片圆满成功。至今，东汽树脂事业部已经自主研发了1OMW、15MW、2OMW、25MW风电叶片以及环氧树