燃气轮机强度_PPT幻灯片

1,燃气轮机结构和强度（强度篇）,动力与能源工程学院岳国强、董平,2,第三章叶片振动BladesVibration,3,本章主要内容,3.1基本定义和术语3.2无扭向等截面叶片的弯曲振动3.3等截面叶片弯曲振动固有特性计算3.4叶片扭转振动3.5影响叶片自振频率的主要因素3.6叶片激振源分析3.7排除叶片故障的方法,4,3.1基本定义和术语,疲劳（Fatigue）：材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。（折铁丝）微观裂纹阶段宏观裂纹扩展阶段瞬时断裂阶段,*接触疲劳，在高接触压应力反复作用下产生的疲劳*热疲劳，由温度变化引起的热应力循环作用而产生的疲劳；*高温疲劳，是指大于熔点12以上的温度，此时晶界弱化，有时晶界上产生蠕变空位,5,美国阿罗哈航空公司243航班“莉莉乌奥卡拉尼女王”号（波音737-297），1988年4月28日从夏威夷岛的希洛机场起飞，飞往瓦胡岛檀香山机场。在7300米高空，一块机身蒙皮因盐水腐蚀和铆钉金属疲劳而脱落。一名空姐被吸出机外丧命。其余93名乘员幸存，飞机安全降落于毛伊岛的卡富鲁伊机场。,6,Youjump，Ijump。生与死采用铁素体钢（ferriticsteel）。当时的造船工程师只考虑到要增加钢的强度，而没有想到要增加其韧性。钢材在不同温度下呈现出的脆度是不一样，科研人员把残骸的金属碎片与如今的造船钢材作对比时发现，在沉没地点的水温中，如今的造船钢材在受到撞击时可弯成V形，而残骸上的钢材则因韧性不够而很快断裂。在海上航行由于海浪的影响，船体经受的一般是周期性的受力，所以断裂很可能是由周期性金属疲劳引起的,7,燃气轮机叶片振动,叶片薄而长，尤其是高气动力载荷加载，都使叶片振动现象尤为严重。叶片振动和叶片振动疲劳损伤故障，一直都是燃气轮机中较为严重的问题。涡轮叶片在实际工作中出现振动，按振动的表现形式分，主要有强迫振动、颤振、旋转失速和随机振动四种；按照叶片振动里的来源分，有强迫振动和自激振动；按作用在叶片上的应力分有振动弯曲应力和扭转应力。对于实际叶片振动分析，主要是自振频率、振型、振动应力和激振力的来源四个因素。在一般清快下，频率越高，振幅越小，危险性也就越小，大幅低频振动最为危险。,8,叶片基本振型：尾流激振颤振随机振动,9,10,11,叶片基本振动特性,12,13,成组叶片振型,14,3.2等截面叶片的弯曲振动,3.2.1基本方程,15,1、简谐振动：质点位移与时间的关系遵从正弦（或余弦）函数规律，x=Acos（t+）。2、“剪切力”是在一对（1）相距很近、（2）大小相同、（3）指向相反的横向外力（即垂直于作用面的力）作用下，材料的横截面沿该外力作用方向发生的相对错动变形现象。,自由振动角频率，也称固有频率或自振频率，一阶自振频率也称基频。,梁振动至边缘时的位移，振型函数,任意微元段振动的瞬时横向位移,假设：1每一段微元体都做简谐运动；2所有微元体都以相同频率振动；3在振动时各微元体的相位相同。,16,17,欧拉伯努利梁和铁木辛柯梁（季莫申科）,18,19,对于微元段，运动方程是基于弹性恢复力和振动时质量惯性力相平衡,20,3.2.2等截面梁（叶片）弯曲振动方程,双曲函数：chx=(ex+e(-x)/2，shx=(ex-e(-x)/2.,积分求解,21,3.2.3弯曲振动的自然频率,简支梁就是两端支座仅提供竖向约束,22,23,24,25,26,典型叶片材料和弹性模量,27,28,29,30,等截面悬臂梁（动叶片）1-3阶弯曲振型,31,32,3.2.5应力分布,33,34,3.3变截面叶片弯曲振动固有特性计算,35,3.3.1变截面叶片弯曲振动基本方程,振动惯性分布载荷,y,36,3.3.2数值积分,+C1,+C1X+C2,+C1X2+C2X+C3,+C1X3+C2X2+C3X+C4,*C1、c2、c3、c4都等于0.,37,弹性归一化,为了去除，采用归一化方法。归一化方法：归一化方法有两种形式，一种是把数变为（0，1）之间的小数，一种是把有量纲表达式变为无量纲表达式。,38,y0c,y0,振幅逼近法,39,振型逼近法（有限差分代替积分）,40,41,高阶弯曲振动固有特性计算,*白光由七色光组成（互不影响，互相叠加）；*令狐冲喜欢任盈盈，与她是魔教的人什么关系呢？虽然有老婆但这并不影响你对林志玲的感情。,42,二阶弯曲振动和固有频率,43,三阶弯曲振动和固有频率,44,n阶弯曲振动和固有频率,45,注意事项,46,3.3.3瑞利法（能量法）,LordRayleigh,JohnWilliamStrutt,NobelPrizeforPhysicsin1904,47,48,49,弯曲振动的变形势能,50,能量法等截面叶片,51,52,53,变截面叶片的自振频率,54,一阶导,二阶导,55,里兹法,取极值,56,y0二阶导数,57,58,能量法小结,59,3.4叶片的扭转振动,3.4.1基本方程,泊松比,惯性扭矩q,q,60,平衡方程,*对于微元段，弹性力矩和惯性力矩相平衡,dx,dx,61,等截面叶片扭转振动,边界条件,62,63,3.4.3变截面叶片扭转振动,64,65,能量法求变截面叶片扭转振动固有频率,66,67,68,3.5影响叶片自振频率的主要因素,3.5.1旋转轮盘对叶片频率的影响,*刚接与铰接的区别之一：是否传递弯矩。,69,旋转轮盘的影响,70,影响叶片的刚性,71,3.5.2旋转叶片的弯曲振动,72,73,离心力场势能,74,75,动频,76,动频修正系数B,77,78,离心力产生的影响,79,3.5.3工作温度的影响,80,3.5.4叶片扭向的影响,81,82,83,3.5.5剪切变形的影响,84,3.6叶片激振源分析,3.6.1引言,85,3.6.2激振力的形成,86,机械激振力,87,气动激振力,88,89,3.6.3共振特性,90,91,3.6.4叶片颤振,92,颤振与强迫振动的区别,93,颤振的基本特征,喘振是透平式压缩机（也叫叶片式压缩机）在流量减少到一定程度时所发生的一种非正常工况下的振动。介质受到周期性吸入和排出的激励作用而发生的机械振动,94,喘振与失速,当压气机空气流量减小使动叶攻角增大到临界攻角附近时，动叶中的某几个叶片可能首先发生分离。在这些出现分离区的叶片前面出现明显的气流堵塞现象。这个气流区使周围的流动发生偏转，从而引起上面叶片攻角增大并分离。同时下面叶片的攻角减小并解除分离使分离区相对于叶片向上传播。因此失速区就朝着与叶片旋转方向相反的方向移动。这种移动速度比圆周速度要小，站在绝对坐标系上观察时，失速区以较低的转速与压气机叶轮做同方向的旋转运动，称为旋转失速.如果失速的叶片过多会导致压气机喘振。喘振是气流沿压气机轴线方向发生的低频率、高振帽的振荡现象。微弱的喘振听不到声音，但强烈的瑞振会发出低沉的声音，严重时放炮;压力、转速等参数大幅度波动;推力杆失去控制;振动加大;气流中断而发生熄火停车。,95,3.7排除叶片颤振的方法,9