汽轮机叶片结构强度振动PPT课件

,汽轮机叶片结构强度振动,东方汽轮机有限公司2017.7,1,.,目录,1,2,3,叶片结构,叶片振动和调频,叶片强度计算,2,.,叶顶部分,叶型部分,叶根部分,连接件,叶根平台部分,1,叶片结构,3,.,叶型部分,满足空气动力学要求,等截面直叶片,变截面扭叶片,改善流动，减少离心力,变截面直叶片,1,叶片结构,4,.,叶根平台部分,叶型部分与叶根的过渡段,与叶型部分间有过渡圆角，减少应力集中,根据叶型形状包络，结构形式多样化,1,叶片结构,5,.,叶根部分,把叶片固定在叶轮或轮毂上的联接部分,周向安装：倒T型,叶轮轮盘厚,安装上有2只封口叶片,承载能力小，用于离心力较小的短叶片，结构简单，加工装配成本低,1,叶片结构,6,.,叶根部分,把叶片固定在叶轮或轮毂上的联接部分,周向安装：外包倒T型,减少叶轮轮盘宽度,安装上有2只封口叶片,承载能力小，用于离心力较小的短叶片，结构简单，加工装配成本低,1,叶片结构,7,.,叶根部分,把叶片固定在叶轮或轮毂上的联接部分,周向安装：双倒T型,叶轮轮盘厚,安装上有2只封口叶片,承载能力较大，用于中等叶片，结构简单，加工装配成本低,1,叶片结构,8,.,叶根部分,把叶片固定在叶轮或轮毂上的联接部分,周向安装：菌型,叶轮轮盘厚度适中,安装上有1只封口叶片,承载能力较大，用于离心力较大的中等叶片，结构较复杂，加工装配成本低,1,叶片结构,9,.,叶根部分,把叶片固定在叶轮或轮毂上的联接部分,周向安装：菌型,锁块、钢锁口叶片、钛合金锁口叶片,叶轮上安装销钉,在叶根中间体用骑缝销钉固定锁口叶片,1,叶片结构,10,.,叶根部分,把叶片固定在叶轮或轮毂上的联接部分,径向安装：叉型,适用于所有叶片，强度刚性好，加工成本低，装拆费时。,销钉固定,承载能力与叉数有关,1,叶片结构,11,.,叶根部分,把叶片固定在叶轮或轮毂上的联接部分,轴向安装：枞树型,适用于所有叶片，强度刚性好，加工成本高，装拆方便。,漏气量增加,轴向定位方式多样化,1,叶片结构,12,.,叶顶部分,自由叶片,成组叶片,整体叶片,1,叶片结构,13,.,连接件部分,通常包括围带和拉筋,围带的作用：防止漏汽、调整叶片频率，降低动应力,1,叶片结构,14,.,连接件部分,通常包括围带和拉筋,拉筋的作用：调整叶片频率和减振，降低动应力，增加了附加损失,1,叶片结构,15,.,调节级叶片结构,结构特殊使其强度刚度大,三联叶片,双层围带,交错接触式自锁整体围带,1,叶片结构,16,.,末级长叶片结构,变截面扭叶片,通常采用叉形、枞树形叶根,采用围带、拉筋连接成圈,防水蚀措施：钎焊司太立合金片、表面淬硬、电火花强化、激光熔覆司太立合金粉、空心导叶片除湿、加大动静间隙,1,叶片结构,17,.,末级长叶片结构,DTC典型全转速湿冷末级长叶片,1200mm,1092mm,909mm,1016mm,800mm,1,叶片结构,1400mm,18,.,末级长叶片结构,DTC典型全转速空冷末级长叶片,661mm,1,叶片结构,770mm,863mm,1030mm,19,.,末级长叶片结构,DTC典型核电半转速末级长叶片,2082mm,1,叶片结构,1828mm,1651mm,1447mm,20,.,末级长叶片结构,DTC超超临界1050MW低压转子,1,叶片结构,1200mm,1200mm,21,.,末级长叶片结构,1200mm末级长叶片结构特点,1,叶片结构,自锁式整体自带和拉筋成圈,整体围带,枞树型,整体拉筋,22,.,叶片受力分析,离心力,拉应力，偏心弯应力,变转速透平以最高转速计算,气流作用力,选择最大工况计算,2,叶片强度计算,23,.,离心力和气动力,扭转应力,叶片受热不均,热应力,一般情况数值较小，计算时往往略去,叶片工作温度450C,高温蠕变强度,2,叶片强度计算,24,.,叶片离心拉应力的计算,离心力,式中：旋转角速度,2,叶片强度计算,25,.,底部截面拉应力,围带离心力,拉金离心力,ts，tl为围带和拉金的节矩，Fs，Fl为围带和拉金的横截面积,2,叶片强度计算,26,.,叶片型线底部截面离心力,多排拉金,底部截面拉应力,2,叶片强度计算,27,.,气流产生的弯应力计算,气流力,速度三角形,2,叶片强度计算,28,.,气流力切向分量,从轮周功求解,注意C2u的方向，若90，则C2u以负数代入,气流力轴向分量,2,叶片强度计算,29,.,应选择气流力达到最大值的工况进行计算,危险工况,气流力,透平最大负荷工况,对于喷嘴调节的汽轮机调节级，为第一调节阀全开，其余调节阀全关的工况,2,叶片强度计算,30,.,叶片弯应力计算,作用在叶片上的气流力是均匀分布的,均布载荷,离底部截面为x处的弯矩,底部截面弯矩最大,2,叶片强度计算,31,.,两个主惯性轴方向的弯矩,2,叶片强度计算,32,.,M1，M2在叶片底部出气边、进气边和背部产生的弯应力,通常出气边弯应力出比进和背都要大,2,叶片强度计算,33,.,离心力引起的弯曲应力计算,偏心拉伸,变截面叶片某截面以上叶片部分的重心和旋转中心的连线离心力的辐射线不通过该截面的形心，离心力对该截面的作用是偏心拉伸,2,叶片强度计算,34,.,若离心力辐射线通过某截面形心，则在该截面上不会产生弯应力,离心力引起的弯应力的计算,离心力的弯矩,离心弯应力,合成应力,2,叶片强度计算,35,.,合成应力,调整叶片在叶轮上的安装位置（安装值b）,通过调整偏心距的大小和符号可调整离心弯应力的大小和符号（拉伸或压缩），从而抵消或部分抵消气流弯应力,2,叶片强度计算,36,.,围带、拉金对叶片气流弯应力的影响,使叶片中气流弯应力减小,气流力作用,叶片变形,围带、拉金变形,围带、拉金抵抗变形产生反弯矩,部分抵消气流力弯矩,2,叶片强度计算,37,.,轮缘,承受叶片和轮缘本身的离心力,叶根,承受离心力和气流力,2,叶片强度计算,叶根及轮缘的强度计算,38,.,T型叶根,叶根计算,I-I截面叶根最大拉应力,切向气流力产生的弯矩,2,叶片强度计算,39,.,I-I截面气流弯应力,合成应力,剪切应力,2,叶片强度计算,40,.,挤压应力,轮缘计算,拉应力,2,叶片强度计算,41,.,偏心载荷,弯矩,弯应力,2,叶片强度计算,42,.,合成应力,剪切应力,2,叶片强度计算,43,.,外包T型叶根,避免一般T型叶根轮缘上比较大的偏心载荷弯应力,轮缘支反力产生的弯矩,方向相反,偏心载荷产生的弯矩,减小轮缘截面弯应力,2,叶片强度计算,44,.,枞树型叶根,一般是等强度分布，各齿受力均匀，并且载荷可以重新分配,2,叶片强度计算,45,.,叉型叶根,可以有一叉、两叉、多到六叉、七叉，铆钉有一排、两排或三排,2,叶片强度计算,46,.,有骑缝与中间销钉，主要是看对叶根削弱程度决定采取哪种形式。可以承受大载荷,2,叶片强度计算,47,.,叶片工作条件,离心力,热冲击,腐蚀成分（NaCl，MgCl2，V2O5等）,振动应力,2,叶片强度计算,48,.,腐蚀成分（NaCl，MgCl2，V2O5等）,Cl-使疲劳极限下降50%左右,V2O5，Na2SO4加速氧化和晶间腐蚀,固体微粒及湿蒸汽中的水滴冲击,汽轮机末几级的电化腐蚀和水滴机械冲刷,处理方法有表面硬化：镀铬、硬质合金、电火花硬化和渗氮等,2,叶片强度计算,49,.,高温影响,降低屈服极限，强度极限，疲劳极限,气流激振力,2,叶片强度计算,使叶片振动，若激振力频率与叶片固有频率互成整数倍时，将引起共振，甚至损坏叶片。,50,.,叶片材料,要求,足够的机械强度,高的韧性核塑性以及高温下抗热脆性,耐蚀性,耐磨性,良好的热、冷加工性能,减振性,2,叶片强度计算,51,.,叶片的许用应力和强度校核,标准,低温,高温,高温与低温的界限,汽轮机400450C，燃气轮机480520C,屈服极限,蠕变极限,持久强度极限,2,叶片强度计算,52,.,叶片的许用应力和强度校核,许用应力,2,叶片强度计算,53,.,叶片的许用应力和强度校核,安全系数的来源,应力计算的精确度,材料机械性质的不均匀性,零件的制造工艺和装配工艺,零件的重要性及其工作条件等,2,叶片强度计算,54,.,安全系数的取值,低温范围校核拉弯合成应力,高温范围,选取其中的最小值作为校核用的许用应力,2,叶片强度计算,55,.,叶根，形状复杂，容易应力集中，校核叶根或轮缘截面上的合成应力,校核叶根或轮缘上的挤压应力,叶根或轮缘的剪切许用应力为拉伸许用应力的0.75倍,2,叶片强度计算,56,.,叶片断裂多是由于振动疲劳所致,汽轮机叶片事故约占汽轮机事故的39%,燃气轮机叶片事故所占百分比更高,叶片振动,自由振动,阻尼振动,受迫振动,3,叶片振动和调频,57,.,引起叶片振动的原因,叶片受到周期性气流激振力的作用,结构,制造和安装误差,3,叶片振动和调频,58,.,由于结构上因素产生的激振力,由喷嘴叶栅出口气流不均匀引起的激振力,叶片经过一次喷嘴槽道,气流力突变,叶片受一次激振,周期性激振力,3,叶片振动和调频,59,.,激振力大小很难精确求得,其中,相当整圈喷嘴数,存在部分进汽度时的激振力频率,激振力频率,3,叶片振动和调频,60,.,部分进汽引起的激振力,沿圆周方向只有一部分弧段进汽为部分进汽,叶片经过进汽弧段,叶片经过进汽弧段空挡,全部气流力,气流力为零,3,叶片振动和调频,61,.,激振力频率,若喷嘴组对称分布i为喷嘴组数目,部分进汽产生的激振力,喷嘴出口气流尾迹产生的激振力,全部气流力,部分气流力,3,叶片振动和调频,62,.,抽气管、排气管等引起的激振力,管道沿气缸径向分布，处于这些管道的前一级和后一级的级后或级前压力沿圆周方向分布不均匀,激振力频率,3,叶片振动和调频,63,.,气流通道中加强筋和肋引起的激振力,加强筋和肋阻止气流流动，使气流参数沿圆周方向分布不均匀,激振力频率,3,叶片振动和调频,64,.,制造、安装偏差引起的激振力,喷嘴和叶片槽道制造、安装偏差引起的激振力,喷嘴和叶片的节矩及安装角偏离设计值,槽道面积和进出气角变化,喷嘴后气流参数变化,激振力,激振力频率,3,叶片振动和调频,65,.,隔板中分面处喷嘴接合不良引起的气流激振力,隔板制造偏差,喷嘴型线部分错开,气流突变,激振力,激振力频率,斜切分面,i=1,2,3,叶片振动和调频,66,.,激振力频率,喷嘴出气边厚度引起,其它因素引起,高频激振力,低频激振力,3,叶片振动和调频,67,.,周期激振力的傅立叶展开,低频,高频,随K增大激振力逐渐减少，K6阶需调频，K=715阶工作应力满足安全运行。,激振力阶次,K=1,2,3,叶片振动和调频,68,.,叶片振动安全性校核,避免事故,避开共振,调频,振动破坏的本质,振动时动应力过大,根据振动特性不同有两类叶片,调频叶片,不调频叶片,3,叶片振动和调频,69,.,调频叶片,调开自振频率和激振力频率使运行时避免发生共振,原有校核准则：从频率和动应力方面进行校核调开频率和降低气流弯应力,不调频叶片,允许自振频率和某激振力频率相等而处于共振状态,主要考虑共振时的动应力,3,叶片振动和调频,70,.,叶片原有校核准则,调整叶片自振频率和激振力频率，避免共振,避免共振是要调整叶片自振频率和激振力频率使其不相等，并避开一定的范围,低阶振动比较危险，对于切向振动而言，需要避开A0、B0和A1型振动,3,叶片振动和调频,71,.,不产生共振时叶片动频需满足的条件,低频激振力,高频激振力,单个叶片，fd为A0或A1型振动频率,叶片组，fd为考虑围带、拉金影响后的A0、B0或A1型振动频率,3,叶片振动和调频,72,.,叶片动频和激振力频率需避开一定范围,共振点附近振幅仍很大,叶轮上叶片由于制造和装配误差，有一定的频率分散度,透平在某工况下转速不可能稳定不变，允许周波在一定范围内变化,3,叶片振动和调频,73,.,低频激振力频率Kns和A0型振动的频率避开率,其中，K=28,K9时，可以不调开低频激振，在动应力满足规范要求的前提下允许产生共振。,3,叶片振动和调频,74,.,频率安全避开率与振型阶次及激振力阶次有关阶次越高，共振振幅越小，避开率可以越小,A0型振动与低频激振力间的频率避开率，对于不同K值下的f最小裕量,3,叶片振动和调频,75,.,高频激振力频率Z1ns的频率避开率,与高频激振力可能产生共振的是中长叶片（或叶片组）叶片组的B0和A1型振动以及短叶片（或叶片组）的A0型振动,3,叶片振动和调频,76,.,对于不同振型，频率避开率f的最小裕量为,等截面叶片组不产生B0和A1型共振的条件,考虑一定的安全裕量,单个叶片静频,3,叶片振动和调频,77,.,Z1ns/fA0在48范围外，无需做避开率校核，在48范围内则需做避开率校核,变截面叶片组，B0型频率在(35)fA0范围内，A1型频率在(3.58)fA0范围内，避开率范围为(38)fA0,3,叶片振动和调频,78,.,叶片原有校核准则,限制气流静弯应力,振动的动弯应力与气流静弯应力成比例，限制气流静弯应力可降低气流激振力引起的动应力,冲击式汽轮机叶片