汽轮机零件的强度校核( 146页)

1、汽轮机零件的强度校核 第一节 汽轮机零件强度校核概述 第二节 汽轮机叶片强度计算 第三节 汽轮机叶轮静强度概念 第四节 汽轮机转子零件材料及静强度条件 第五节 汽轮机静子零件的静强度 第六节 汽轮机叶片的动强度 第七节 叶轮振动 第八节 汽轮机发电机组的振动 第九节 汽轮机主要零件的热应力及汽轮机寿命管理 §5 汽轮机零件的强度校核 第一节 汽轮机零件强度校核概述 零件强度校核的目的、分析计算的要素与分类 工程材料的强度是指抵抗外力产生的某种应力或应变 的能力。 汽轮机零件的强度系指在外力作用下零件内部所产生的 某几种应力或应变与组成零件材料所能抵抗这几种应力或 应变的能力。 强度分

2、析、计算的三要素 外力 应力或应变 材料的许用极限 汽轮机零件强 度校核目的 为保证机组在所有工况 下能安全可靠运行提供 理论依据。 确定汽轮机安 全运行的工况范围 确定应该控制的极限值 汽轮机本体零件 转子 静子 叶片、叶轮、主轴、围带、拉金、联轴器、和 紧固件 汽缸、隔板套、隔板、喷嘴、汽封、滑销系统以及 一些紧固零件 第一节 汽轮机零件强度校核概述 汽轮机零件的主要应力应变类型 拉伸应力 转子上的离心拉伸应力 高速旋转产生的离心力引起 弯曲应力 动叶上的汽流弯曲应力 拉筋、围带等弯曲应力 蒸汽作用力 引起 拉筋、围带变形 引起 扭转应力 转子扭转应力 长叶片扭转应力 传递扭矩 扭转变形

3、剪切应力 叶根销钉等的剪切应力 传递扭矩 热应力 转子和汽缸的热应力 零件内部温度不均匀 振动应力 转动部件的振动应力 汽流扰动 惯性质量 静 强 度 动强度 第一节 汽轮机零件强度校核概述 第一节 汽轮机零件强度校核概述 转子受热时变形 转子冷却时变形 中心受压应力 表面受拉应力 ?行氖芾煊?表面受压应力 机组启停一次中心和表面承受一次循环热应力 第一节 汽轮机零件强度校核概述 强度分类 静强度 外力和应力或应变的大小及方向不随时间而变 动强度 外力和应力或应变的大小及方向随时 间而变周期性激振力引起的振动应力 热疲劳寿命 也叫低周疲劳启停或变工况时内部温度梯度引起交变热应力造成的转子与汽缸

4、的寿命损耗 计算最危险工况下最大应力 静强度校核 最小许用应力 最小许用应力 屈服极限 蠕变极限 持久强度极限 分别除以各自安全系数后的小者 安全倍率和共振避开率 动强度校核 屈服极限 阶段 线弹性阶段 拉伸初期 应力应变曲线为一直线此阶段应力最高限 称为材料的比例极限 阶段 屈服阶段 当应力增加至一定值时应力应变 e第一节 汽轮机零件强度校核概述 曲线出现水平线段有微小波动在 此阶段内应力几乎不变而变形却 急剧增长材料塑性变形失去抵抗 变形的能力这种现象称屈服相应 的应力称为屈服应力或屈服极限并 用 表示。 s阶段 为强化阶段经过屈服后材料又增强了抵抗变形的能力。强化阶段的最高点所对应的应力

5、称材料的强度极限。用 表示强度极限是材料能承受的最大应力。 bb第一节 汽轮机零件强度校核概述 阶段 为颈缩阶段。当应力增至最大值 后试件的某 一局部显著收缩最后在缩颈处断裂 金属在长时间的恒温、恒应力作用下即使应力小于屈服强度也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。 第一阶段ab是减速蠕变阶段 开始的蠕变速度很大随 着时间延长蠕变速度逐淅 减小到b点蠕变速度达到 最小值。 第二阶段bc是恒速蠕变阶段 。特点是蠕变速度几乎保持 不变蠕变速度就是以这一 阶段的变形速度表示的。 第三阶段cd是加速蠕变阶段随着时间的延长蠕变速度 逐渐增大直至d点产生蠕变断

6、裂。 第一节 汽轮机零件强度校核概述 持久强度是材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力 蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的 指标。 蠕变极限一般有两种表示方法 在给定T下使试样产生规定蠕变速度的应力值 在给定温度T下和在规定的试验时间内使试样产生一定蠕变变形量的应力值 第一节 汽轮机零件强度校核概述 1.试述零件强度校核的目的。 2.强度分析、计算的三个主要因素是什么 第一节 汽轮机零件强度校核概述作业 工作中的动叶片既要承受离心拉应力、蒸汽弯曲应力等静应力还要承受叶片振动产生的弯曲应力。 第六节 汽轮机叶片的动强度 一叶片动强度概念 叶片的振动是由于叶片在旋转过程中受到了周期性

7、的激振力。当叶片自振频率等于激振力频率或为其整数倍时叶片将发生共振产生很大的交变应力动应力。 运行经验表明在汽轮机事故中叶片事故约占25以上叶片事故又以叶片振动损坏为主。 研究叶片动强度主要是研究激振力和叶片振动特性以及叶片在动应力作用下的承载能力。 振幅y 时间 无阻尼自由振动 周期T 最大振幅A 振幅y 时间 周期T 最大振幅A 有阻尼衰竭振动 第六节 汽轮机叶片的动强度 叶片的自振频率 叶片的自振频率与尺寸、材料性质以及 两端固定的方式有关是叶片的固有特性。 叶片是一个弹性体若外力迫使其离开原平衡位臵一旦外力除去则叶片在平衡位臵两侧作往复自由振动其振动频率为叶片的自振频率。 叶片的自振频

8、率等于脉冲激振力频率 或其整数倍 叶片的自振频率等于简谐激振力频率 叶片共振或合拍 汽轮机中都是脉冲激振力 振幅y 时间 时间 激振力 T3T 周期T 第六节 汽轮机叶片的动强度 级中汽流流场不均匀 叶栅尾迹扰动 结构扰动 叶片的激振力 二激振力产生的原因及其频率计算 低频激振力 喷嘴出口边缘厚度不均匀使出口流场不均匀 隔板加强筋或肋造成喷嘴出口流场分布不均匀 上下隔板结合面处喷嘴错位造成出口流场分 布不均 抽汽口、排汽口造成局部区域汽流速度分布 不均匀 喷嘴部分进汽叶片间断性受力 高频激振力 喷嘴尾迹使喷嘴出口流速沿圆周向分布不均。 第六节 汽轮机叶片的动强度 P264 fig.5.6.3

9、exfkn低频激振力频率计算 1 对称激振力 引起汽流扰动的 因素在圆周对称分布 123k一个圆周内的激振力次数 n动叶转速 一般电站汽轮机 为50r/s 2 非对称激振力 引起汽流扰动的 因素在圆周非对称分布按扰动分布规律分析 1224Tnn如圆周有 两激振力相隔/2 14exfnT33224Tnn如圆周有 两激振力相隔3/2 134exfnT第六节 汽轮机叶片的动强度 exnfznexnfzn高频激振力频率计算 全周进汽的级 nz是级的喷嘴数 nz4090 高频激振力 部分进汽的级 nnzze称为当量喷嘴数 三叶片与叶片组的振型 叶片或叶片组的强迫振动类型 扭转振动 弯曲振动 切向 轴向

10、1 单个叶片的振型 单个叶片弯曲振动 第六节 汽轮机叶片的动强度 u 最小主惯性轴 最大主惯性轴 a 切向振动 叶片最易发生沿其最大主惯性轴绕最小主惯性轴方向 的振动称为切向振动 根据出现节点不动点 的多少 012AAA、012BBB、型振动 型振动 切向振动 叶身振动 顶端不振动 叶身振动 顶端振动 A型振动 B型振动 叶片是连续质量分布的弹性体存在着无限多个自振频率 节点或节线的个数对应着自振频率阶数 A0 A1 A2 B0 B1 B2 第六节 汽轮机叶片的动强度 动叶片最危险的振动为A0型振动 B0型次之。 b轴向振动 叶片绕最大主惯性轴即振幅沿最小主惯性轴方向的振 动称为轴向振动。 由

11、于轴向惯性矩大振动频率高一般不易出现有节点 的轴向振动但轴向振动易与叶轮振动联系在一起可 能不利于安全运行。 单个叶片扭转振动 沿叶片高度方向绕截面形心轴线的振动表现为截面绕径向线又称节线所作的往复扭转运动主要发生于长扭叶片。与弯曲振动相似对应于各阶扭转振动自振频率叶片上多个节线。 同一动叶片各振型的自振频率由小到大按0型、0型、1型、1型、2型、2型排列 第六节 汽轮机叶片的动强度 节线的多少可将其分别称为 123TTT、型振动第六节 汽轮机叶片的动强度 2.叶片组的振型 用围带或拉筋连接成组的叶片称叶片组单个叶片称自 由叶片 切向振动 轴向振动 叶片组振动 弯曲振动 扭转振动 叶片组弯曲振

12、动 a切向振动 012AAA、叶片顶部振动 A型 节点的多少 型振动 A0型最危险 012BBB、B0型最危险 叶片顶部不振动 B型 型振动 叶片组中心线两侧等距离的叶片振动相位相同中心线左侧叶片对围带作用力基本平衡右侧亦然称为B02型振动。 第六节 汽轮机叶片的动强度 节点的多少 叶片组中心线两侧等距离的叶片振动相位相反即叶片 组中心线两侧等距离叶片对围带的作用力刚好相反称 为B01型振动 B型振动围带不动不起统一各叶片振动相位的作用组 内各叶片振动频率不同所有叶片振动频率都避开激振力 频率比较困难。 第六节 汽轮机叶片的动强度 当叶片组作轴向振动时同组中两部分叶片各作反方向 振动围带上出现

13、不振动的节点如图这种振动往往与 叶轮的振动类型有关且每一叶片的振动同时伴随有叶片 的扭转振动。 b轴向振动 c叶片组扭转振动 叶片组扭转振动也分为两类一类是组内各个叶片的扭振 又称节线扭振图c、d、e所示分别为单节线、双 节线与三节线扭振另一类是叶片组扭振又称节点扭振图a、b分别为单节点振动与双节点振动其为轴向振 动中伴随出现的各叶片的扭振。 第六节 汽轮机叶片的动强度 四、 叶片振动的自振频率的计算 汽轮机工作中激振力是不可能完全消除的只能尽量减少和减小因此叶片发生强迫振动是不可避免的我们可做的工作是如何尽量避免叶片自振频率等于激振力频率或为其整数倍而发生共振尤其发生最危险振型的共振。 前面

14、讨论了引起叶片振动的激振力及其频率的计算以及叶片和叶片组的危险振型。 下面讨论叶片自振频率的计算 第六节 汽轮机叶片的动强度 1叶片根部为刚性固定即根部截面处的挠度和转角为零 1.叶片弯曲振动的微分方程 实际工程中叶片的固定方式、叶型是不同而且叶片振动时的变形非常复杂为了建立较简单的力学模型来描述叶片的振动规律作如下假设 2叶片为一个由无限个质点组成的弹性杆 4不考虑周围介质和材料内部阻尼对振动的影响 3叶片只在一个平面内振动只考虑其弯曲变形不考虑切力、扭矩产生的变形对弯曲变形的影响 5不考虑离心力对振动的影响即计算的是叶片的静频率 第六节 汽轮机叶片的动强度 第六节 汽轮机叶片的动强度 根据

15、上述假设当叶片受到外界脉冲力作用后叶片发生弯曲自由振动。 叶片做自由振动时只有叶片自身的弹性力和质量惯性力在起作用所以同一瞬间单位长度上的弹性力和惯性力始终是平衡的。 根据达朗伯原理一个非自由质点系运动时作用于该质点系的主动力系、约束反力系与质点系的惯性力系在形式上组成平衡力系。叶片做自由振动时主动力系为零弹性力系是内力不用考虑故只有约束力系和惯性力系。 惯性力以单位长度上的分布载荷q表示这样可以把叶片视为在惯性力系q作用下、受约束的静止梁有 222222xxyMQqAxxyEIMx图5.6.9 化简有 0222222yAxyEIxxx式中M为弯矩Q为切力q分布载荷E为材料弹性模量 是材料密度

16、 Ix是距叶根x处叶型截面的惯性矩Ax是距叶根x处叶型截面面积。 上式可用于求解等界面叶片的自振频率和振型但对变截面叶片由于沿叶高Ax和 Ix是变化的直接解上式在数学上有困难故变截面叶片的自振频率在工程上用能量法计算。 440040dykydx对等截面叶片有 02244yAxyEI设叶片振动为简谐运动即 pyycos0可以写为 其中 EIAkp24该式的解为 等截面叶片自振频率计算 002404yEIAxypkxchCkxshCkxCkxCy43210cossin式中C1、C2、 C3、 C4为积分常数由边界条件决定。 根据前面的假定x0时挠度和转角为零即 000000xxdxdyy对于自由叶

17、片叶顶弯矩和切力为零对B型振动叶顶为固定即位移和转角为零即 000030302020lxlxlxlxdxydQdxydM 第六节 汽轮机叶片的动强度 将边界条件带入最后得到 klchkl1cos解该方程等到一系列kl值无穷多个 y kl cosykl1ychkl用图解法得到频率方程一系列解代入 2243222pklEIklEIfAlml第六节 汽轮机叶片的动强度 得到单个等截面直叶片A型振动的各阶自振频率 从上式可以得到如下结论 2影响叶片自振频率的因素是叶片的结构尺寸A、I、l、材料机械性能E和密度。 可以通过改变叶片的抗弯刚度EI和叶片质量m改变叶片的自振频率。叶片调频措施 1 叶片有无穷

18、多个自振频率从低到高分别对应A0、A1、A2 ······型振动 对叶片自振频率理论计算值的修正 a 温度修正 叶片自振频率理论计算值是在一些基本假设条件下得到的与实际的有差别必须进行修正。 计算中认为材料的弹性模量E为常数实际上该参数随温度变化温度修正系数为P271图5.6.11 0EEKttb叶片根部牢固修正系数 计算中假设叶片根部为刚性固定实际上叶片跟部安装在弹性轮槽中叶根也是弹性体且叶根与轮缘间存在间隙叶片跟部截面的位移和转角不为零即刚性减小自振频率降低。需要对叶片跟部牢固程度进行修正。P272图5.6.125.6.13 叶片

19、根部牢固修正系数与叶片振型、叶片柔度和叶根形状有关由试验确定。 叶片柔度l/i l为叶片高度i为叶片惯性半径 I为叶型截面的最小惯性矩A为叶片截面积。 AIi/变截面叶片自振频率计算 变截面叶片的叶型截面积和叶型截面惯性矩是随叶高变化的而且很难用简单的函数关系表达因此不能用解析法求解其自振频率。在工程中常用能量法瑞利法近似计算变截面叶片自振频率。 叶片振动中在任一位臵都有 VTVTmaxmaxlxlxAdxyAdxdxydEIf02002202210TVTmaxVmax Tmax Vmax 22dbffBn静频率f-叶片在静力场中的自振频率称静频率。 动频率fd-叶片在旋转力场中的自振频率称动

20、频率 动静频率关系-考虑离心力后其它条件不变是增大了弹性恢复力抗弯刚度使叶片自振频率升高故同阶次的动频率高于静频率但随着阶次的增高动频率与静频率的差异缩小。动频率计算公式 式中n是转子的转速Bb是叶片的 动频系数。 能量法瑞利法只能计算A0型自振频率 第六节 汽轮机叶片的动强度 自振频率 围带、拉筋的影响 反弯矩阻止叶片弯曲 增大叶片抗弯刚度 围带和拉筋的质量 自振频率 围带的作用 减小叶顶漏汽 热力设计 减小动叶弯曲应力 静强度设计 动强度设计 调整叶片自振频率 减小叶片振动幅度 消耗、吸收振动能量 破坏流场影响能量有效 转换在特殊情况下使用 拉筋 调整叶片自振频率 消耗吸收叶片振动能量 整

21、圈自锁阻尼长叶片 第六节 汽轮机叶片的动强度 第六节 汽轮机叶片的动强度 机理分析 刚度增大为主 惯性增大为主 MstsQ Qs 自振频率 自振频率 1Q Q 1y0 取决于围带和拉筋处的位移和转角 位移大 惯性影响较大 转角大 刚性影响较大 一般刚度增大占主导作用成组叶片自振频率通常高于单个自由 叶片同价频率 拉筋不同高度对叶片自振频率的影响 拉筋位于叶片不同高度处位移和转角不同对叶片自振 频率的影响不同 对A0型振动 拉筋从根部上升时振动的位移和转角随之增大 11转角增大强于位移自振频率上升 拉筋上移到60左右 位臵继续提高惯性增大占主导地位频率由最高值下降 自振频率最高 A1型振动节点在

22、80叶高左右 拉筋移到该处时惯性力的影响可以 但由于拉筋的刚性较强即使拉筋到达叶顶处通常拉 筋叶片组的自振频率仍高于单叶片 忽略只有反弯矩起作用 自振频 率最高 第六节 汽轮机叶片的动强度 动频率测定 静频率测定 五叶片频率的测定 自振法 共振法 1. 叶片静频率测定 自振法 橡皮小锤轻击叶片 被测叶片自由振动 振动机械能量 同频电信号 示波器左端 音频发生器信号 拾振器 示波器右端 示波器内合成 调节音频发生器的频率 右端和左端频率之比为整数右端和左端频率之比为整数 李沙茹图 出现稳定椭圆或圆 数字频率器读数 荧光屏 叶片自振频率 第六节 汽轮机叶片的动强度 简便、准确、迅速 自振法的优缺点

23、 优点 缺点 只能测量A0型振动的频率 只适宜测量中长叶片 由于取样传感器要和叶片接触对叶片产生一个很大的阻尼大大加速了叶片振动的衰减。同时对叶片也有一个附加质量既增加了取样的难度也影响了测量的精度。所以这种方法在测量自振频率较高、振幅小、衰减快的短叶片组 时就十分困难。 第六节 汽轮机叶片的动强度 共振法利用共振原理测量叶片各阶振动的静频率值的 方法 示波器 数字频率器 音频发生器 功率放 大器 激振器 叶片强迫共振 拉杆的机械振动 同频电信号 拾振器 振动机械能量 李沙茹图 音频读数 叶片自振频率 第六节 汽轮机叶片的动强度 连续调节音频信号发生器输出的频率信号依次确定叶片各阶的自振频率值

24、。 缺点拉杆或压电晶体的质量也参与了振动使被测叶片的振动频率值略微偏低。 共振法也可用贴在被测叶片的根部的压电晶体作为振荡器 第六节 汽轮机叶片的动强度 叶片振型可用撒沙子的方法确定沙子聚集的地方即为节点 2. 叶片动频率的测定 无线电遥测方法 发送部分 贴在叶片上的 应变片或晶体片 音频放大器 射频压控振荡器 调频波 频率调制 叶片振动信号 接收部分 天线 汽缸内部发射机附近 高频电缆 调频接收机 放大和解调 应变片频率信号 光线示波器和磁带录波仪 第六节 汽轮机叶片的动强度 五叶片动强度的安全准则和调频 1. 概述 旧准则 苏联1941年第三届叶片与叶轮会议通过的标准 特点强度和振动分开考

25、核。缺点使有的叶片在静应力未超许用值自振频率与激振力频率已调开的情况下仍然遭到破坏。 新准则我国1980年完成的汽轮机叶片振动强度安全准则。体现动静应力联合承载的观点 主要特点 采用表征叶片抵抗疲劳破坏能力的安全倍率Ab这一概念 考虑了实际叶片工作条件对耐振强度以及静应力蒸汽弯应力的影响 采用叶片材料在静动载荷联合作用下的耐振强度 来衡量叶片的动强度 a第六节 汽轮机叶片的动强度 第六节 汽轮机叶片的动强度 2.叶片振动的主振型 工程上根据激振力的谐波特征和叶片自振频率的分布将实际中对叶片运行安全影响较大的振型称之为主振型。 第一种共振 kn切向A0型振动的动频率与低频激振力频率 合拍时的共振 第二种共振 nzn