汽轮机叶片的动强度.ppt

1、汽轮机叶片的动强度,一、叶片的动强度概念,汽轮机受到因汽流不均匀产生的激振力作用，激振力由结构因素、制造和安装误差及工况变化等原因引起。因叶片高速旋转，所以激振力对叶片的作用是周期性的，叶片在振动状态下工作。 叶片的振动分为两大类：,1）自由振动：,）振动的频率称为自振频率，取决于 (1) 叶片本身的形状、尺寸、材料； (2) 叶片的边界条件，如叶根的紧固程度，有无围带、拉筋等； ）叶片在自振过程中，受到阻尼作用，振动强衰减并消失，回到原来的平衡位置，振动振幅随时间变化的过程可用曲线表示。 振幅按指数规律递减，而频率基本不变。叶片在工作时的阻尼主要来自两方面：材料本身的内摩擦，介质的粘性阻尼。

2、,2）强迫振动,）强迫振动的频率等于激振力频率 ）强迫振动的振幅取决于 激振力幅值大小； 激振力频率与叶片自振频率的接近程度，可用曲线表示。激振力频率与自振频率越接近，振幅越大，当两者相等将发生共振，振幅及动应力明显增大，最终可能导致叶片损坏。,说明：,（1）在汽机叶片激振中，激振力往往是矩形的脉冲波，周期为T； （2）叶片自振频率为激振力频率的整数倍时，因为激振力是脉冲形式，即f自kf激，也要激起叶片的共振，k3举例见P263图5.6.2 为了保证叶片安全工作，必须研究激振力，叶片振动特性，及叶片在动应力作用下的承载能力，属叶片动强度范畴。 目前还不能精确地对叶片动应力进行理论计算。,二、激

3、振力产生的原因及其频率计算,叶片的激振力是由级中汽流流场不均匀所致， （1）叶栅尾迹扰动 （2）结构扰动，部分进汽，抽汽口、排汽管，叶栅节距偏差等原因引起汽流流场不均匀。,激振力分类：,（一）低频激振力 1、产生的原因：主要与结构因素有关 若个别喷嘴损坏或加工尺寸有偏差，动叶片旋转到这里受到一次扰动力； 上下两隔板结合面处喷嘴错位或有间隙； 级前后有抽汽口，抽汽口附近喷嘴出口汽流的轴向速度小，引起扰动； 高压级采用窄喷嘴时，加强筋对汽流产生扰动； 采用喷嘴配汽方式,2、低频激振力频率计算,（1）对称激振力，若引起汽流扰动的因素沿圆周对称分布，则 ，n为动叶转速，k为一个圆周内的激振力次数。 （

4、2）非对称激振力 如喷嘴配汽有两个不通汽弧段相隔 ，动叶转速n，则每秒转过2n弧度。则周期 ， ，如果二个异常点的分布没有规律，就不可能与叶片自振频率合拍，引起共振。,（二）高频激振力,（1）产生原因 由喷嘴尾迹引起。另外汽流和通道壁面的摩擦力，使喷嘴出口沿圆周方向汽流的作用力不均匀分布，叶片每经过一只喷嘴片，汽流作用力就减小一次，即受到反方向的扰动。 （2）计算 ）全周进汽 喷嘴沿圆周向是均匀分布，所以 ，一般zn4090。 ）部分进汽，部分进汽度e 进汽弧度有 个喷嘴，级平均直径dm， 动叶经过一个节距所需时间 所以 ，当量喷嘴数,三、叶片与叶片组的振型,所谓振型是指叶片在不同的自振频率下

5、振动所具有的振动形状，可分为两大类 (1) 弯曲振动：切向弯曲振动，轴向弯曲振动； (2) 扭转振动,（一）单个叶片的振型,1、单个叶片的振型 （1）切向振动 叶片振动容易发生在最大主惯性轴（22轴）方向， ）叶片在激振力作用下振动，顶端也振动，称A型振动，按自振频率由低到高振型曲线上不动的节点数增加， A0 ，A1，A2型振动 A0在最低的自振频率下振动，一阶振型，顶部振幅最大，自上而下逐渐减小，只有根部不动。,)B型振动 叶片叶身振动，顶端不振动，称B型振动，B0B1B2 上述振型中，A0型最危险，B0型次之 （2）轴向振动 振动沿最小主惯性轴（11）方向的振动称轴向振动。 理论上有A0、

6、A1，但轴向惯性矩大，振动频率高，不易出现有节点的轴 向振动。,2、单个叶片扭转振动,叶片各个横截面重心的连线，组成了一条轴线，当叶片受到一个绕轴线来回变化的交变扭矩时，发生扭转振动，常在长叶片中出现。 一阶振型所有截面发生同方向的来回扭转，顶部转角最大，这时叶片中不扭转的线称为节线，,（二）叶片组的振型,1、叶片组弯曲振动 （1）切向振动 根据叶片顶部是否振动分A型、B型。 A型振动方向相同，叶片顶部的振幅最大。组内各叶片在围带联系下，振动频率相同，A0型最危险。当有拉筋时，节点往往在拉筋附近。,B型振动无节点的B0型最危险 叶身振动时，围带基本不动。 B01型：叶片组中心线两侧等距离的叶片

7、振动相位双双相反，对围带的作用力刚好相反，可抵消。 B02型：叶片组中心线两侧等距离的叶片振动相位双双相同，围带不动，组内各叶片的振动频率也不相同，而是略有大小的一组频率数值频带，不容易避开激振力频率。,（2）轴向振动,轴向振动要与叶轮的轴向振动来共同分析，同组中两部分叶片各作反方向振动，围带上出现不振动的节点，每一叶片的振动同时伴有叶片的扭转振动。,2、叶片组扭转振动,节线扭振和叶片组扭振（节点扭振） 今后我们主要讨论切向振动，因为 （1）切向振动是绕叶片最小主惯性轴的振动，即使很小的激振力也可能激发相当大的振动； （2）讨论弯曲应力时，蒸汽对叶片作用力的方向几乎是这个方向； 切向振动容易发

8、生且比较危险，我们关心低频的A0，B0，A1型,四、单个叶片的自振频率计算,1、一般说明 （1）叶片的自振频率 叶片频率分： 静频率：叶片或叶片组在不转动时所具有的自振频率； 动频率：叶片或叶片组在转动的叶轮上所具有的自振频率； 动频率不同于静频率，因为转动时叶片受到离心力的作用，另外根部紧固条件也要发生变化，一般指静频率。 （2）叶片频率求取的方法： 试验法：当叶片制造并安装好以后，可采用试验方法测定叶片静频率的数值，对于长叶片还可测取相应的振型。但是目前测动频率比较困难。 计算法：当对叶片进行改型或设计新叶片时，由于无实物无法测定。对于设计叶片用计算方法求取各阶振型的自振频率，预先分析是否

9、会发生共振，以选择最佳的设计方案。,（一）叶片弯曲振动的微分方程,计算方法： 首先根据叶片结构及实际工作情况作出假定，得出简化的力学模型，然后列出微分方程式，求通解。 由叶片的边界条件确定积分常数 最后求出叶片自振频率 1、基本假定 叶片根部刚性固定，根部截面处挠度转角为0； 叶片为弹性杆； 叶片只在一个平面内振动； 叶片振动无阻尼； 不考虑离心力对振动影响；,2、弯曲振动的微分方程式,书中P269式5.6.9,（二）等截面叶片的自振频率计算,求得频率方程式,用图解法求kl，两条曲线的交点有无数多个 f的影响因素：叶片材料（E、），结构（A，I，l）, 1.875 4.694 7.855 10

10、.996 A0型的最低阶振动自振频率,实例：,例：国产某机第九级等截面叶片，高度l=5.1cm，截面积 截面最小主惯性矩 ，叶片材料1Cr13不锈钢，请计算它的切向第一、二阶自振频率 解：由材料手册查1Cr13,(三 )对自振频率理论计算值的修正,1、温度修正系数 在叶片自振频率计算时，包括建模，确定积分常数边界条件时，做过假定： （1） 假定叶片根部刚性固定在叶轮 （2） 不计叶片振动弯曲时剪力对扰度的影响 （3） 没有考虑工作温度的影响 （4） 没有考虑转速的影响 假定必须加以修正。 （1）（2）假定用叶根紧固修正系数修正 （3）用温度修正系数修正 （4）提出动频率的概念,由叶片自振频率计

11、算公式 分析 各参数中弹性模量E与温度有关，t，E，f 修正方法有两种： （1）根据叶片的实际工作温度，查该温度下材料的弹性模量，代入公式计算 （2）引入温度修正系数 E0-常温下弹性模量，Kt可查具体材料得曲线,2、叶根部牢固修正系数,（1） 影响分析 推导公式过程中，边界条件为： 根部无位移 根部无弯曲 绝对的刚性无法做到，一方面叶根与轮缘是金属，弹性体，厚度有限，受力后发生弹性形变，根部不可能不动，另一方面，根部与轮缘，叶根和叶根之间的配合，不可能完全紧密贴合，难免有间隙，高温下轮缘的膨胀大些，所以叶根振动时，相对于轮缘有松动。 叶片振动的影响，一使叶片的抗弯刚度减小，二是叶片的振动并没

12、有在叶身的底部截面上终止，要延伸到叶根中，相当于叶片振动部分的长度增加，参加振动的质量变大，这些影响使叶片的自振频率降低。,（1）修正方法,K根部牢固修正系数，由试验确定，反映叶片连接刚性，切力扭转，阻尼等因素对自振频率的影响 引入柔度 叶片惯性半径 K与柔度的关系曲线见图 叶根型不同，取值不同：倒T型，叉型，纵树型 振动阶型不同，取值不同，阶次（二阶），叶根紧固程度的影响变小，剪切力及转动惯量的影响增大。,A）l，i，则叶根紧固程度的差异越小，K，自振频率的实测值与计算值越接近。 B）当叶片较长，曲线趋于饱和，K0.95，所以根部固定对自振频率的影响不大。 C）不同振型的根部牢固修正系数不同

13、。,A1型根部牢固修正系数,（四）离心力的影响叶片动频率,1、动频率：考虑叶片离心力影响后的叶片振动频率。 2、影响动频率的主要因素 （1）当叶片随转子高速旋转时，叶片振动受力的情况发生变化，除了弹性力，惯性力，还有离心力，离心力对叶片将产生一个附加弯矩，阻止振动叶片的弯曲变形，相当于增加叶片的抗弯刚度，使叶片振动频率升高。 （2）叶片转动由于离心力的作用，有可能使叶根松动，从而使自振频率下降，若叶轮刚度较低，这项影响可能大于叶片离心力产生的反弯矩，使叶片的动频率反而比静频率低。 （3）振型不同，离心力影响不同 A0 轴向振动 低阶振动 B0 切向振动 高阶振动：节点多，振幅小，离心力对频率的

14、影响小,3、动频率计算公式,从 得 旋转时恢复力包含叶片材料弹性力离心力 Bb 叶片的动频系数,4、动频系数的近似公式,Bb取决于许多因素：振动型式，径高比，叶片振动平面与叶轮平面夹角，叶片截面积与惯性矩沿叶高变化规律，拉筋，围带结构等。一般用经验公式 （1）等截面叶片A0型 （2）变截面叶片A0型 变截面沿叶高变化，一般取 根部 沿叶高变化较大，,五、叶片组自振频率计算,1、一般说明 单个叶片用围带或拉筋联接起来，成为叶片组，亦称叶栅 叶片振动时要受到围带或拉筋的反作用，使得叶片组的自振频率上有 别于单叶片，对于每个叶片，还是作自由振动的弹性梁。 相同之处： （1）振动微分方程相同，为 （2

15、）通解相同，为 （3）自振频率的公式相同，为,不同之处： 安装围带或拉筋，则边界条件不同，使本来处于自由状态的叶顶，叶身要受到围带或拉筋的作用，分两方面：（1）围带拉筋弯曲变形反弯矩相当于提高抗弯刚度，提高自振频率；（2）围带拉筋有质量惯性降低自振频率。 所以叶片组自振频率的计算归结为受到附加反弯矩及质量惯性作用的自由叶片计算。,2叶栅切向振动的自振频率计算公式,边界条件不同，体现在（Kl）的值不同，由于Kl有无限多个，所以叶片组自振频率也有无限多个 （1）等截面叶片组B型振动频率计算 讨论B型振动的两种极端情况，以确定叶片组型振动频率的范围 a） 顶端刚性固定 设叶片组顶端和根部刚性固定，边

16、界条件为： x=0 x=l 频率方程式 得到一系列方程根,b） 顶端铰链连接 x=l 之比介于两者之间,(2)等截面叶片组各种振动频率的计算,以围带连接的叶栅 叶片顶端受到围带惯性力Qs和反弯矩Ms作用，边界条件为P277的式5.6.41；频率方程式为式5.6.42 a） 引入成组系数 n叶片组 只要事先根据叶片的结构尺寸知道成组系数，等截面叶栅任意阶次的任意型式振动频率可以借助单叶片A0型振动的自振频率fA0来求取,（b）成组系数取决于各阶（kl）的数值大小 首先取决于振动的型式，如A型，B型， 不同 振动的阶次不同，一阶，二阶， 阶不同 即使在同一阶次中，当围带的结构尺寸不同时， 刚度系数

17、和质量比不同时，Kl也不同 为了计算方便，可针对不同的振型，阶次给出一系列的刚度系数和质量比，带入频率方程式，解得一系列的值，得到一系列的 ，并按不同的振型，阶次整理成曲线，,讨论：,I. 同一种振型中， 质量比越小，围带质量影响越小，曲线的位置越高 围带在弯曲变形时产生一个反弯矩，使叶片的刚度增大，自振频率提高，图中 一定，即围带质量一定时，无论哪一个阶次振动， 随 增大而升高 由于围带质量增大了振动系统的质量，有使自振频率降低的趋势，质量越大，降低越多，图中，当 一定，同振型中， 增大， 增大 叶片组采用围带后，自振频率是升高还是降低，取决于 的综合影响，有可能 1或1,I.装了围带后出现

18、B型振动,以B0振动为例 只是在一个狭小的范围内变化，4.44.9，比A0，A1的 值变化范围要小得多，说明围带的结构不同，对B0型自振频率影响不大，因为叶片组作振动时，叶顶基本不动，围带变形及质量影响较小，不同围带的差别显示不出来 B0型的两条曲线上没有注 ，两条线的区域表示了B0型自振频率的变化范围，这不是由围带的质量不同所引起，是由于型振动时组内各个叶片振动相位不同，自振频率也略有差异产生。 II.对于结构尺寸已确定的叶片组，自振频率的升高有一定的规律，将交替出现A0，B0，A1，B1型,（3）拉筋连接的叶片组自振频率计算,a） 自振频率的计算 I.与分析围带一样，写出安装拉筋后叶片组的边界条件，然后求出值，再带入频率计算公式计算 u 顶端无约束，即弯矩，切力为0 u 根部固定 u 拉筋处叶片连接 I.引入拉筋对叶片组自振频率修正系数 可以通过试验或计算得出，一般整理成曲线,P279图5.6.18,自振频率修正系数说明,I.与振型有关。 振型不同， 值大小范围相差很大 A0型 11.25 A1型 57.2 II.与拉筋位置有关 拉筋相对高度 对A0型，尽管拉筋质量，刚度不同，但具有同样的变化趋势，且安装在离叶根（0.50.6）l高度处， 最大，安装位置升高或降低都将使叶片自振频率下降。,