华北电力大学汽轮机原理课件第五章

汽轮机零件的强度校核•第一节汽轮机零件校核概述•第二节汽轮机叶片经强度计算•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汽轮机零件强度校核概述•汽轮机的转动部分称为转子，静止的部分称为静子。静子零件主要有汽缸，汽缸法兰，法兰螺栓和隔板。•热应力：由于零件各部分湿度不同而引起各部分的胀差的交变应力。为限制热应力的幅度需进行盘车，控制升降负荷速度，用法兰装置。•稳定工况下不随时间变化的应力称为静应力。周期性激振力引起的振动称为动应力。•零件振动特性•高温蠕变概念•气度应力概念•热疲劳概念•选择合理的许用应力汽轮机叶片静强度计算•汽轮机叶片由叶顶，叶型和叶根组成，叶片是在高温，高转速和高速气流绕流或湿蒸汽区的条件下工作的，作用在叶片上的力主要由两类：1.与叶型自身质量，围带和拉筋质量有关的离心力，属于离心应力，2.高速气流通过叶型通道时产生的蒸汽作用力，以及围带弯曲变形势对叶片的作用力，属于弯曲应力。•等截面叶片的离心力的计算，等截面叶片根部截面的离心应力最大，因为根部截面承受整个叶型部分的离心力，我们可以得到下列启示：1.等截面叶片的离心力与其截面面积大小无关，即不能用增加截面面积的方法来降低离心力2.等截面叶片的材料和尺寸一定时，只有采用变截面叶片才能降低离心力3.采用低密度，高强度的材料•变截面叶片的离心应力计算，采用变截面为了降低叶型上的离心应力，设计成变截面叶片，减小了撞击损失，扇形损失，增加温度。–气流参数沿叶高变化–各截面面积和几何特性沿叶高变换–各截面重心连线不是直线而是空间曲线–无法直接判断危险截面位置。•围带或拉筋对叶片的作用1.减小叶片顶部漏气损失2.副作用，当叶片受汽流冲击，围带弯曲变形。产生反弯距，减小气流力作用的弯距离心力3.增加叶片刚度，改善振动特性，刚度增加，振动频率增加•等截面叶片，蒸汽的均部载荷在叶型根部截面的弯距为M0，则围带实际反弯距是M0的三分之一。•汽轮机叶轮静强度概念–转子部分，高中压转子，低压转子–转子的分类，可分为：套装转子，整缎转子，焊接转子，组合转子（1.2.3）–叶轮受力：1.离心力，叶片，围带，拉筋产生拉应力2.径向温度不均，产生热应力3.套装转子压缩应力4.叶轮前后静压差产生的力5.传递力引起的切向应力汽轮机叶片的动强度•当叶片的自振频率等于脉冲激振力频率或为其整数倍时，叶片发生共振，振幅最大，并产生很大的交变动应力。•叶片的激振力是由级中气流流场不均所致的，造成流场不均的原因分两类：–叶栅尾迹扰动，及汽流绕流叶栅时，附面层的存在，叶栅表面气流速度为零，附面层以外气流速度为主流速度，当气流流出叶栅时在出口边形成尾迹，所以在动静叶栅间隙中汽流的速度和压力沿圆周向分布是不均匀的，–结构扰动，如部分进汽，抽汽口，进排汽管以及叶栅节距有偏差等原因引起汽流流场不均匀，都将对叶片产生周期性的激振力，因而使叶片发生振动。•以频率高低来分，激振力可分为高频激振力和低频激振力，低频激振力产生的原因，对称激振力和非对称激振力，高频激振力产生的原因。•叶片与叶片组的振型，在激振力作用下，其振动类型可分为两类，一是弯曲振动，包括切向和轴向弯曲振动，另一类是扭转振动。•叶片自振频率只与叶片的结构尺寸和材料性能有关，而与激振力大小无关，即与振型曲线的挠度大小无关。•考虑离心力影响后的叶片振动频率，称为叶片的动频率，动频率的计算公式：其中：f是叶片静频率，n是转子的转速，fd是叶片的动频系数，由此可见，叶片的动频率大于静频率。22nBffbd•叶片频率的测定分为动频率和静频率测定两类。叶片静频率的测定是指在汽轮机转子静止状态下测定叶片的自振频率值，常用自振法和共振法两种测定方法。自振法只能测定A0型振动的频率，常用来测量长叶片的频率，对短叶片因频率较高，振幅小且消失快难以用自振法测定。•运行实践证明，叶片最危险的共振有三种：1.切向A0型振动的动频率与低频激振力频率k*n合拍时的共振，称为第一种共振2.切向B0型振动的动频率与高频激振力Zn*n频率相等时的共振，称为第二种共振3.切向A0型振动的动频率与Zn*n相等时的共振，称为第三种共振•对有些叶片允许某个主振型频率与某类激振力频率合拍而处于共振状态下长期运行，不会导致叶片疲劳破坏，这个叶片对这主振型，称为不调频叶片；对有些叶片要求某个主振型频率避开某类激振力频率才能安全运行，这个叶片对这一主振，称为调频叶片。对一具体叶片来说，它具有各种振型，对某一振型为不调频叶片，对另一主振型可能就是调频叶片。•安全倍率的概念（P284)•频率分散度：–式中f指级中测得的叶片A0型振动的最大与最小静频率，频率分散度大于8%，表示叶片装配质量不合格，应消除缺陷使其不小于8%，才算装配合格，然后才能校核振动安全性。•叶片的调频，所谓调频，就是改变叶片的自振频率与激振力频率，使两者不想等，并避开一定的范围，不能产生共振。，只有频率分散度不合格的级，才能进行调频。调频的方法：2/)(minmaxmaxminfffff1.重新安装叶片，改善安装质量2.增加叶片与围带或拉筋的连接牢固度3.加大拉筋直径或改用空心拉筋4.增加拉筋数目5.改变成组叶片数目6.增设拉筋或围带7.叶顶钻孔8.采用长弧围带•叶轮振动–叶轮与叶片组成的弹性系统，称为轮系。不转动叶轮的振型可归纳为：•无节径和节圆的振动•有节径的振动–节径两侧振动方向相反，相位差180度–两节径中间处振幅最大–叶轮圆周方向出现凹凸交接的扇形区–圆周呈现水平方向波浪形，节径数目越多，自振频率越高•有节圆的振动•有节径和节圆的振动上述有节径的振动统称为扇型振动，而又节圆的振动称为伞型振动，振动频率最低的是无节径和节圆的振动，其次是只有一条节径的振动，汽轮机实践表明扇型振动是最危险的振动。汽轮发电机组的振动•汽轮机转子的临界转速的概念–汽轮机转子的转速升高到一定值时，转子会发生强烈振动，轴承座的振幅明显增加，转速高于这值后，振幅又减小，转速继续升高至另一值时，振幅又增加，在工程中，把出现振幅峰值的转速称为转子临界转速。•以汽轮机的工作转速高于还是低于第一临界转速分类，把转子分为挠性转子和刚性转子两大类，高于第一临界转速的转子称为挠性转子，低于第一临界转速的转子称为刚性转子。•转子的运动可看成是两种运动合成：一是轮盘绕其几何中心作等速转动；另一是转子几何中心绕其轴承中心线坐等速圆周运动，两者的角速度相等。•转子在转动过程中，转子质心始终位于几何中心的外侧，转子弯曲变形方向始终不变，犹如把转子弯曲成固定的弓形绕轴承中心线作等速转动，这种运动称为涡动，转子在不同位置时，应力方向不改变，无疲劳问题。•临界角速度：当轴以此角速度绕轴承中心线旋转时，挠曲产生的弹性恢复力将与惯性力和力矩相平衡，此时的角速度称为临界角速度，对应的转速称为临界转速。•转子转动过程中，随着转速的提高，转子的振幅逐渐减小，即振幅等于偏心距，但方向相反，意味着偏心离心力方向绕几何中心点转过180度，与弹性恢复力方向一致，并把转子质心拉向轴承连线的中点，于是质心点和轴承中心点重合，这种现象称为自动定心。•转子的横向转速与该临界转速相等，说明：–转子在临界转速条件下的运动与受力情况和转子在横向振动时不一致。–临界转速运动为转子绕轴线涡动，在旋转过程中应力的方向不改变，无疲劳问题，转子在作横向振动时，转子上各点在振动一次的过程中，应力方向在改变，存在疲劳问题。–临界转速或转子横向振动都是共振现象，在本质上是一样的，轴系的自振频率等于激振力频率或整数被，只是表现形式不同。•汽轮发电机组的轴系扭振原因是轴承中心，转子轴心，旋转中心三者不再同一直线上。•油膜振荡：动膜作用能引起油膜自激振动，先由小扰动把轴心压下，使轴承下部油膜变薄，油量变化，使轴颈中心供轴瓦甩动，轴下面的油膜厚度变化，当油涡动角速度与临界速度合拍出现油膜共振，即油膜振荡或油击。•汽轮机启动或停机过程中，对其零件而言，是加热和冷却的过程，这些零件由于温度变化而产生的膨胀或收缩变形称为热变形；又温度变化引起的应力称为温度应力，又称热应力。