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1、第三章 轉(zhuǎn)子、葉輪結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度計(jì)算 轉(zhuǎn)子n軸、葉輪、動(dòng)葉片和聯(lián)軸器等n匯集各級(jí)動(dòng)葉柵上得到的機(jī)械能并傳給發(fā)電機(jī)(或其它機(jī)械)。n處在高溫中;n高速旋轉(zhuǎn);n 承受葉片、葉輪、主軸的離心力;n蒸汽作用的軸向推力;n溫度分布不均勻的熱應(yīng)力;n巨大的扭轉(zhuǎn)力矩;n軸系振動(dòng)。 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu) (2 2) 二、轉(zhuǎn)子二、轉(zhuǎn)子鼓式轉(zhuǎn)子,輪式轉(zhuǎn)子;鼓式轉(zhuǎn)子,輪式轉(zhuǎn)子;輪式轉(zhuǎn)子:整鍛,套裝,組合,焊接轉(zhuǎn)子輪式轉(zhuǎn)子:整鍛,套裝,組合,焊接轉(zhuǎn)子 n整鍛轉(zhuǎn)子的優(yōu)缺點(diǎn):n優(yōu)點(diǎn):n整體鍛造,沒(méi)有熱套部件,消除松動(dòng)問(wèn)題,啟動(dòng)和變工況適應(yīng)性好,適于在高溫下工作;n強(qiáng)度和剛度好于套裝轉(zhuǎn)子;n結(jié)構(gòu)接湊,軸向尺寸短;n機(jī)械加工和裝
2、配量少;n缺點(diǎn):n鍛件尺寸大工藝要求高,加工周期長(zhǎng),質(zhì)量不易保證;n貴重材料消耗大,不利于材料合理利用。 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu) (2 2) 二、套裝轉(zhuǎn)子二、套裝轉(zhuǎn)子 n套裝轉(zhuǎn)子:n優(yōu)點(diǎn):n鍛件尺寸小,加工方便,質(zhì)量容易控制;n不同部件采用不同材料,合理利用;n缺點(diǎn):n高溫下由于金屬蠕變,過(guò)盈消失,葉輪和軸之間松動(dòng);n快速啟動(dòng)適應(yīng)性差。n整鍛轉(zhuǎn)子用于高溫區(qū);高壓轉(zhuǎn)子;n125MW, 200MW,300MW的高壓轉(zhuǎn)子;n300MW,600MW的高,中,低壓轉(zhuǎn)子。n套裝轉(zhuǎn)子適宜中壓汽輪機(jī)或高壓汽輪機(jī)的低壓部分。n200MW的低壓轉(zhuǎn)子。n焊接轉(zhuǎn)子:n若干個(gè)葉輪和兩個(gè)端軸拼焊而成。如圖6-29.n無(wú)中心
3、孔,可以承受很大的離心力,強(qiáng)度好;n結(jié)構(gòu)緊湊,剛度大;n鍛件尺寸??;n要求焊接工藝高,材料的焊接性能好。 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu) (2 2) 組合轉(zhuǎn)子:組合轉(zhuǎn)子: 國(guó)產(chǎn)國(guó)產(chǎn)200MW200MW的中壓轉(zhuǎn)子的中壓轉(zhuǎn)子 第一節(jié) 轉(zhuǎn)子和葉輪結(jié)構(gòu)n一、轉(zhuǎn)子形式n汽輪機(jī)主要采用整鍛轉(zhuǎn)子,焊接轉(zhuǎn)子,套裝轉(zhuǎn)子以及組合轉(zhuǎn)子。n燃?xì)廨啓C(jī)主要采用整鍛轉(zhuǎn)子,焊接轉(zhuǎn)子,拉桿轉(zhuǎn)子。n二、葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)n1、葉輪的工作條件和受力情況:葉輪離心力,葉片離心力,接觸應(yīng)力(套裝轉(zhuǎn)子),熱應(yīng)力,振動(dòng)應(yīng)力。n2、套裝葉輪的聯(lián)結(jié)方式:n 簡(jiǎn)單過(guò)盈配合-扭矩借摩擦力和鍵傳遞n 重載過(guò)盈配合-依靠中間環(huán),徑向鍵,扭矩借摩擦力和鍵傳遞第一節(jié) 轉(zhuǎn)
4、子和葉輪結(jié)構(gòu)n n3、葉輪型線設(shè)計(jì)n 按給定應(yīng)力曲線設(shè)計(jì)葉輪型線n 先選擇型線,計(jì)算應(yīng)力,再修改型線n4、型線組成:輪緣,輪面,輪轂(套裝轉(zhuǎn)子)n 輪緣一般等厚度n 輪轂一般等厚度n 輪面型線:等厚度,錐形,雙曲線,等強(qiáng)度。n5、設(shè)計(jì)步驟:由葉根聯(lián)結(jié)部的型式選擇適當(dāng)?shù)妮喚壭螤詈统叽?,進(jìn)行輪緣強(qiáng)度計(jì)算,并確定輪緣上的外載荷;選擇輪面型線和輪轂尺寸。n接近空心鼓式轉(zhuǎn)子:壁厚壁直徑 小得多。n力學(xué)分析:圓環(huán)繞軸心旋轉(zhuǎn),離心力引起圓環(huán)變形,在圓環(huán)徑向縱截面中產(chǎn)生應(yīng)力,應(yīng)力均勻分布。 第二節(jié) 旋轉(zhuǎn)薄圓環(huán)應(yīng)力計(jì)算2/ddTdTdCdRdbR dmRdC22離心力:bdT 切向力dTdddTdC2sin2d
5、bRdbR2bR第二節(jié) 旋轉(zhuǎn)薄圓環(huán)應(yīng)力計(jì)算n結(jié)論:n旋轉(zhuǎn)圓環(huán)的切向應(yīng)力(徑向縱截面拉應(yīng)力)與材料 密度,圓環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑,轉(zhuǎn)速的平方成正比。n如果考慮葉片的離心力,切向應(yīng)力還要大。n缺點(diǎn):不適用于高轉(zhuǎn)速,大直徑轉(zhuǎn)子;n優(yōu)點(diǎn):重量輕,抗彎剛度大。R2第三節(jié) 葉輪應(yīng)力狀態(tài)和基本計(jì)算公式n以圓盤(pán)葉輪代替圓環(huán)組成轉(zhuǎn)子。n圓盤(pán)任意半徑上存在徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力。n葉輪上應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)稱于軸線。n應(yīng)力沿軸向(厚度方向)均勻分布。n軸向應(yīng)力可以忽略不計(jì)。屬于軸對(duì)稱平面應(yīng)力問(wèn)題。01)1()11(22222RERdRdyRydRdRdRdyydRd(3-10) 011222ARRdRdRdRdEA221(3-11)
6、8)3()1 ()1(122212ARRCCEr 8)31 ()1 ()1(122212ARRCCE(3-14)(3-15)空心等厚度葉輪: (3-16)(3-17)ririraraRRRR,2,1、邊界條件:計(jì)算公式:riaiairaiiaaiaiarRRRRRRRRRRRRRRRR) 1()1 ()(8)3(22222222222222222riaiairaiiaaiaiaRRRRRRRRRRRRRRRR) 1()1 ()331(8)3(22222222222222222已知內(nèi)孔和外緣處的徑向應(yīng)力實(shí)心等厚度葉輪: (3-18)(3-19)邊界條件:計(jì)算公式:raaRR)331(832220
7、2,1irarRRRa、raarRR)(83222等厚度葉輪應(yīng)力分析n1、等厚度葉輪應(yīng)力與葉輪厚度無(wú)關(guān);n2、葉輪切向應(yīng)力比徑向應(yīng)力大;n3、最大應(yīng)力發(fā)生在葉輪中心(實(shí)心葉輪)或內(nèi)孔處(空心葉輪);n4、實(shí)心葉輪在中心孔處的切向應(yīng)力與徑向應(yīng)力相同。 實(shí)心葉輪應(yīng)力曲線空心葉輪應(yīng)力曲線切向應(yīng)力-紅色徑向應(yīng)力-蘭色半徑應(yīng)力 (3-16),(3-17)的轉(zhuǎn)化 從已知內(nèi)孔、外緣的徑向應(yīng)力變?yōu)橐阎獌?nèi)孔(外緣)的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力riaiairaiiaaiaiarRRRRRRRRRRRRRRRR) 1()1 ()(8)3(22222222222222222riaiairaiiaaiaiaRRRRRRRRRR
8、RRRRRR) 1()1 ()331(8)3(22222222222222222)3()1 ()1 (282121422222mmRmmirir)31 ()1 ()1 (282121422222mmRmmiriRRmi212mr212mr222269.28dnR62210dnT )3()1 ()1 (269. 242mmc)31 ()1 ()1 (269. 242mmcTcirirr.Tcirir.1RRmiTcararr.Tcarar.1RRma變厚度葉輪應(yīng)力計(jì)算實(shí)際葉輪應(yīng)力計(jì)算的關(guān)鍵問(wèn)題相鄰兩段交界處應(yīng)力計(jì)算 )(.1.jrijrjj1.1.jjjrjryyn第一次計(jì)算 :riIri葉輪以
9、工作轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn) Ii .設(shè)為任意值邊界條件:計(jì)算過(guò)程:TcIiIrirIr.1TcIiIrirI.11RRmi1、根據(jù)第一段等厚度葉輪內(nèi)徑處應(yīng)力計(jì)算外徑處應(yīng)力兩次計(jì)算法兩次計(jì)算法: 2、根據(jù)第一段等厚度葉輪外徑處應(yīng)力計(jì)算第二段內(nèi)徑處應(yīng)力)(1212IrIrII2112yyIrIr3、根據(jù)第二段等厚度葉輪內(nèi)徑處應(yīng)力計(jì)算外徑處應(yīng)力4、根據(jù)第二段等厚度葉輪外徑處應(yīng)力計(jì)算第三段內(nèi)徑處應(yīng)力直至計(jì)算到葉輪外徑處應(yīng)力IaIra,由于外徑處的徑向應(yīng)力已知,如果第一次計(jì)算出的外徑徑向應(yīng)力等于已知的值,則假設(shè)的內(nèi)徑處切向應(yīng)力為正確值;如果第一次計(jì)算出的外徑徑向應(yīng)力不等于已知的值,則需要進(jìn)行第二次計(jì)算。n第一次計(jì)算
10、使用了正確的內(nèi)孔處徑相應(yīng)力和轉(zhuǎn)速和假設(shè)的內(nèi)孔處切相應(yīng)力,第二次計(jì)算僅為考察內(nèi)孔處切相應(yīng)力對(duì)計(jì)算造成的影響。第二次計(jì)算第二次計(jì)算 :n由于通過(guò)葉輪內(nèi)孔和外徑處的徑向應(yīng)力就可以計(jì)算出由于通過(guò)葉輪內(nèi)孔和外徑處的徑向應(yīng)力就可以計(jì)算出葉輪各個(gè)半徑處的應(yīng)力,而二次計(jì)算中內(nèi)孔的徑向應(yīng)葉輪各個(gè)半徑處的應(yīng)力,而二次計(jì)算中內(nèi)孔的徑向應(yīng)力為準(zhǔn)確值,因此兩次計(jì)算中的誤差是由外徑處的徑力為準(zhǔn)確值,因此兩次計(jì)算中的誤差是由外徑處的徑向應(yīng)力誤差引起的。向應(yīng)力誤差引起的。0IIri葉輪轉(zhuǎn)速n=0 Ii .設(shè)為任意值邊界條件:計(jì)算過(guò)程與第一次計(jì)算相同,直至計(jì)算到葉輪外徑處應(yīng)力應(yīng)力疊加 :IIaIIra,真實(shí)應(yīng)力計(jì)算真實(shí)應(yīng)力計(jì)算
11、 :IIraIrarakIIrIrrkIIIk修正系數(shù)任意半徑處真實(shí)應(yīng)力值IIIIraIraraIn已知:密度 7820kg/m3 泊松比 0.3 轉(zhuǎn)速 3000 r/minn 外徑 417.25mm,徑向應(yīng)力 24.81Mpan內(nèi)徑 50mm, 徑向應(yīng)力 0n厚度 140mm( 50-280mm)n40 mm ( 280-417.25mm)n求:半徑 0.05 , 0.15 , 0.28 , 0.35 , 0.41725m上的應(yīng)力實(shí)際變厚度葉輪計(jì)算1、在葉輪上將要計(jì)算的半徑劃為不同厚度段的交界處;2、使用二次計(jì)算法計(jì)算。對(duì)于實(shí)心葉輪,第一次計(jì)算與第二次計(jì)算的假設(shè)條件只差轉(zhuǎn)速。由內(nèi)向外計(jì)算較好。計(jì)算:變厚度葉輪應(yīng)力n轉(zhuǎn)速:5600轉(zhuǎn)/分;密度8000kg/m3;n外緣應(yīng)力:50 MN/m2;內(nèi)孔應(yīng)力 :10 MN/m2n求半徑 80,120,160mm處應(yīng)力。寬y:30; R:160寬:60;R:80)3()1 ()1 (282121422222mmRmmirir)31 ()1 ()1 (282121422222mmRmmiriRRmi)(.1.jrijrjj1.1.jjjrjryyIIraIrarakIIrIrrkIIIk泊松比 0.3葉輪平衡孔處應(yīng)力計(jì)算平衡孔中心的半徑為RL,按無(wú)中心孔計(jì)算相應(yīng)應(yīng)力。rllrll 3maxlrllrl 3max寬y:30; R:160寬:
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