汽輪機(jī)零件強(qiáng)度市公開課一等獎省賽課獲獎?wù)n件

第5章汽輪機(jī)零件強(qiáng)度汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第1頁第一節(jié)強(qiáng)度計(jì)算內(nèi)容與方法強(qiáng)度意義

工程材料強(qiáng)度是指抵抗外力產(chǎn)生某種應(yīng)力或應(yīng)變能力。汽輪機(jī)零件強(qiáng)度系指在外力作用下，零件內(nèi)部所產(chǎn)生某幾個(gè)應(yīng)力或應(yīng)變與組成零件材料所能抵抗這幾個(gè)應(yīng)力或應(yīng)變能力。強(qiáng)度分析計(jì)算要素外力、應(yīng)力或應(yīng)變、材料許用極限成為強(qiáng)度分析計(jì)算三要素。強(qiáng)度分析分類

靜強(qiáng)度、動強(qiáng)度。2汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第2頁汽輪機(jī)零件主要應(yīng)力應(yīng)變類型拉伸應(yīng)力：如動葉上離心拉伸應(yīng)力

彎曲應(yīng)力：動葉上汽流彎曲應(yīng)力，轉(zhuǎn)子、圍帶等彎曲應(yīng)力。

扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，長葉片扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

剪切應(yīng)力：葉根銷釘?shù)燃羟袘?yīng)力?；痉椒?/p>

利用力學(xué)基本理論與方法，分析特定環(huán)境下各零件受力特征，由受力截面幾何參數(shù)，計(jì)算出對應(yīng)應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)，然后依據(jù)工作條件選定材料機(jī)械性能參數(shù)，計(jì)算出最大受力工況、最大應(yīng)力水平所對應(yīng)屈服、蠕變和持久強(qiáng)度三個(gè)安全系數(shù)。3汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第3頁第二節(jié)動葉片靜強(qiáng)度計(jì)算一、結(jié)構(gòu)與受力

受力特征：

高溫、高轉(zhuǎn)速、高濕度、高汽流速度環(huán)境中，離心力汽流力使動葉片發(fā)生拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。

結(jié)構(gòu)特征：

葉頂（葉冠、圍帶和拉筋）、葉型和葉根三部分組成，葉型截面決定于空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)，葉根滿足動、靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。4汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第4頁圍帶作用（1）在熱力設(shè)計(jì)中起著減小葉頂漏汽作用；（2）在靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)中起著減小動葉彎曲應(yīng)力作用；（3）在動強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，起著調(diào)整葉片自振頻率、減小葉片振動幅度和消耗、吸收振動能量作用。5汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第5頁拉筋作用6汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第6頁葉根型式7汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第7頁二、離心應(yīng)力計(jì)算基本特征

對正裝直葉片，離心力作用中心經(jīng)過沿葉高各截面形心，離心力僅產(chǎn)生拉伸變形，即產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。對扭葉片或偏裝直葉片，因沿葉高各截面離心力作用中心偏離形心，不但產(chǎn)生拉伸變形，而且還會產(chǎn)生彎曲變形，即現(xiàn)有拉伸應(yīng)力，又有彎曲應(yīng)力。對長扭葉片，還會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。8汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第8頁直葉片離心應(yīng)力直葉片離心應(yīng)力影響原因等截面直葉片葉根處離心應(yīng)力：葉片截面積葉片材料9汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第9頁變截面扭葉片離心應(yīng)力形心是一條空間曲線，沿葉高各截面離心力作用中心不但偏離形心，而且方向與截面法線方向不一致。利用力學(xué)中力分解和平移原理，將離心力平移到形心，得到與截面垂直力和力偶矩。與截面法線方向一致力產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，力偶矩產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。葉片偏裝使離心力中心偏離截面形心，產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，抵消蒸汽力。10汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第10頁三、彎曲應(yīng)力計(jì)算基本特征

汽流力與截面法線方向垂直，所以對動葉片產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。計(jì)算彎曲應(yīng)力時(shí)，應(yīng)首先求出截面形心和經(jīng)過截面形心最大、最小主慣性軸，以及對最大、最小主慣性軸主慣性矩；然后，計(jì)算沿葉高輪周向、軸向汽流力線密度，其協(xié)力分解到最大、最小主慣性軸上，即得相對于最大、最小主慣性軸汽流力分量；將動葉片看成懸臂梁，最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在葉片根部，分別計(jì)算出離形心最遠(yuǎn)點(diǎn)處彎曲應(yīng)力，并作矢量合成，求得最大彎曲應(yīng)力。11汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第11頁12汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第12頁小結(jié)

動葉片汽流彎曲應(yīng)力，對壓力級，隨機(jī)組負(fù)荷增大而增大；對噴嘴調(diào)整調(diào)整級，最大工況發(fā)生于第一調(diào)門全開、第二調(diào)門即將開啟時(shí)，因?yàn)榇藭r(shí)調(diào)整級焓降最大、而部分進(jìn)汽度為最小。在葉片長度一定時(shí)，為減小動葉片汽流彎曲應(yīng)力，應(yīng)增大截面慣性矩、減小出口邊緣與形心距離。如調(diào)整級動葉片采取寬葉片。13汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第13頁四、圍帶拉筋反彎矩基本特征固定在動葉片頂部圍帶和葉片中間部分緊拉筋，當(dāng)葉片彎曲變形時(shí)，連接處彎曲變形轉(zhuǎn)角使圍帶和拉筋產(chǎn)生彎曲變形，隨之產(chǎn)生反抗這種變形反彎矩，阻止葉片彎曲變形。圍帶和拉筋存在，增強(qiáng)了動葉片抗彎剛度，進(jìn)而能夠減小葉片彎曲應(yīng)力。圍帶、拉筋與葉片連接剛度下降，則產(chǎn)生反彎矩減小。14汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第14頁第三節(jié)葉片振動與調(diào)頻一、振動基礎(chǔ)單自由度振動模型：m質(zhì)量，c阻尼，K彈簧剛度，F(xiàn)(t)周期性外力，y(t)基礎(chǔ)運(yùn)動15汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第15頁當(dāng)基礎(chǔ)固定，外力為簡諧函數(shù)此時(shí)物體位移：式中：16汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第16頁17汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第17頁18汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第18頁剛性控制區(qū)：強(qiáng)迫振動幅值靠近靜位移，慣性小阻尼控制區(qū)：強(qiáng)迫振動幅值取決于阻尼率慣性控制區(qū)：強(qiáng)迫振動幅值逐步減小到零，慣性大小結(jié)：（1）線性系統(tǒng)強(qiáng)迫振動頻率與激勵頻率相同（2）慣性質(zhì)量越大、剛度越小，自振頻率越低（3）振動位移滯后于激勵力（4）減小振動方法：減小激勵力幅值，避開共振區(qū)，或增大系統(tǒng)阻尼19汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第19頁二、葉片振動激勵源基本激勵力（1）周期性汽流激勵力（2）葉輪或轉(zhuǎn)子振動流場不均勻原因（1）噴嘴出口邊緣厚度（2）噴嘴部分進(jìn)汽（3）抽汽口、排汽口影響（4）隔板加強(qiáng)筋或肋影響（5）噴嘴出口汽流角及面積不一致（6）隔板中分面結(jié)合不良20汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第20頁激勵力頻率特征在動葉進(jìn)口流場不均勻時(shí)，對單個(gè)動葉而言，所受到不均勻汽流力每旋轉(zhuǎn)一周出現(xiàn)一次重復(fù)，其周期即是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間。分析激勵力頻率特征，只需用付氏級數(shù)展開，計(jì)算出相對于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為基頻各階諧波分量。所以，不均勻流場引發(fā)動葉片振動激勵力，不論流場不均勻分布多復(fù)雜，總可將之分解為轉(zhuǎn)速整數(shù)倍各階諧波分量來研究和計(jì)算。21汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第21頁三、葉片振動基本型式彎曲振動（1）切向振動：繞將繞截面最小主慣性軸振動（2）軸向振動：繞將繞截面最大主慣性軸振動扭轉(zhuǎn)振動（長扭葉片）振型分類:A型振動：葉頂自由、并參加振動B型振動：葉頂固定或葉頂基本不動因?yàn)槿~片是連續(xù)質(zhì)量分布彈性體，存在著無限多個(gè)自振頻率，在葉片上分布著與自振頻率階數(shù)對應(yīng)節(jié)點(diǎn)或節(jié)線（振動位移為零點(diǎn)或線）。依據(jù)節(jié)點(diǎn)或節(jié)線多少，又將這兩種振型分為幾階振型。22汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第22頁四、葉片振動自振頻率力學(xué)模型：葉片是含有連續(xù)質(zhì)量分布彈性體，應(yīng)由連續(xù)介質(zhì)力學(xué)研究振動自振頻率。在簡化分析中，將葉片簡化為懸臂梁，在旋轉(zhuǎn)力場中，離心力可簡化為一軸向力。建立微元體力、力矩平衡方程，并由彎矩、轉(zhuǎn)角關(guān)系代入力、力矩平衡方程，便可求得葉片振動動力學(xué)方程：23汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第23頁葉片A型振動自振角頻率：葉片A0型振動自振頻率：24汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第24頁五、葉片自振頻率影響原因（1）溫度：溫度升高，自振頻率降低（2）根部牢靠性：安裝不牢靠，自振頻率降低（3）離心力：離心力使自振頻率增大動頻率：葉片在旋轉(zhuǎn)力場中自振頻率稱為動頻率靜頻率：葉片在靜力場中自振頻率稱為靜頻率動頻系數(shù)：用于修正靜頻率（4）圍帶、拉筋影響：圍帶和拉筋產(chǎn)生反彎矩阻止葉片彎曲，增大葉片抗彎剛度，使葉片自振頻率升高；但圍帶和拉筋慣性質(zhì)量又使葉片自振頻率降低。25汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第25頁葉片振動主振型工程上依據(jù)激勵力諧波特征和葉片自振頻率分布，將實(shí)際中對葉片運(yùn)行安全影響較大振型稱之為主振型。主振型有三個(gè)，即切向A0型振動動頻率與低頻激振kn；切向B0型振動動頻率與高頻激振znn；切向A0型振動動頻率與高頻激振znn。葉片動強(qiáng)度汽輪機(jī)動葉片不但受到穩(wěn)定離心拉伸應(yīng)力、汽流及離心彎曲應(yīng)力作用，還受到振動引發(fā)交變動應(yīng)力作用。交變動應(yīng)力盡管平均值為零，但會引發(fā)材料疲勞損傷，經(jīng)若干次循環(huán)會出現(xiàn)疲勞失效。在動、靜應(yīng)力聯(lián)合作用下強(qiáng)度稱為動強(qiáng)度。用耐振強(qiáng)度來評價(jià)。26汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第26頁葉片調(diào)頻與動強(qiáng)度安全倍率葉片調(diào)頻經(jīng)過改變?nèi)~片自振頻率、或改變激勵頻率分布，使葉片偏離共振狀態(tài)運(yùn)行，這種方法或辦法稱之為葉片調(diào)頻。調(diào)頻葉片與非調(diào)頻葉片調(diào)頻葉片對于單葉片，對某幾個(gè)主振型必須經(jīng)過調(diào)頻避開某類激勵力頻率，才能使葉片動應(yīng)力小于許用耐振強(qiáng)度，確保葉片運(yùn)行安全，稱這么葉片為調(diào)頻葉片。非調(diào)頻葉片某個(gè)主振型頻率即使與激勵力頻率相等，不作任何調(diào)頻辦法也能確保葉片運(yùn)行安全，稱這么葉片為非調(diào)頻葉片。動應(yīng)力系數(shù)動應(yīng)力計(jì)算實(shí)際中是很困難，工程上用動應(yīng)力系數(shù)與靜彎曲應(yīng)力作比照。動應(yīng)力系數(shù)與葉片結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)阻尼、激勵力圓周分布等相關(guān)。動強(qiáng)度安全倍率27汽輪機(jī)零件強(qiáng)度第27頁調(diào)頻葉片安全準(zhǔn)則當(dāng)單葉片某個(gè)主振型不能確保運(yùn)行安全時(shí)，必須將此主振型頻率調(diào)離激勵力頻率一定范圍。調(diào)頻葉片動強(qiáng)度準(zhǔn)則，不但要求動頻率有一定避開率，而且動強(qiáng)度安全倍率應(yīng)大于許用值。葉片調(diào)頻指導(dǎo)思想葉片調(diào)頻設(shè)計(jì)總目標(biāo)，是在機(jī)組主要運(yùn)行范圍內(nèi)，葉片自振頻率偏離激勵力頻率一定范圍，確保葉片運(yùn)行安全。為此，必須考慮機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速偏離額定值和同級葉片中自振頻率存在分散性兩種實(shí)際情況。同級葉片自振頻率分散度最大與最小自振頻率差與平均值比百分率。普通要求最大分散度小于8%。偏頻機(jī)組運(yùn)行中，轉(zhuǎn)速必定會偏離額定值，將機(jī)組轉(zhuǎn)速偏離額定值運(yùn)行工況稱為偏頻工況。通常定義為49～50.5Hz