华电保定汽轮机原理ppt5

§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一、零件强度校核的目的、分析计算的要素与分类目的：对汽轮机零件进行静，动强度校核，确定汽轮机安全运行的工况范围及应该控制的极限值，为保证在所有工况下机组能安全可靠运行提供理论依据。汽轮机本体零件分为转子（主要有叶片、叶轮、主轴、围带、拉金、联轴器、和紧固件）和静子(汽缸、隔板套、隔板、喷嘴、汽封、滑销系统以及一些紧固零件)两部分。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，即静态或准静态力或应力。如动叶上的离心应力和汽流弯曲应力，转子和汽缸的热应力等。强度分析计算的要素：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。外力、应力或应变和材料的许用极限成为强度分析、计算的三要素。§5.1汽轮机零件强度校核概述动强度----外力和应力或应变的大小及方向随时间而变，特别是惯性质量对部件运动的影响。如动叶和转子的振动等。二、汽轮机零件的主要应力应变类型拉伸应力---如动叶上的离心拉伸应力。弯曲应力---动叶上的汽流弯曲应力，转子、围带等弯曲应力。扭转应力---转子扭转应力，长叶片扭转应力。剪切应力---叶根销钉等的剪切应力。基本方法---利用力学基本理论，分析特定环境下各零件的受力特征，由受力截面的几何参数，计算出对应的应力或应变状态，然后根据工作条件选定材料的机械性能参数，计算出最大受力工况、最大应力水平所对应的屈服、蠕变和持久强度的三个安全系数。屈服强度---金属材料在受力较大时，可能产生塑性变形，称为屈服现象。试件受拉力时的应力值，称为材料的屈服强度蠕变是指金属材料在应力和高温的双重作用下产生的缓慢而连续的塑性变形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。持久强度是材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力。§5.1汽轮机零件强度校核概述§5.1汽轮机零件强度校核概述(作业)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？§5.6汽轮机叶片的动强度一、叶片动强度概念叶片的自振频率：叶片是一个弹性体，若外力迫使其离开原平衡位置，一旦外力除去，则叶片在平衡位置两侧作往复自由震动，其振动频率为叶片的自振频率，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。周期性的激振力导致叶片振动，所以叶片是在振动状态下工作的，当叶片的自振频率等于脉冲激振力频率或其整数倍时，叶片发生共振，振幅很大，产生很大的交变动应力。运行试验表明，在汽轮机事故中，叶片损坏占相当大的比重，其中又以叶片振动损坏为主。据国外统计，叶片事故约占汽轮机事故25%以上；据国内1977年对1156台汽轮机统计，发生叶片损坏或断裂事故者约占31.7%。二、激振力产生的原因及其频率计算叶片的激振力由级中汽流流场不均匀所致的。而造成流场不均匀的原因：一是叶栅尾迹扰动，即汽流绕流叶栅时，由于附面层的存在，叶栅流速度近于零，附面层以外汽流速度为主流区速度，当汽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；另一是结构扰动，如部分进汽、抽汽口、进排汽管以及叶栅节距有一偏差等原因引起流场不均匀，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，激振力分为低频激振力和高频激振力两大类。当叶片自振频率与激振力频率相等时，无论激振力是脉冲形式还是简谐形式，都会使叶片发生共—振。§5.6汽轮机叶片的动强度对称激振力--引起汽流的扰动的因素在圆周向是对称分布的，则低频激振力频率为：1.低频激振力a.低频激振力产生的原因个别喷嘴损坏或加工尺寸偏差，使出口边缘厚度不均匀，造成出口流场不均匀；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；隔板加强筋或肋造成喷嘴出口流场分布不均匀；喷嘴部分进汽，叶片间断性受力。b.低频激振力频率计算非对称激振力--引起汽流的扰动的因素在圆周向是非对称分布的，则低频激振力频率为：exfkn4exfn§5.6汽轮机叶片的动强度2.高频激振力高频激振力是由喷嘴尾迹引起的，它使喷嘴出口流速沿圆周向分布不均。全周进汽的级部分进汽的级exnfznexnfzn，是级的喷嘴数，=40～90，称为当量喷嘴数nznz'nnzze三、叶片与叶片组的振型叶片的振动类型分为分为两大类：一类是弯曲振动，包括切向和轴向弯曲振动；另一类是扭转振动。1.单个叶片的振型①单个叶片弯曲振动§5.6汽轮机叶片的动强度a)切向振动叶片沿最大主惯性轴(绕最小主惯性轴方向,即与轴向成某一角度)的振动称为切向振动。若叶片在激振力作用下振动，其顶端也振动，统称为A型振动。若叶片在激振力作用下其叶身振动，顶端不振动，统称为B型振动。根据出现节点的多少，依次称为：型振动。其中A0型最危险，B0型次之。012012BBBAAA、、、、、§5.6汽轮机叶片的动强度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。§5.6汽轮机叶片的动强度叶片扭转振动是指叶片在激振力作用下，其截面绕径向线(又称节线)所作的往复扭转运动，这种振动通常在长叶级中出现。在扭转振动中，可能出现一条或多条节线，根据出现②单个叶片扭转振动******12.叶片组的振型§5.6汽轮机叶片的动强度用围带或拉筋连接成组的叶片组振动，也可以分为弯曲振动和扭转振动两种类型。①叶片组弯曲振动叶片组的弯曲振动同样分切向振动和轴向振动两类：a)切向振动与单个叶片的相同，根据叶片顶部是否振动也分为A型B型两种。同样，123TTT、、型振动。节线的多少可将其分别称为§5.6汽轮机叶片的动强度对于B型振动，没有节点的B0型振动最危险。若叶片组中心线两侧等距离的叶片振动相位双双相反，称为B01型振动；若叶片组中心线两侧等距离的叶片振动相位双双相同，称为B02型振动。b)轴向振动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。012012BBBAAA、、、、、型振动。其中A0型最危险。根据出现节点的多少，依次称②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。四、叶片自振频率叶片是连续质量分布的弹性体,有无穷多个自振频率。自振频率的大小，与叶片的截面形状I、材料机械特性E、密度等有关。要改变自频率，应着重于改变叶片的抗弯刚度和材料的线密度。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频率。§5.6汽轮机叶片的动强度整圈自锁阻尼长叶片动静频率关系----离心力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。§5.6汽轮机叶片的动强度围带、拉筋的影响围带和拉筋产生的反弯矩阻止叶片弯曲，增大叶片抗弯刚度，将使叶片的自振频率升高。但围带和拉筋的惯性质量又使叶片的自振频率降低。机理分析:围带和拉筋对叶片自振频率的影响，是刚度增大为主还是惯性增大为主?主要取决于围带和拉筋处的位移和转角。位移大，产生的加速度大,则惯性影响较大；转角大,反弯矩大，则刚性影响较大。因此，围带和拉筋对叶片自振频率的影响，对不同振型其影响的程度是不同的。由于惯性力正比于自振频率的平方，附着振动阶次升高，惯性的影响将增强，故对高阶振型围带使自振频率降低,所控制范围扩大。用围带或拉筋的质量与单叶片质量比，22dbffBn以及叶片组反弯矩系数来描述叶片组自振频率与单叶片自振频率的关系。拉筋不同高度对叶片自振频率的影响叶片不同高度处，位移和转角是不同的，因此拉筋位置不同，对叶片自振频率的影响是不同的。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，但转角增大强于位移，即拉筋的刚性增大的贡献大于惯性，自振频率上升；拉筋位置继续上移时，位移增大逐渐强于转角增大，惯性增大的贡献逐渐强于刚性，在拉筋上移到62.5％后，惯性增大占主居地位，自振频率由最高值开始下降。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。但如果拉筋的牢固性系数不大时，也有可能小于单叶片。对于A1型振动，由于存在节线，该处的位移为零，如果拉筋的刚度不是很大，拉筋移到该处时，惯性的贡献为零，刚性的贡献接近于零，故自振频率与单叶片基本相同。§5.6汽轮机叶片的动强度五、叶片频率的测定叶片频率的测定分动频率和静频率测定两类。1.叶片静频率测定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。§5.6汽轮机叶片的动强度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。①自振法其测频的原理如图所示。用橡皮小锤轻击叶片，使被测叶片发生自由振动，用拾振器将叶片振动的机械量转换为与叶片振动频率相等的电信号，送至示波器y轴，或将电信号放大后输入y轴，同时将音频信号发生器输出的信号输至示波器x轴，两个输入信号在示波器内合成。x轴与y轴输入电信号的相位差和频率比不同时，在荧光屏上显示不同的图形。当x轴频率与y轴频率之比为整数倍时，在荧光屏上显示李沙茹图，由音频信号发生器的频率值及李沙茹图得知频率比。实测时应调节音频信号发生器的频率，使荧光屏上出现稳定的椭圆或圆，这时，音频信号发生器的频率就是被测叶片的自振频率。§5.6汽轮机叶片的动强度②共振法其测量原理如图所示。由音频信号发生器产生的频率信号分别送至示波器、数字频率计及功率放大器，音频信号经功率放大后送至激振器，在激振器内，音频信号转化为拉杆的机械振动。因拉杆与被测叶片固定在一起，所以被测叶片随之发生强迫振动。当音频信号发生器输出的电信号频率与叶片某阶自振频率相等时，叶片发生共振，被测叶片振幅达最大值。拾振器将叶片振动的机械量信号转化为电信号，送至示波器y轴，根据李沙茹图和数字频率计读数，便可确定叶片的自振频率。§5.6汽轮机叶片的动强度2.叶片动频率的测定普通采用无线电遥测方法测定动频率，其测量系统框图如图所示，系统由接收和发送两部分组成。发送部分通过贴在叶片上的应变片或晶体片感受叶片振动信号，此信号经过音频放大后输至射频压控振荡器进行频率调制，并以调频波向空间发射。§5.6汽轮机叶片的动强度六、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。新准则：我国1980年完成的汽轮机叶片振动强度安全准则。§5.6汽轮机叶片的动强度接收部分利用装在发射机附近的在汽缸内部的天线接收信号，此信号经高频电缆引出汽缸，至调频接收机被放大和解调还原为应变片频率信号，然后输入光线录波器和磁带录波仪。对测试数据进行分析，以确定叶片的动频率。******2主要特点：①采用表征叶片抵抗疲劳破坏能力的安全倍率Ab这一概念；②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，并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。体现了动静应力联合承载的观点。*a2.叶片振动的主振型工程上根据激励力的谐波