汽轮机-第五章综述

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1、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 5.1 汽轮机零件强度校核概述 5.1.1 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，以保证在 所有工况下机组能安全可靠运行。 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。 动强度-外力

2、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。 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。汽轮机零件的强度系指在外力作用下，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。 强度分析计算的要素： 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 5.6.1 叶片动强度概念 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

3、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。 5.6.2 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；另一是结构 扰动。 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。 1. 低频激振力 a.低频激振力产生的原因 l喷嘴出口边缘厚度不均匀，造成出口流场不均匀。 l喷嘴部分进汽，叶片间断性受力。 l抽汽口、排汽口造成局部区域汽流速度分布不均匀。 l隔板加强筋或肋造成喷嘴出口流场分布不均匀。 l上下隔板结合面处喷嘴错位造成出口流场分布不均。 b.低频激振力频率计算 对称激振力 非对称激振力 5.6 汽

4、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 ， 是级的喷嘴数， =4090 ， 称为当量喷嘴数 5.6.3 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 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)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

5、为： 型振动。 其中A0型最危险，B0型次之。 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 单个叶片扭转振动 2. 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

6、转振动两种 类型。 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， 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。 型振

7、动。其中A0型最危险。 根据出现节点的多少，依次称 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。 5.6.4 叶片频率 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

8、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。 5.6.5 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 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

9、，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 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

10、，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 5.6.6 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

11、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。 主要特点：采用表征叶片抵抗疲劳破坏能力的安全 倍率Ab这一概念；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。 2.基本概念 三种最 危险共振 切向A0型振动的动频率与低频激振力频 率 合拍时的共振，称为第一种共振。 切向

12、B0型振动的动频率与高频激振力频 率 相等时的共振，称为第二种共振。 切向A0型振动的动频率与 相等时的共 振，称为第三种共振。 5.6 汽轮机叶片的动强度 调频叶片与不调频叶片 调频叶片-对有些叶片要求其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型 ，称为调频叶片。 不调频叶片-对有些叶片允许其某个主振型频率与某 类激振力频率合拍而处与共振状态下长期运行，不会 导致叶片疲劳破坏，这个叶片对这一主振型，称为不 调频叶片。 注：对一具体叶片，它具有各种振型，对某一主振型 为不调频叶片，对另一主振型，称为调频叶片。 5.6 汽轮机叶片的动强度 耐振强度 表示材料在承受动静应

13、力时的一种机械性能。 5.6 汽轮机叶片的动强度 在某一温度和某一静应力下，对 无缺口试件在空气 环境中，做“弯-弯”实验，循环107次不破坏可承受的最 大动应力 ， 又称耐振强度。 安全倍率 表征叶片抵抗疲劳破坏能力的系数、耐振强度和蒸汽 弯曲应力修正值之比。 (5.6.49 ) 3.叶片安全准则 不调频叶片安全准则 (5.6.50) Ab许用安全倍率，叶片安全与危险的界限值。 5.6 汽轮机叶片的动强度 新准则对不同振型所推荐的许用安全倍率值如下： 对A0型振动与kn共振的不调频叶片，Ab值见下表 。当k=2时（有时当k=3时），不采用不调频叶片，而 是用调频叶片避开共振，确保叶片安全运行

14、。 对B0型振动与znn共振的不调频叶片，取Ab=10。 对A0型振动与znn共振的不调频叶片，全周进汽级的 Ab=45，部分进汽级的Ab=55。 4.4 7 10 32 4.1 8 5.0 6 6.2 5 3.7 12111094k 3.83.94.07.8Ab 不调频叶片A0型振动的Ab值 5.6 汽轮机叶片的动强度 调频叶片的安全准则 长期安全 运行满足 条件 频率避开一安全范围 Ab Ab，比不调频叶片的Ab小 叶片频率分散度-最大与最小自振频率差与平均值比 的百分率。一般要求最大分散度小于8%。 a) A0型频率与kn的避开要求： b) B0型振动频率与znn的避开要求 当要求某叶片

15、的动频率避开高频激振力频率时，该叶 片的静频率已经很高，动频率和静频率很接近，可认 为fdf，所以新标准中用静频率代替动频率。B0型频率 避开率的要求如下： (5.6.53) 5.6 汽轮机叶片的动强度 上式说明在 转速下，叶片频率与激振力频率 的频率差必须大于7.5Hz，才能满足避开要求。 若叶片组B0型振动的Ab值是小于10的较大值，如Ab=4 9，则对B0型振动的调频叶片频率避开率，推荐用下 述经验公式计算： (5.6.54 ) 4.叶片调频 叶片调频设计的总目标，是在机组主要运行范围内， 叶片的自振频率偏离激励力的频率一定范围，保证叶 片运行安全。一般说来，凡是能影响叶片频率的诸因 素，都可作为调频手段。下面是电厂常用的几种调频 方法。 5.6 汽轮机叶片的动强度 a) 重新安装叶片、改善安装质量 b) 增加叶片与围带或拉筋的连接牢固度 c) 加大拉筋直径或改用空心拉筋 d) 增加拉筋数目 e) 改变成组叶片数目 f) 增设拉筋或围带 g) 叶顶钻孔 h) 采用长弧围带 5.6 汽轮机叶片的动强度 5.6 汽轮机叶片的动强度（作业） 1.画出单