汽轮机课件－汽机叶片静强度计算

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1、汽机叶片静强度 计算 一、叶片的结构与分类1、叶片的结构分为三部分：l叶型作用：汽轮机的主要通流部分，承担把蒸汽的动 能转变为机械能的任务，要求有好的汽动特性，比如型 线、进汽角、出汽角等。 l叶根作用：把叶片牢固地固定在轮缘上。 l叶顶作用：汽流通道的上表面，并通过围带的不同结 构起到调整叶片频率作用。 2、分类 按叶片截面沿叶高变化的规律分： （1）等截面叶片：叶片的截面处处相等，适用于短叶片，即径高比 （2）变截面叶片（扭叶片）：叶片高度增大后为提高叶片的效率，叶片的型线沿高度 变化，为了改善叶片的强度条件，自下而上叶片截面积 缩小。3、叶根的分类l倒T型简单，强度条件差， 安装方式：圆

2、发展为双倒T型 周向装配方式l外包T型改善轮缘向外弯曲l叉型长叶片插入装配l纵树型长叶片、叶根与轮缘截面接近于等强度轴向装配。叶根的选型是根据受力情况和加工的工艺习惯。 lT型叶根 外包T型 叉型 纵树型4、叶顶l整体围带，装配围带围带作用：减小叶顶漏汽损失，增加叶片抗弯刚度。由薄钢板或带制成，通过铆接或焊接固定在叶顶上。l长叶片取消围带，改为顶部削薄l拉筋：焊接拉筋（紧拉筋），松拉筋拉筋作用：调整叶片的自振频率，增强叶片振动阻尼。拉筋由直径为5-12mm的细金属丝或管组成，贯穿于叶型段的拉筋孔中。(松拉筋)拉筋置于动叶流道内，造成流动损失，降低经济性，只有在叶片振动特性迫切需要才使用。二、叶

3、片的拉伸应力与弯曲应力（一）叶片受力情况分析 1、作用力的主要形式：l离心力作用l蒸汽作用力l围带、拉筋发生弯曲变形时的作用力l当叶片安装偏移时，离心力的作用点不通过计算截面的形心时，将引起 弯曲应力。 应力分析包括：l汽流作用力：包括弯曲应力和振动 动应力、频率特性（计算自振频 率是否会共振）l离心力拉伸应力、弯曲应力l受热不均匀不均匀温度场引起的温度应力2、最危险工况下的校核l叶片所受离心力随转速、叶片质量变化，蒸汽作用力随级的焓降和流量而变化。要保证运行安全性，必须在最危险工况下即叶片受力最大的情况下进行校核。l汽轮机中各级叶片的最危险工况并不是同时出现。例如调节级的最危险工况是在第一个

4、调节阀接近全开而第二个调节阀尚未开启之时，此时调节级的理想比焓降最大，部分进汽度最小；对于低压级，最危险工况是在最大蒸汽流量和最高真空时。3、对于同一叶片，其叶顶、叶身、叶根等不同位置的应力情况不同，应对最危险截面进行校核。一般而言，靠近叶根位置的应力较大，对于变截面叶片应该对应力最大的截面进行校核。4、同一因素对强度的不同影响l许多级的叶片采用装配式围带，围带将叶片连接成组后，抗弯刚度 比单个叶片增强，可以减小叶片的弯曲应力，刚度的增加有使叶片 自振频率提高的趋势。l由于在叶顶增加了质量，从而增加叶片所受的离心力，质量增加使 叶片自振频率有降低的趋势。（二）叶片的离心应力计算1、等截面叶片的

5、离心应力叶片截面积处处相等，在不同截面上叶片所承受的离心力不同，自 上而下是逐渐增大，根部的拉伸应力最大。（P237计算公式）讨论： （1）等截面叶片根部截面上所受的离心力拉伸应力与截面积大小无关 。在等截面叶片的强度设计，不能用增大截面积来降低离心拉伸力 。 （2）采用低密度、高强度的叶片材料来降低根部拉应力。如钛基合金 密度4.5103kg/m3，相当于不锈钢的57，拉应力也只有57。 （3）当等截面叶片的材料一定时，可采用变截面叶片降低离心应力。平均直径2、变截面叶片的离心应力（1）特点：当叶片径高比812，为减少汽流入口的撞击损失，提高级效率，采用扭叶片，变截面叶片的最大离心应力比等截

6、面叶片小50。为了减小离心拉应力，希望叶片的截面积自下而上逐渐减小。扭叶片的叶型截面积沿叶高变化，一般无法用简单函数式表达，常把叶片分成若干段，用数值积分法近似求解。一般将叶片沿叶高等分成510段，设n段，i截面号，j分段号，i截面 上离心应力为j段平均面积 j段平均半径 讨论： （1）叶片分段数越多，计算结果越精确； （2）对于变截面叶片，离心力和截面积都随叶高而变化，不一定是根部 拉应力最大，应该找出最危险截面进行校核； （3）实际上叶片截面上的离心拉应力不是均匀分布，截面中心区的离心 拉应力大于进出口边的拉应力值。 （三）叶片的弯曲应力计算叶片受力分解1、等截面叶片弯曲应力计算（1）叶片

7、的蒸汽作用力 根据第一章讨论，喷嘴出来的蒸汽对叶片的作用力可分解为Fu（轮周 向力）Fz（轴向力）同理，Z b-级中动叶片数目 ；Pu级的轮周功率；说明：对于不同叶片应选择最危险工况计算，压力级按最大流量工况 来计算Fu、Fz，调节级是在第一调门全开和第二调门未开的工况计算，此时部分进汽度最小，调节级理想比焓降最大，选最危险工况 计算。（2）蒸汽作用力引起的弯矩l将叶片看成是一个直立的悬臂梁均布载荷qF/L；F为Fu和Fz的合力l弯矩l从弯矩公式看，等截面叶片根部的弯矩为最大，即 危险截面。方向与F一致。（3）蒸汽弯矩的分解图中该截面的最小和最大主惯性轴为1-1，2-2。1-1轴近似与叶弦平行

8、 。设F与2-2轴的夹角为 ，则M0在1-1轴方向的弯矩迫使叶片绕1-1轴弯曲 。（4）弯应力计算 出口O点处蒸汽 弯曲应力最大，出口边不能太薄，=11.5mm 令根部截面最小主惯性矩Imin，最大主惯性矩Imax（5）公式的简化对于等截面叶片，夹角 很小，所以 ， ， 最大弯应力， b处最大弯应力结果偏于安全。抗弯截面模量2、扭叶片弯曲应力计算对于扭叶片，单位叶高的蒸汽作用力，各截面的主惯性矩或抗弯 截面模量沿叶高变化，弯曲应力最大值不一定在根部截面，必须计算 弯曲应力沿叶高的变化规律，对最大弯曲应力的截面进行强度校核。工程中采用近似方法计算，类似于离心应力，将叶片分段，求出 任一小段的G，

9、j段上蒸汽轮周向、轴向作用力。l作用力l弯矩然后计算出各截面上的进出口点i，O和叶背点b的弯曲应力，以最大 弯曲应力所在截面的弯曲应力与材料许用弯应力进行强度校核。四、围带或拉筋成组叶片的应力计算 （一）围带或拉筋离心力对叶片离心力的影响如果叶片的不同部位装有围带或拉筋，则围带与拉筋在旋转时， 也要产生离心力，作用于叶片的不同部位。 （1）围带产生的离心力 设围带的厚度为，节矩ts周长/叶片数 ， 宽度b，旋转半径围带离心力（2）拉筋产生的离心力 一个节矩拉筋的离心力 圆形，直径dw，面积 ，旋转半径Rw， 拉筋离心力（二）围带或拉筋的弯曲应力计算l均布载荷 拉 筋l围带l叶片间的拉筋可视为两

10、端固定的静不定梁l在外力 作用力，A、B处转角和0 。根据材料力学l求出同理，两端固定的围带的附加弯矩为 所以，弯曲应力分别为 ，或（三）围带或拉筋的反弯矩对叶片弯曲应力的影 响当叶片组发生弯曲时，围带、拉筋也随之弯曲以阻止叶片组弯曲，其 弯矩方向与蒸汽的弯矩方向相反，称反弯矩，使合成弯矩减小。1、围带反弯矩 （1）叶片顶部位移y0蒸汽作用力作用在最大主惯性轴（2-2轴）方向，因此弯曲变形发生在 2-2轴所在平面，最大主惯性轴2-2与轮周平面的夹角为。 y0可分解为：轮周向位移轴向位移对于扭叶片来说： ，近似取平均值叶根处夹角； 叶顶处夹角 如叶顶与围带是牢固连接，则y1会引起围带弯曲，y2则

11、不引起围带弯曲。v叶顶转角 定义：在叶顶处，弹性曲线（即叶片各个截面中心的连线）的切线与垂 直线之间的夹角为倾角。因叶片和围带弯曲很小曲线的斜率；当 投影到叶轮方向时 叶顶的倾斜使围带弯曲成波浪状，围带和叶顶是刚性连接，所以，围 带倾角 叶顶转角 ， 的大小、方向决定了围带反弯矩的大小和方向。2、反弯矩计算公式的推导P244，5.2.5（c）中，A、C为波浪形的转折点，在数学上称拐点， 二阶导数 ，在工程力学中二阶导数是决定弯矩大小。所以，我们取二个拐点A、C间的一段围带作分离体进行讨论。因为A、C点上弯矩为零，只有切力Q的作用。由于叶片围带的弯曲变形很小，弯曲以后，A、C点 离 开叶顶B的距

12、离仍为 ，两侧看成两个悬臂梁。所以 ，两侧围带悬臂梁对叶片的反弯矩为挠度 ：要求Q，则先求挠度弯矩 是作用在叶轮平面上，将 投影到1-1轴上，其对应的截面惯性 矩为最小 ，引起的弯曲效果较大。围带对叶片的反弯矩的理论计 算值：围带材料的弹性模量 围带截面的惯性矩 3、反弯矩的修正系数前面的假定：围带或叶片刚性连接，实际上两者一般靠铆钉联接， 不可能刚性联接，刚性不足使反弯矩下降，另外没有考虑叶片自身 厚度的影响，反弯矩还与叶片组内的叶片数有关，因此，要根据计 算和经验引入牢固系数Hs。所以，围带对叶片产生的实际反弯矩Hs表示围带和叶顶连接的牢固程度，越牢固Hs越大。 如： 整体围带，两个叶片的

13、围带间无连接 Hs=0； 铆钉连接，不加焊 Hs=0.10.5； 铆钉连接加焊接 Hs=0.61.0。同一围带连接的叶片数目修正前面讨论假定一级叶片用整圈围带来连接，得到一个叶片承受一个节 距围带产生的反弯矩，级中叶片常分成若干组围带连接，一组中叶片 的数目少则35片，多则810片。每个叶片组的围带两端为自由端，无切力，若有z个叶片，则围带对 叶片组的反弯矩只有z-1，所以4、围带反弯矩的实际计算1）计算叶片顶部截面的转角在最大主惯性轴平面内，叶片受到两个弯矩，蒸汽弯矩Mx和围带 产生的反弯矩Ms。叶片的弯矩M为二者之差令 刚度系数，反映了围带对叶片刚度的影响程 度， 对于等截面叶片Ix=I0

14、常数，积分一次。边界条件x0时 得M0为蒸汽在根部截面引起的弯矩（2）弯曲应力任意截面上叶片作用的弯矩 ，任意截面上的弯应力为 （3）讨论l由于围带反弯矩方向与蒸汽作用力的弯矩方向相反，叶片采用围带 后使总弯矩减少1040，弯应力也相应减小。l围带反弯矩的大小与s有关，s大，Ms则大， s趋于， ，一般为2025，s大小主要根据叶片振动安全性要求来确定， 而不是从减小弯曲应力的角度来考虑。 5、拉筋反弯矩的计算拉筋对叶片的反弯矩计算方法，公式原则上与围带相同，应注意 ：(1) 拉筋的反弯矩只对装拉筋地方及以下的叶片段起作用，拉筋 以上不起作用；(2) 围带计算公式中的 ，应用拉筋处的数值 装拉筋高 处。(3) s应查拉筋曲线五、叶片离心力引起的弯矩及偏装1、叶片离心力引起的弯矩叶片的截面型心连线在蒸汽作用下发生弯曲变形，所以离心力在 截面上的作用点与型心有一段距离，从而形成离心力对截面的弯矩 ，与蒸汽弯矩方向相反，使合成弯应力减小。2、叶片的偏装对于扭曲长叶片，各截面型心连线是一条空间曲线，曲线各点不可 能与离心力作用线重合，离心力弯矩方向不一定与蒸汽弯矩方向相 反，可能相同，加大叶片的弯曲应力。所以，应对叶片进行安装计 算，目的通过改变安装位置，人为调整叶