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1、1, 汽轮机原理,第三章 汽轮机零件强度与振动,2,3, 3-1 叶片强度与振动,一，叶片强度汽轮机的动叶片在工作时，作用在其上的力主要有两种： 拉伸应力：叶片随叶轮高速旋转，要承受叶片自身和围带、拉金的质量所产生的离心力，从而产生拉伸应力； 弯曲应力：蒸汽通过叶片通道时产生的汽流作用力，以产生弯曲应力。 热应力：在机组启动、停机和负荷变动时，由于受热不均匀而存在温差，叶片还产生热应力。 离心力除了产生拉伸应力之外，当离心力不通过计算截面形心时，由于偏心，还会产生弯曲应力。 从喷嘴流出的汽流是不均匀的，对叶片形成的激振力，引起叶片振动，产生弯曲应力和扭转应力。离心力和汽流力作用点与弯曲中心不重
2、合将引起扭转应力。,4,在进行叶片强度校核时，应分析各种不同的级有不同的最危险工况，选择其最危险工况进行分析计算。例如： 调节级的危险工况是第一调节阀接近全开而第二调节阀尚未开启时； 低压级的最危险则在最大蒸汽流量及真空最好之时； 中间级是在最大蒸汽流量时最危险。 高压级处于高温下，须考虑材料的热稳定及蠕变问题； 低压级处于湿蒸汽区，应考虑湿汽的冲蚀问题。总之，在进行叶片强度校核时，必须根据其危险工况及工作条件，选定适当的许用应力，以保证叶片的安全。,5,6,7,8,（一）叶片的拉伸应力 叶片的拉伸应力是叶片作高速旋转时质量离心力而产生的。 1，等截面叶片对于等截面叶片，沿高度从外径向叶根各截
3、面所承受离心力是逐渐增大，其应力也是逐渐增加的。现在在任意半径R处(图530)取一微段dR叶片进行分析，则该微段的离心力为：式中 F 叶片截面积( )；叶片材料的密度( )；角速度(rad/s)， ；n 转速(rmin)。,图530,9,对于半径为R的截面，作用在该截面上的离心力用积分可求得：根部截面的离心力和拉应力：由上式可知，最大离心力发生在根部截面。则等截面叶片叶根截面处的离心力和拉应力可表达式为（51）（52）式中 级的平均半径(m)；叶片高度(m)。,10,若用径高比 代入上二式，且平均轮径处叶片的圆周速度 ，则以上二式可以改写为（53）（54） 由以上公式可知，等截面叶片根部的拉应
4、力只与 、 、 、 有关，而与叶片截面积无关。也就是说，增加等截面叶片截面积并不能降低叶片的根部拉应力。在圆周速度和径高比不能改变的情况下，采用密度较小的材料可以减小叶片的质量（拉应力）。,11,2变截面叶片对于径高比 10的级为长叶片级。对于长叶片，如果采用等截面叶片，则叶片叶根拉应力会很大，无法满足强度要求。为了减少离心力，把叶片做成变截面形式。变截面叶片在任意半径R处的截面所承受的离心力为（55）离心拉应力为（56） 上式表明，变截面叶片离心力不仅与 有关， 还与叶片截面沿半径变化的规律F(R)有关。,12,在变截面叶片中，离心力引起的拉伸应力不一定在根部截面是最大。一般来说，应通过计算
5、才能确定最大拉伸应力所在截面。变截面叶片截面积沿半径R的变化规律，一般难以用解析式表示。根据面积沿叶高的变化曲线，可以采取数值积分的办法，近似计算各截面的拉伸应力。譬如，可将叶片沿叶高等距离分为若干段（一般取510段），而把每一段看成为等截面叶片，则可先计算各等截面叶片段的离心力，再确定各段面上的离心拉应力。根据本节所讲的长叶片截面积沿半径的变化规律和 第一章所讲的长叶片级速度三角形动叶片进出口角的变 化规律，长叶片都做成“变截面扭叶片”。“变截面”是 为了保证其强度，“扭”是为了避免沿半径的增加而引 起的各种损失，以提高长叶片级的级效率。,13,14,3围带和拉金的影响叶片多用围带、拉金或者
6、既有围带又有拉金将叶片联成一体，成为叶片组。在汽轮机转动时，围带、拉金也会产生离心力，这些离心力也作用在叶片上，由叶片组内各叶片分摊其离心力的作用。因此，在计算叶片离心拉应力时，必需考虑进去。这样，对于根部截面，叶片受到总的离心拉应力为（57） 式中 叶片型线部分的离心力(MN)；一个节距围带段的离心力(MN)；一个节距拉金段的离心力(MN)。,15,(二) 叶片的弯曲应力,1蒸汽作用力引起的弯曲应力 圆周分力：蒸汽对叶片产生作用力，可以分解为圆周分力和轴向分力。蒸汽作用力的大小和级的焓降、反动度及流过叶栅的蒸汽量有关。为（510） 或者 （511） 式中 通过一级的蒸汽流量(kgs)；、 、
7、 级的轮周功率、轮周效率、绝热焓降；、 叶片进、出口汽流在圆周方向的分速度；、 、 部分进汽度、圆周速度、级中动叶片数。,16,轴向分力的大小为：（512） 式中 、 叶片进、出口汽流在轴向的分速度(ms)；、 叶片前、后蒸汽的静压力()；叶片节距(m)；_叶片高度(m)。在应用以上公式进行计算时，应选择蒸汽作用力为最大值的工况，即级的最危险工况。,图531,17,合力：由图531可以看出，蒸汽作用在叶片上的合力应为（513）,在计算时，通常把叶片看成一端刚性固定的悬臂梁，并假定载荷沿叶片高度均匀分布，这样均布载荷为 ，,18,则离叶片根部x处的任意截面上的弯矩为（514） 根部截面有最大弯矩
8、值：（515） 为了计算弯曲应力，把最大弯矩可以 分解为沿 最大、最小主惯性轴方向上 的两个弯矩，即,图532,19,叶片底部截面出汽边、进汽边和背弧上产生弯曲应力：如图532所示，用 、 代表叶型的最小(对于轴)和最大(对于轴)主惯性矩。则 和 在叶片底部截面出汽边、进汽边和背弧上产生弯曲应力分别为：（516） （517）（518） 式中 、 、 、 图532所示；、 、 、 截面系数， ， ， 。,20,一般说来，汽流作用力 与最大主惯性轴（轴）之间的夹角很小（ ）。这样，因此，可以采用如下简化计算： 对于叶片底部截面进、出汽边对于叶片底部截面的背弧,21,图533上的AB线表示弯曲应力沿
9、叶型的分布情况： 最大的拉应力发生在叶片的两个边缘上，即线段AC所示； 最大压应力发生在叶片背弧上，如线段BD所示。 而叶片的拉伸应力在整个截面上是均匀分布的。 可以用增加叶片的宽度（叶片的截面积 和主惯性矩增大），以降低叶片的弯曲应力。,22,2离心力引起的弯曲应力使离心力产生弯矩有两种情况：在叶片设计时，有意让叶片偏斜，使其离心力不通过计算截面的中心，即所谓叶片的偏装；另一个是由于叶片受到蒸汽力作用而产生弯曲所引起的。 (1) 叶片的偏装叶片在工作时，离心力弯矩与蒸汽作用力的弯矩方向相反，这样，使叶片的最大弯矩或弯曲应力减小，甚至接近于零。在设计时，常采用两种方法： 一种是使叶片顺着转动方
10、向在圆周上(或同时在轴向方向)倾斜一角度(图534a)； 另一种办法是使整个叶型相对于辐向线在圆周方向平移一个距离(图534b)。,23,图534a,b,(2) 叶片弯曲变形后离心力所引起的弯矩当叶片在蒸汽力的作用下产生弯曲变形后，离心力不再通过截面形心0点，在叶片上引起了附加弯矩。,24,3围带、拉金对外片汽流弯应力的影响用围带或者拉金将单个叶片连成叶片组： 改善叶片的振动特性； 可以设置轴向汽封以减少漏汽； 围带和拉金的质量增加了叶片的离心力； 叶片产生弯曲变形而使围带和拉金相应产生弯曲变形，从而形成对叶片的反力矩，该反力矩可以部分地抵消汽流力引起的弯矩。,25,26,反力矩的确定：围带反
11、力矩由下式确定式中 剪切力，可由围带变形公式确定；围带节距。,27,此弯矩作用在叶轮平面yy上，它在最大惯性轴平面上的分量为 即 （523）在最大惯性轴（）平面内，围带作用在叶片的实际弯矩为（524）式中 围带材料的弹性模量( )；围带截面的惯性矩( )；刚性连接修正系数（）；叶片个数修正系数。上式中，最大惯性轴（）平面内叶片弹性线顶部固定围带处的倾角由汽流力弯矩和围带反弯矩合成而引起。,28,经过一系列推导后即可得围带作用在叶片上的反弯矩( )与叶片根部截面弯矩( )的关系式：（526）根据上式绘成的曲线如图537所示。从图可以看出，用围带将叶片连成组之后，围带作用在叶片上的反弯矩最大值不会
12、超过等截面叶片最大弯矩的30，这就定量地说明了围带、拉金对叶片弯矩、弯应力的影响。 式中 叶片组刚性连接系数；叶片高度(m)；叶片材料的弹性模量( ) ；叶片截面的最小惯性矩( ) ；汽流力引起叶片根部截面的弯矩(N.m)。,29,作业：,1、分析调节级、末级、转子叶轮的最危险工况。 2、叶片工作时受到哪些力的作用？ 3、为什么长叶片必需做成变截面扭叶片的型式？ 4、试求等截面叶片的最大弯曲应力和最大拉伸应力。已知级的流量 ，级的平均直径 ，叶片高度，动叶前的压力 ，级后压力 ，喷嘴出口速度 ，出汽角 ， ，余速 ，级的圆周速度 ，动叶数Z=144, 叶片最小截面系数 ，部分进汽速 e=1 ，
13、 叶片材料密度 。,30,（接上页）,5、根据条件校核等截面叶片的离心应力和弯曲应力。 已知级的平均直径 ，叶高 ，最小截 面系数 ，叶片材料密度 ，转速 n=3000r/min ，轮周功率 ，叶片数z=182，级为全周进汽，动叶前后的压力分别为 ， ，轴向分速可忽略。,31,（三）叶根和轮缘应力,叶片是通过叶根与轮缘相连并固定在叶轮上。在核算叶根和轮缘强度时，一般不考虑蒸汽的作用力，只计算叶片离心力所产生的拉应力、弯应力、挤压应力和剪切应力。常见的几种叶根有T型叶根、叉型叶根、枞树型叶根。,图538,32,33,A， T型叶根 1叶根应力(1) 在AB截面上所受的拉伸应力 由图538可以看出，AB截面在整个叶根 中是截面积最小的受拉截面，故T型叶根 最大的拉伸应力发生在AB截面上。其拉 伸应力为,图538,34,（527）式中 叶片型线部分、围带和拉金的离心力的总和，即图538中MN截面以上部分质量所产生的离心力(MN即叶型与叶根的分界线)， (MN)；叶片MN截面和AB截面之间部分质量离心力(MN)； AB截面的面积( )，即图538中面积befd(若垫块和叶片分开制造时，则等于面积befd)。,
