汽轮机叶片结构强度振动

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末级长叶片结构
1
叶片结构
DTC典型全转速湿冷末级长叶片
1400mm
1200mm
1092mm
1016mm
909mm
800mm
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末级长叶片结构
DTC典型全转速空冷末级长叶片
1
叶片结构
661mm
770mm
863mm
1030mm
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叶顶部分
自由叶片 成组叶片
整体叶片
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1
叶片结构
连接件部分
围带的作用： 防止漏汽、调 整叶片频率， 降低动应力
通常包括围带和拉筋
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1
叶片结构
连接件部分
拉筋的作用：调整 叶片频率和减振， 降低动应力，增加 了附加损失
通常包括围带和拉筋
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1
叶片结构
调节级叶片结构
三联叶片
双层围带
结构特殊使其强度刚度大
交错接触式自锁 整体围带
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1
叶片结构
末级长叶片结构
变截面扭叶片
通常采用叉形、枞树形叶根
采用围带、拉筋连接成圈 防水蚀措施：钎焊司太立合金片、表面淬硬、 电火花强化、激光熔覆司太立合金粉、空心 导叶片除湿、加大动静间隙
适用于所有叶片，强度 刚性好，加工成本低， 装拆费时。
销钉固定
承载能力与叉数有关
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叶根部分
轴向安装：枞树型
把叶片固定在叶轮或轮毂 上的联接部分
1
叶片结构
适用于所有叶片，强度 刚性好，加工成本高， 装拆方便。 漏气量增加 轴向定位方式多样化
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1
叶片结构
2
ql 2 P 底部截面弯矩最大 M 0 l 2 2
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两个主惯性轴方向的弯矩
2
叶片强度 计算
Pl M1 cos 2 Pl M2 si n 2
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M1，M2在叶片底部出气边、进气边和背部产生的弯 应力
M1 M 2 M 1e1 M 2e2 出 W进 、 出 W出 III I II II
2 ' Z 2 C C rim 3 4R1 h1
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外包T型叶根
避免一般T型叶根轮缘上比较
大的偏心载荷弯应力
2
方 向 相 反
叶片强度 计算
轮缘支反力产生的弯 矩
偏心载荷产生的弯矩
减小轮缘截面弯应力
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枞树型叶根
一般是等强度分 布，各齿受力均 匀，并且载荷可 以重新分配
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偏心载荷
C P 2 2 ' Crim 3Z2
2
Mc 2 Pa
叶片强度 计算
弯矩 弯应力
' bd 2
Mc2 ' W2
W2'
R2b 2
3Z2
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合成应力

' 2 ' t2 ' bd 2
2
叶片强度 计算
剪切应力
变截面叶片某截面以上叶片
部分的重心和旋转中心的连 线—离心力的辐射线不通过 该截面的形心，离心力对该 截面的作用是偏心拉伸
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若离心力辐射线通过某截面形心，则在该截面 上不会产生弯应力 离心力引起的弯应力的计算
2
叶片强度 计算
离心力的弯矩
C C C 离心弯应力 进 、 出 、 背
叶片受力分析
离心力
2
叶片强度 计算
拉应力，偏心弯应力
变转速透平以最高转速计算
气流作用力 选择最大工况计算
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离心力和气动力
叶片受热不均
扭转应力 热应力
2
叶片强度 计算
一般情况数值较小，计算时往往略去
叶片工作温度 > 450 º C
高温蠕变强度
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叶片离心拉应力的计算
安装上有1只封口叶片
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叶根部分
周向安装：菌型
把叶片固定在叶轮或轮毂 上的联接部分
1
叶片结构
在叶根中间体用骑缝销钉固 定锁口叶片 锁块、钢锁口叶片、钛合金 锁口叶片 叶轮上安装销钉
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叶根部分
径向安装：叉型
把叶片固定在叶轮或轮毂 上的联接部分
1
叶片结构
安全系数的取值
低温范围校核拉弯合成应力
K s 1.7
2
叶片强度 计算
高温范围
K s 2 , Kcr 1.3 , Kdu 2
选取其中的最小值作为校核用的许用应力
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叶根，形状复杂，容易应力集中，校核叶根或轮缘 截面上的合成应力
叶片结构
叶型部分
满足空气动力学要求
Dm 10 l Dm 10 l
改善流动，减少离心力
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叶根平台部分
叶型部分与叶根的过 渡段
1
叶片结构
与叶型部分间有过渡圆角，减少应力集中
根据叶型形状包络，结构形式多样化
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叶根部分
周向安装：倒T型
把叶片固定在叶轮或轮毂 上的联接部分
2
叶片强度 计算
从轮周功求解
Gh0u 1000N u Pu uZ 2 uZ 2
注意C2u的方向，若 < 90º ，则C2u以负数代入
气流力轴向分量
G Pa (c1a c2a ) ( p1 p2 )tl Z 2
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应选择气流力达到最大值的工况进行计算
2
叶片强度 计算
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T型叶根
叶根计算
2
叶片强度 计算
I-I截面叶根最大拉应力
C C0 C1 tI F1
切向气流力产生的弯矩
l M sI Pu ( h0 h1 ) 2
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I-I截面气流弯应力

s bdI
2
t12 b1 W1 6
2
叶片强度 计算
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叉型叶根
两排或三排
2
叶片强度 计算
可以有一叉、两叉、多到六叉、七叉，铆钉有一排、
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有骑缝与中间销钉，主要是看对叶根削弱程度决定
采取哪种形式。可以承受大载荷
2
叶片强度 计算
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2
振动应力
叶片强度 计算
叶片工作条件
末级长叶片结构
1
叶片结构
DTC典型核电半转速末级长叶片
2082mm
1828mm
1651mm
1447mm
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末级长叶片结构
1
叶片结构
DTC超超临界1050MW低压转子
1200mm
1200mm
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末级长叶片结构
1200mm末级长叶片结构特点
整体围带 • • • • • ★ 设计特点 大刚度、高阻尼结构 低动应力、小应力集中设计 优异叶型成型规律 高频淬火防水蚀 优良的末级叶片材料
调整叶片在叶轮上的安装位置（安装值b）
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围带、拉金对叶片气流弯应力的影响
使叶片中气流弯应力减小
2
叶片强度 计算
气流力作用
叶片变形
围带、拉 金变形
围带、拉金抵抗变形产生反弯矩 部分抵消气流力弯矩
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叶根及轮缘的强度计算
轮缘 承受叶片和轮缘本身的 离心力 叶根 承受离心力和气流力
合成应力
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s C ＝ 进 t 进、出 进
2
t
叶片强度 计算
合成应力
＝ ＝
出 t 背
s 进、出 s 背

C 出
C 背
通过调整偏心距的大小和符号可调整离心
弯应力的大小和符号（拉伸或压缩），从
而抵消或部分抵消气流弯应力
电火花硬化和渗氮等
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高温影响
2
叶片强度 计算
降低屈服极限，强度极限，疲劳极限 气流激振力
使叶片振动，若激振力频率与叶片固 有频率互成整数倍时，将引起共振， 甚至损坏叶片。
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叶片材料
足够的Leabharlann Baidu械强度
要求
2
叶片强度 计算
高的韧性核塑性以及高温下抗热脆性 耐蚀性 良好的热、冷加工性能 耐磨性 减振性
2
叶片强度 计算
透平最大负荷工况 危险 工况 对于喷嘴调节的汽轮机调节 级，为第一调节阀全开，其 余调节阀全关的工况
P Pu2 Pa2
气流力
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叶片弯应力计算
2
叶片强度 计算
作用在叶片上的气流力是均匀分布的 均布载荷
qP l
离底部截面为 x 处的弯矩
ql x M x 2
叶片强度 计算
M sI W1
合成应力
s I tI bd I
剪切应力
C C 0 C1 C 2 2F2
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挤压应力
cr
C 2F3
2
叶片强度 计算
轮缘计算 拉应力
2 Z 2 C C rim 3 4R2 b
t' 2
1
叶片结构
承载能力小，用于离心力较 小的短叶片，结构简单，加 工装配成本低 叶轮轮盘厚 安装上有2只封口叶片
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叶根部分
把叶片固定在叶轮或轮毂 上的联接部分
1
叶片结构
周向安装：外包倒T型
承载能力小，用于离心力较 小的短叶片，结构简单，加 工装配成本低
减少叶轮轮盘宽度 安装上有2只封口叶片
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叶片的许用应力和强度校核
低温
2
叶片强度 计算
标准
屈服极限
蠕变极限
t 0 .2
cr 110
5
高温 持久强度极限 高温与低温的界限 汽轮机400~450º C，燃气轮机480~520º C
du 10
5
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叶片的许用应力和强度校核
2
叶片强度 计算
进
M1 M 2 M 1e1 M 2 e2 W进 、 出 W进 III I II II
背
M 1e 3 M1 W背 III
通常出气边弯应力 出 比 进 和 背都要大
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离心力引起的弯曲应力计算
偏心拉伸
2
叶片强度 计算
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叶片型线底部截面离心力
2
叶片强度 计算
C
底部截面拉应力
0
C Cs Cl
多排拉金
C C s Cl F
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气流产生的弯应力计算
气流力 速度三角形
2
叶片强度 计算
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气流力切向分量
G Pu (c1u c2 u ) Z 2
1
叶片结构
整体拉筋
自锁式整体自带和拉筋成圈
枞树型
• • • • • • • •
★ 技术优势 高背压运行安全可靠 变工况运行适应性好 气动、强度振动特性优良 全新气动、强度振动三维解析技术 叶片与轴系耦合分析技术 高马赫数叶栅吹风试验 叶根、轮缘应力测试及拉断试验 整级全尺寸实物叶片调频试验
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离心力
热冲击
腐蚀成分（NaCl，MgCl2，V2O5等）
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腐蚀成分（NaCl，MgCl2，V2O5等） Cl- 使疲劳极限下降50%左右 V2O5，Na2SO4加速氧化和晶间腐蚀
2
叶片强度 计算
固体微粒及湿蒸汽中的水滴冲击
汽轮机末几级的电化腐蚀和水滴机械冲刷 处理方法有表面硬化：镀铬、硬质合金、
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汽轮机叶片结构强度振动
东方汽轮机有限公司 2017.7
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目录
1 2 3
叶片结构 叶片强度 计算
叶片振动 和调频
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1
叶片结构
叶顶部分
叶型部分 连接件
叶根部分 叶根平台部分
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1
等截面直叶片 变截面直叶片 变截面扭叶片
离心力
2
叶片强度 计算
C Fl 2 Rm
式中：旋转角速度
2n 60
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底部截面拉应力 围带离心力 拉金离心力
ts，tl
C l 2 Rm F
2
2
l
叶片强度 计算
Cs Fs t s 2 Rs
Cl Fl tl Rl
s
为围带和拉金的节矩，F ，F 为围带和 拉金的横截面积
[ ]
2
0t .2
Ks
叶片强度 计算
许用应力
[ ]
cr
K cr
[ ]
du
K du
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叶片的许用应力和强度校核
安全系数的来源
2
叶片强度 计算
应力计算的精确度
材料机械性质的不均匀性 零件的制造工艺和装配工艺
零件的重要性及其工作条件等
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叶根部分
周向安装：双倒T型
把叶片固定在叶轮或轮毂 上的联接部分
1
叶片结构
承载能力较大，用于中等 叶片，结构简单，加工装 配成本低 叶轮轮盘厚 安装上有2只封口叶片
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叶根部分
周向安装：菌型
把叶片固定在叶轮或轮毂 上的联接部分
1
叶片结构
承载能力较大，用于离心力 较大的中等叶片，结构较复 杂，加工装配成本低 叶轮轮盘厚度适中