汽轮机原理强度计算
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2.等界面叶片的离心应力沿也高减小，与面积 无关，叶根处最大，为Rmlρω2。
3.要减小叶根处的离心应力，应采用变截面叶片。 4.叶高和叶型确定后，降低应力、提高叶片运行安
全性的措施是采用轻质高强度的叶片材料。
12
二、离心应力的计算
（二）变截面扭叶片的离心应力分析
对于径高比Leabharlann Baidu＜10的级为长叶片级， 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 所承受的离心力为的作用点不在该界 面的形心上，方向也不与界面法线方 向一致。
对于变截面扭叶片，离心力不仅 产生拉伸应力，而且产生弯曲应力。
13
二、离心应力的计算
（二）变截面扭叶片的离心应力分析
变截面叶片离心力不仅产生拉伸 应力，而且产生弯曲应力，且应力与
叶片截面沿半径变化的规律F(R)有关。
（一）变截面叶片的蒸汽弯曲应力计算
用Imin、Imax代表叶型的最小(对于Ⅰ—Ⅰ轴)和最大(对 于Ⅱ—Ⅱ轴)主惯性矩。则MI和MII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：
三、动叶片的蒸汽弯曲应力计算
（一）变截面叶片的蒸汽弯曲应力计算
轴向分力为：
F zz G b e(c 1si1 n c2si2 n ) (p 1p 2)tb l
均布载荷为 ：
quFul
qz Fzl
19
三、动叶片的蒸汽弯曲应力计算
（一）变截面叶片的蒸汽弯曲应力计算
离叶片根部x处的任意截面上的弯矩为：
在设计计算时，由选用合适的材料和几何结构，确 保汽轮机在各种可能工况下长期安全、可靠地工作。
对于现役汽轮机，分析零件失效的原因，确定汽轮 机运行所允许的工况变化范围（如最大允许功率、最高转 速等）和控制极限(如许用温升率和负荷变化率）。
5
5-2 动叶片的静强度计算
一、结构与受力分析 动叶片由叶顶（叶冠、围带、 拉筋）、叶型、叶根组成。 叶型：决定于流场设计。
一、结构与受力分析
叶根： ✓将 叶 片 固 定 在 叶 轮 或
转子连接部分。 ✓T型、外包T型、枞树
型和叉型。
9
5-2 动叶片的静强度计算
一、结构与受力分析
叶型力： ✓叶型及围带或叶冠、拉
筋惯性质量在旋转力场 中产生的离心力； ✓高速汽流通过叶型通道 时产生蒸汽作用力； ✓围带、拉筋变形对动叶 片产生的反作用力。
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，应通过计算才能确定最大 拉伸应力所在截面。
14
二、离心应力的计算
（二）变截面扭叶片的离心应力分析
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5~10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。
M(x)q(l x)2 2
根部截面有最大弯矩值：
M0
ql2 2
1Fl 2
20
三、动叶片的蒸汽弯曲应力计算
（一）变截面叶片的蒸汽弯曲应力计算
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：
M 12Fcl os12F1l
M 12Fsl in12F2l
21
三、动叶片的蒸汽弯曲应力计算
汽轮机原理强度计算
5-1 汽轮机零件强度计算的内容与方法
汽轮机结构组成： 转子：
主轴、叶轮、叶片、联轴器。 静子：
汽缸、汽缸法兰、法兰螺栓、隔板、叶片持环。 汽轮机所受应力组成：
拉伸应力、弯曲应力、扭转应力、剪切应力。
静应力：离心应力、弯曲应力、热应力； 动应力：动叶汽流、惯性质量力。
4
5-1 汽轮机零件强度计算的内容与方法
（一）变截面叶片的蒸汽弯曲应力计算
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。
圆周分力为：
F uz G b e(c 1co 1 s c 2co 2 ) sG u h tb e u z 1P 0 u ub 0 e0 z
18
6
5-2 动叶片的静强度计算
一、结构与受力分析
围带： 减小漏汽损失、增强叶 片抗弯刚度。 通过铆接、铆接加焊接 固定在叶顶上。
7
5-2 动叶片的静强度计算
一、结构与受力分析
拉筋： ✓调 整 叶 片 自 振 频 率 、
增强叶片振动阻尼。 ✓焊接拉筋、松拉筋 ✓产生流动损失
8
5-2 动叶片的静强度计算
汽轮机强度计算内容和方法：
汽轮机零件的强度计算是利用力学的基本理论与方 法，分析特定工作环境中各零件的受力特征，由受力截面 的几何参数，如截面积、惯性矩和极惯性矩等，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，如屈服极限、蠕变极限和持久强度极限，计算 出最大受力工况，最大应力水平所对应的三个安全系数， 取其中最小的安全系数作为强度设计与校核的依据。
这样，对于根部截面，叶片受到总的离心拉 应力为：
Fcs FcwFc
A(R)
16
三、动叶片的蒸汽弯曲应力计算
（一）等截面叶片的蒸汽弯曲应力计算
假设：
叶片看成是刚性固 定的悬臂梁；
蒸汽参数按一元流 动计算、蒸汽对叶片的 作用力沿高度是相同的；
确定最小主惯性轴 和最大主惯性轴；
17
三、动叶片的蒸汽弯曲应力计算
根据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。
15
二、离心应力的计算
（三）围带、拉筋对叶片离心应力的影响
叶片多用围带、拉金或者既有围带又有拉金 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。
10
二、离心应力的计算
（一）直叶片的离心应力计算
距叶根x处的界面上的离心力为：
距叶根x处的界面上的离心应力为：
只要己知截面积沿叶片高度的变 化规律，便可用解析法或数值积分法 求出积分值。
11
二、离心应力的计算
（一）直叶片的离心应力计算
1.离心应力正比于叶片高度、平均半径、材料 密度、角速度的平方，且与界面形状有关。
3.要减小叶根处的离心应力，应采用变截面叶片。 4.叶高和叶型确定后，降低应力、提高叶片运行安
全性的措施是采用轻质高强度的叶片材料。
12
二、离心应力的计算
（二）变截面扭叶片的离心应力分析
对于径高比Leabharlann Baidu＜10的级为长叶片级， 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 所承受的离心力为的作用点不在该界 面的形心上，方向也不与界面法线方 向一致。
对于变截面扭叶片，离心力不仅 产生拉伸应力，而且产生弯曲应力。
13
二、离心应力的计算
（二）变截面扭叶片的离心应力分析
变截面叶片离心力不仅产生拉伸 应力，而且产生弯曲应力，且应力与
叶片截面沿半径变化的规律F(R)有关。
（一）变截面叶片的蒸汽弯曲应力计算
用Imin、Imax代表叶型的最小(对于Ⅰ—Ⅰ轴)和最大(对 于Ⅱ—Ⅱ轴)主惯性矩。则MI和MII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：
三、动叶片的蒸汽弯曲应力计算
（一）变截面叶片的蒸汽弯曲应力计算
轴向分力为：
F zz G b e(c 1si1 n c2si2 n ) (p 1p 2)tb l
均布载荷为 ：
quFul
qz Fzl
19
三、动叶片的蒸汽弯曲应力计算
（一）变截面叶片的蒸汽弯曲应力计算
离叶片根部x处的任意截面上的弯矩为：
在设计计算时，由选用合适的材料和几何结构，确 保汽轮机在各种可能工况下长期安全、可靠地工作。
对于现役汽轮机，分析零件失效的原因，确定汽轮 机运行所允许的工况变化范围（如最大允许功率、最高转 速等）和控制极限(如许用温升率和负荷变化率）。
5
5-2 动叶片的静强度计算
一、结构与受力分析 动叶片由叶顶（叶冠、围带、 拉筋）、叶型、叶根组成。 叶型：决定于流场设计。
一、结构与受力分析
叶根： ✓将 叶 片 固 定 在 叶 轮 或
转子连接部分。 ✓T型、外包T型、枞树
型和叉型。
9
5-2 动叶片的静强度计算
一、结构与受力分析
叶型力： ✓叶型及围带或叶冠、拉
筋惯性质量在旋转力场 中产生的离心力； ✓高速汽流通过叶型通道 时产生蒸汽作用力； ✓围带、拉筋变形对动叶 片产生的反作用力。
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，应通过计算才能确定最大 拉伸应力所在截面。
14
二、离心应力的计算
（二）变截面扭叶片的离心应力分析
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5~10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。
M(x)q(l x)2 2
根部截面有最大弯矩值：
M0
ql2 2
1Fl 2
20
三、动叶片的蒸汽弯曲应力计算
（一）变截面叶片的蒸汽弯曲应力计算
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：
M 12Fcl os12F1l
M 12Fsl in12F2l
21
三、动叶片的蒸汽弯曲应力计算
汽轮机原理强度计算
5-1 汽轮机零件强度计算的内容与方法
汽轮机结构组成： 转子：
主轴、叶轮、叶片、联轴器。 静子：
汽缸、汽缸法兰、法兰螺栓、隔板、叶片持环。 汽轮机所受应力组成：
拉伸应力、弯曲应力、扭转应力、剪切应力。
静应力：离心应力、弯曲应力、热应力； 动应力：动叶汽流、惯性质量力。
4
5-1 汽轮机零件强度计算的内容与方法
（一）变截面叶片的蒸汽弯曲应力计算
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。
圆周分力为：
F uz G b e(c 1co 1 s c 2co 2 ) sG u h tb e u z 1P 0 u ub 0 e0 z
18
6
5-2 动叶片的静强度计算
一、结构与受力分析
围带： 减小漏汽损失、增强叶 片抗弯刚度。 通过铆接、铆接加焊接 固定在叶顶上。
7
5-2 动叶片的静强度计算
一、结构与受力分析
拉筋： ✓调 整 叶 片 自 振 频 率 、
增强叶片振动阻尼。 ✓焊接拉筋、松拉筋 ✓产生流动损失
8
5-2 动叶片的静强度计算
汽轮机强度计算内容和方法：
汽轮机零件的强度计算是利用力学的基本理论与方 法，分析特定工作环境中各零件的受力特征，由受力截面 的几何参数，如截面积、惯性矩和极惯性矩等，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，如屈服极限、蠕变极限和持久强度极限，计算 出最大受力工况，最大应力水平所对应的三个安全系数， 取其中最小的安全系数作为强度设计与校核的依据。
这样，对于根部截面，叶片受到总的离心拉 应力为：
Fcs FcwFc
A(R)
16
三、动叶片的蒸汽弯曲应力计算
（一）等截面叶片的蒸汽弯曲应力计算
假设：
叶片看成是刚性固 定的悬臂梁；
蒸汽参数按一元流 动计算、蒸汽对叶片的 作用力沿高度是相同的；
确定最小主惯性轴 和最大主惯性轴；
17
三、动叶片的蒸汽弯曲应力计算
根据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。
15
二、离心应力的计算
（三）围带、拉筋对叶片离心应力的影响
叶片多用围带、拉金或者既有围带又有拉金 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。
10
二、离心应力的计算
（一）直叶片的离心应力计算
距叶根x处的界面上的离心力为：
距叶根x处的界面上的离心应力为：
只要己知截面积沿叶片高度的变 化规律，便可用解析法或数值积分法 求出积分值。
11
二、离心应力的计算
（一）直叶片的离心应力计算
1.离心应力正比于叶片高度、平均半径、材料 密度、角速度的平方，且与界面形状有关。