汽轮机-第五章课件

5 汽轮机零件的强度校核汽轮机零件的强度校核5 汽轮机零件的强度校核第五章汽轮机零件的强度校核1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汽轮机零件的强度校核第一节 汽轮机零件强度校核概述5 汽轮机零件的强度校核25.1 汽轮机零件强度校核概述汽轮机零件强度校核概述5.1.1 零件强度校核的目的、零件强度校核的目的、分析计算的要素与分类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5.1.1 零件强度校35.1 汽轮机零件强度校核概述汽轮机零件强度校核概述(作业作业)1.试述零件强度校核的目的。2.2.强度分析、计算的三个主要因素是什么？5.1 汽轮机零件强度校核概述(作业)1.试述零件强度校45.6 汽轮机叶片的动强度汽轮机叶片的动强度5.6.1 叶片动强度概念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。5.6 汽轮机叶片的动强度5.6.1 叶片动强度概念51.低频激振力低频激振力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 汽轮机叶片的动强度汽轮机叶片的动强度 低频激振力低频激振力产生的原因喷嘴出口边缘厚度不均匀，造62.高频激振力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的振型单个叶片弯曲振动5.6 汽轮机叶片的动强度汽轮机叶片的动强度 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7a)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汽轮机叶片的动强度 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8b)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92.叶片组的振型叶片组的振型5.6 汽轮机叶片的动强度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 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105.6 汽轮机叶片的动强度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。型振动。其中A0型最危险。根据出现节点的多少，依次称5.6 汽轮机叶片的动强度对于B型振动，没有节点的B0型11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汽轮机叶片的动强度整圈自锁阻尼长叶片整圈自锁阻尼长叶片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12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汽轮机叶片的动强度动静频率关系-离心力使叶片自振频率升高，故同阶次的动频13 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，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14 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，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152.叶片动频率的测定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汽轮机叶片的动强度 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165.6.6 叶片动强度的安全准则和调频叶片动强度的安全准则和调频1.概述：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振动强度安全准则。5.6 汽轮机叶片的动强度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。5.6.6 叶片动强度的安全准则和调频1.概述：5.17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汽轮机叶片的动强度主要特点：采用表征叶片抵抗疲劳破坏能力的安全倍率Ab这一概18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汽轮机叶片的动强度耐振强度表示材料在承受动静应力时的一种机械性能。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195.6 汽轮机叶片的动强度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在某一温度和某一静应力下，对 205.6 汽轮机叶片的动强度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。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。4.4710324.185.066.253.712111094k3.83.94.07.8Ab不调频叶片不调频叶片A0型振动的型振动的Ab值值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215.6 汽轮机叶片的动强度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：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22b)B0型振动频率与znn的避开要求当要求某叶片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。B0型振动频率与znn的避开要求当要求某叶片的动频率避开高23若叶片组B0型振动的Ab值是小于10的较大值，如Ab=49，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汽轮机叶片的动强度若叶片组B0型振动的Ab值是小于10的较大值，如Ab=4924a)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汽轮机叶片的动强度 重新安装叶片、改善安装质量5.6 汽轮机叶片的动强度255.6 汽轮机叶片的动强度（作业）汽轮机叶片的动强度（作业）1.画出单个叶片切向振动的振型。2.试述最危险共振为哪三种？3.解释调频叶片和不调频叶片。4.电厂常用调频方法。5.6 汽轮机叶片的动强度（作业）1.画出单个叶片切向振265.8 汽轮发电机组的振动汽轮发电机组的振动汽轮发电机组转子振动类型：横向振动、轴向振动（蹿轴）、扭转振动。5.8.1 汽轮机转子的横向振动汽轮机转子的横向振动1.转子临界转速概念转子临界转速概念概念：启动或停机过程中出现振幅峰值的转速称为转子临界速度，由低到高依次为第一、二、阶临界转速，并用nc1、nc2、表示。以汽轮机的工作转速高于还是低于第一临界转速分类，把转子分为挠性转子和刚性转子两大类，的转子称为挠性转子，的转子称为刚性转子。若挠性转子的工作转速介于 之间，则临界转速应满足下列安全要求：5.8 汽轮发电机组的振动汽轮发电机组转子振动类型：横向27对刚性转子、第一临界转速一般应为2.单个圆盘转子的横向自振频率单个圆盘转子的横向自振频率物理意义：转子弹性恢复力等于转子离心力时，偏心力无弹性力平衡，只靠阻尼力，出现最大振幅。根据转子振动中弹性恢复力和惯性力平衡的关系得：令：(5.8.1)(5.8.2)5.8 汽轮发电机组的振动汽轮发电机组的振动对刚性转子、第一临界转速一般应为单个圆盘转子的横向自振频率物28其解为：(5.8.4)式中 -转子自由振动圆频率设 时，可解得：5.8 汽轮发电机组的振动汽轮发电机组的振动转子自由振动的振幅A与相位角，初位移x0和初速度v0有关。令 而转子的自振频率只与转子的质量和钢度系数有关，与初始条件无关，即与激振力大小无关，有式（5.8.2）得自振频率计算式：(5.8.5)其解为：(5.8.4)式中 -转子自由振动圆频293.单个圆盘转子由于质量不平衡引起的振动单个圆盘转子由于质量不平衡引起的振动5.8 汽轮发电机组的振动汽轮发电机组的振动运动微分方程：设在系统横向各向同性，即 ，则上两式的解将上式代入原方程：单个圆盘转子由于质量不平衡引起的振动5.8 汽轮发电机组305.8 汽轮发电机组的振动汽轮发电机组的振动无阻尼转子振动的幅频特性）：）：）：没有力平衡，振幅被放大，在与阻尼的情况下，由阻尼力平衡，振幅达到一个极值，极值大小决定于阻尼。临界转速的另一定义：偏心力引起的激振力频率等于横向自振力频率。5.8 汽轮发电机组的振动无阻尼转子振动的幅频特性）：315.8 汽轮发电机组的振动汽轮发电机组的振动）：）：有阻尼时的幅频特性运动微分方程：如各向同性，。解：令5.8 汽轮发电机组的振动）：有阻尼时的幅频特性运动微325.8 汽轮发电机组的振动汽轮发电机组的振动在 取不同值时，的关系曲线：（图）：）：）：）：5.8 汽轮发电机组的振动在 取不同值时，335.8 汽轮发电机组的振动汽轮发电机组的振动）：，所以有阻尼时，转子振幅极大值对应的 4.单圆盘转子的相频特性单圆盘转子的相频特性解得：）：）：）：）：）：5.8 汽轮发电机组的振动）：345.转子找动平衡两个线形条件转子找动平衡两个线形条件在转子转速一定，阻尼系数一定时；转子振动振幅与不平衡质量大小成正比：偏心离心力超前振幅的相位角为一常数：5.8 汽轮发电机组的振动汽轮发电机组的振动6.刚性转子动平衡原理及刚性转子动平衡原理及模拟实验模拟实验系统系统说明说明5.8.2 汽轮发电机组的轴系扭振汽轮发电机组的轴系扭振汽轮发电机组的轴系扭振原因是轴承中心，转子轴心，旋转中心三者不在同一直线上。电网和汽轮发电机组的非正常运行都可能导致轴系扭振，其中次同步共振、超同步共振以及短路引起的扭振对轴系的威胁最大。转子找动平衡两个线形条件在转子转速一定，阻尼系数一定时；5355.8 汽轮发电机组的振动（作业与思考）汽轮发电机组的振动（作业与思考）1.什么是转子的临界转速？2.转子找动平衡两个线形条件是什么？3.什么是刚性转子？什么是挠性转子？5.8 汽轮发电机组的振动（作业与思考）1.什么是转子的365.9 汽轮机主要零件的热应力及汽轮机寿命管理汽轮机主要零件的热应力及汽轮机寿命管理5.9.1 热应力、热变形热应力、热变形汽轮机启动或停机过程中，对其零件而言，是加热和冷却的过程，这些零件由于温度变化而产生的膨胀或收缩变形称为热变形；又温度变化引起的应力称为温度应力，又称热应力。热应力产生条件：有温度变化，(必有热变形)热变形受到限制5.9.2 汽轮机的寿命管理汽轮机的寿命管理机组寿命有两部分组成，其一是无裂纹的新零件投入运行至零件出现第一条宏观裂纹的工作时间，称为无裂纹寿命 ；其二由初始裂纹开始在交变热应力作用1.汽轮机寿命汽轮机寿命5.9 汽轮机主要零件的热应力及汽轮机寿命管理5.9.37下逐渐扩展到临界裂纹的工作时间，称为裂纹扩展寿命 ，零部件的总寿命为 。对汽轮机寿命损耗的估算，应同时考虑疲劳损伤和蠕变损伤两方面因素。如果不考虑两种损伤性质的区别以及疲劳和蠕变交互作用的影响，转子总寿命损耗率为两者之和。即：如果两者寿命损耗率之和达到100%，则认为转子钢材的无裂纹寿命已经耗尽。2.汽轮机寿命损耗汽轮机寿命损耗 ：疲劳寿命损耗率；：蠕变寿命损耗率。汽轮机在服役期内可能的变工况运行方式。汽轮机在服役期内可能的稳定工况种类。5.9 汽轮机主要零件的热应力及汽轮机寿命管理汽轮机主要零件的热应力及汽轮机寿命管理下逐渐扩展到临界裂纹的工作时间，称为裂纹扩展寿命 ，零385.9 汽轮机主要零件的热应力及汽轮机寿命管理（作业与思考）汽轮机主要零件的热应力及汽轮机寿命管理（作业与思考）1.产生热应力的条件是什么？2.怎样估算汽轮机寿命损耗？5.9 汽轮机主要零件的热应力及汽轮机寿命管理（作业与思39