汽轮机零件强度教程.ppt

第5章 汽轮机零件的强度 5.1 汽轮机零件强度计算的内容与方法 强度的意义与强度分析计算的要素 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。 强度分析的分类 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。如动叶上的离心应力和汽流弯曲应力，转子和汽缸的热应力等。 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。如动叶和转子的振动等。 汽轮机零件的主要应力应变类型 拉伸应力 如动叶上的离心拉伸应力。 第5章 汽轮机零件的强度 弯曲应力 动叶上的汽流弯曲应力，转子、围带等弯曲应力。 扭转应力 转子扭转应力，长叶片扭转应力。 剪切应力 叶根销钉等的剪切应力。 基本方法 利用力学基本理论与方法，分析特定环境下各零件的受力特征，由受力截面的几何参数，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，计算出最大受力工况、最大应力水平所对应的屈服、蠕变和持久强度的三个安全系数。 5.2 动叶片的静强度计算 动叶片的受力与结构特征 受力特征 高温、高转速、高湿度、高汽流速度环境中，离心力的汽流力使动叶片发生拉伸、弯曲和扭转变形。 结构特征 叶顶(叶冠、围带和拉筋)、叶型和叶根三部分组成，叶型截面决定于空气动力学设计，叶根满足动、静强度设计要求。 5.2 动叶片的静强度计算 围带的作用 围带在热力设 计中起着减小叶顶漏汽和作用； 在静强度设计中起着减小动叶 弯曲应力的作用；在动强度设 计中，起着调整叶片自振频率、 减小叶片振动幅度和消耗、吸 收振动能量的作用。 拉筋主要起到调整叶片自振频 率、消耗吸收叶片振动能量的 作用。由于拉筋的存在破坏流 场，影响能量有效转换，仅在 特殊情况下使用。 叶根的型式 5.2 动叶片的静强度计算 动叶片离心应力计算 基本特征 对正装直叶片，离心力的作用中心 通过沿叶高的各截面形心，离心力仅产生拉伸变 形，即产生拉伸应力。但对扭叶片或偏装直叶片， 因沿叶高各截面离心力作用中心偏离形心，不仅 产生拉伸变形，而且还会产生弯曲变形，即既有 拉伸应力，又有弯曲应力。对长扭叶片，还会产 生扭转变形和扭转应力。 直叶片的离心应力 5.2 动叶片的静强度计算 离心应力正比于叶高、平均半径、材料密度、转速，且与截面形状有关。 等截面叶片的离心应力沿叶高减小，且与截面积无关，最大应力发生于叶根处。 减小叶根处的离心应力，可采用沿叶高逐 渐缩小的变截面叶片。 在叶高、截面形状确定后，降低叶片离心 应力的措施主要是采用轻质材料，如铝合金、 钛合金。 变截面扭叶片 形心是一条空间曲线， 沿叶高各截面离心力作用中心不但偏离形 心，而且方向与截面法线方向不一致。利 用力学中力的分解和平移原理，将离心力 平移到形心，得到与截面垂直的力和力偶矩。 5.2 动叶片的静强度计算 与截面法线方向一致的力产生拉伸应力，力偶矩产生弯曲应力。 叶片偏装 对等截成直叶片，沿叶高中心与叶轮的径向成一定角度，使沿叶高各截面的形心不在同一径向线上，这样的叶片安装方式称之为叶片偏装。叶片偏装后，由于离心力的作用中心偏离截面形心，不仅产生拉伸应力，而且还会产生弯曲应力。利用叶片偏装后产生的弯曲应力来部分抵消汽流力产生的弯曲应力，从而减小叶片净弯曲应力。 围带、拉筋对叶片离心应力的影响 围带和拉筋的存在，增大了叶片的惯性质量，必然增大离心作用力。利用对称受力特征，以一个节距的围带和拉筋为计算单位，其离心力集中作用在单叶片上。当围带、拉筋的离心力与计算截面的形心及法线方向偏离时，不仅产生拉伸应力，还会产生弯曲应力。 蒸汽弯曲应力计算 基本特征 汽流力截面法线方向垂直，因此对动叶片产生弯曲应力。汽轮机叶片截面为不对称结构，在计算弯曲应力时，应首先 5.2 动叶片的静强度计算 求出截面形心和通过截面形心的最大、最小主惯性轴，以及对最大、最小主惯性轴的主惯性矩 和 ；然后，计算沿叶高的轮周向及轴向汽流力的线密度，其合力分解到最大、最小主惯性轴上，即得相对于最大、最小主惯性轴的汽流力分量；将动叶片当作悬臂梁，最大弯曲应力发生在叶片根部，分别计算出离形心最远点处的弯曲应力，并作矢量合成，求得最大弯曲应力。 影响动叶片汽流弯曲应力的因素 汽流力 轴向力 轮周向力 随着机组功率增大，流量增大，引起汽流力增大，动叶片的弯曲随之增大。叶片数增多，单位叶片所受的汽流减小，弯曲应力则减小。部分进汽