叶片结构和强度计算.docx

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1、透平强度与振动哈尔滨工业大学能源学院强度振动实验室主讲人：张广辉第一章叶片结构和强度计算1 .叶片结构2 .叶片强度计算3 .叶片截面的几何特性4 .叶根和轮缘的强度计算5 .叶片的高温蠕变6 .叶片材料和强度校核秦山核电二期核电汽轮机LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT三菱重工600MW汽轮机9FA燃气轮机立剖0 mn负载联轴器轴向/径向进气直径向螭承压气机动升压气机中刚性前支撑轮盘拉杆式结峋进气缸水平中分面eh燃烧室前板.反向流燃烧室 燃料分配器.燃烧室火焰筒冲击冷却燃烧室过渡段IE.第一板喷嘴画.第一级静叶护环 国.透平动叶排氨犷压器函.排气

2、虹热电偶1-1叶片结构叶片a压，机隐手叶片 b压气机精子叶片e询轮导向叶月d涡轮转于叶片叶片结构示意图1-1叶片结构叶型部分叶型的设计除满足气动要求以外，还要满足强度和加工方面的要求。 10叶型沿叶高相同，加工简单强度差。/厂等截面:变截面：j叶型沿叶高变化，从气动方面考虑：其目的是改善流动和减小离心力；从强度方面考虑：为了充分利用材料强度。LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION式中：葭是级的平均直径,是叶局。1-1叶片结构叶根部分叶根部分是将叶片固定在叶轮或转鼓上的连接部 分，其结构形式取决于强度、制造和安装工艺条件以及 转子的结构形式。叶轮与轮缘的固定应

3、该是牢靠的，在任何运行条 件下保证叶片在转子中未知不变。叶根结构在满足强度条件下，结构尽可能简单， 制造方便，使轮缘的轴向尺寸最小以缩短整个通流部分 的轴向长度。常用的叶根形式：T型、叉型、纵树型、菌型及 燕尾型等。LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HITT形叶根结构简单，加工装配方便、工作可靠，较短叶片普遍采用叶根部分1-1叶片结构LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HITT形叶根的安装圆周向装配式叶根窗口：长度略大于叶 片节距，宽度比叶根 宽 0.020.05mm封口叶片缺点：叶片损坏时增加拆卸工作量叉形叶根

4、避免了 T型叶根使轮 缘两侧张开引起的应力，强 度适应性好，随叶片离心力 增大，叉数可以增多，但是 装配比较费时，通常在整锻 转子和焊接转子上不使用。 中长叶片较多采用。1-1叶片结构根树型叶根枫树型叶根广泛地应用于 燃气轮机的透平叶片上，很多大 功率蒸汽轮机的末级叶片也采用 枫树型叶根。1-1叶片结构叶根部分枫树型叶根的优缺点:优点：、拆装方便.2、叶根采用全劈形，所以叶根和对应的轮缘承载面都接 近于等强度，在相同尺寸下，枫树形叶根承载能力强。3、在叶根和叶轮槽中，齿的非承载面一变有间隙，可利 此间隙进行空冷；同时松动配合叶片可以自动定心；间隙存在 允许叶根和轮缘在受热后膨胀，减小热应力。缺

5、点.由于外形复杂，装配面多，为保证各对齿接触良好，所 以加工精度要求高，工艺复杂；由于齿数多，并受到叶根尺寸 限制，所以过渡圆角不易大，易引起应力集中。LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HITSir 1-1叶片结构叶根部分除以上三种叶根之外，还有外包型叶根（菌形叶根） 和燕尾形叶根等。菌形叶根燕尾形叶根LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT1-1叶片结构叶顶部分叶片由围带、拉金联在一起后称为叶片组。否则称为自由叶片。汽轮机：叶片通常用围带、拉金联接，只有末级长叶片为自由叶片。 燃气轮机：很少连成叶片组。围带：

6、通常为3 5mm厚的扁平金属带，用钏接的方法固定在顶，现在大多数叶片都是自带围带的。拉金：一般是612mm的金属丝或金属管，穿过叶片中间的拉金 孔， 用银焊焊牢的称为焊接拉金，不焊且与拉金孔有间隙的称为 松装拉金。围带和焊接拉金都能增加叶片的刚度，减小叶片的弯应力，同 时改变自身固有频率，避免共振。松装拉金可以增加阻尼，减小振 动应力，围带含有限制气流叶顶泄露的功能。LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HITLABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT1-1叶片结构含汽封结构的围带1-1叶片结构第一章叶片结构和强度计

7、算1 .叶片结构2 .叶片强度计算3 .叶片截面的几何特性4 .叶根和轮缘的强度计算5 .叶片的高温蠕变6 .叶片材料和强度校核1-2叶片强度计算一受力分析叶片所受的各种力:离心力气流力-叶片离心力H.围带拉金离心力扭转应力（忽略） 拉应力L静弯曲应叶片强-平均值分量-一扭转应力（忽畛 【静弯曲应力/度计算一随时间变化的分量T振动应力（用于振动计算）受热不均热应力（忽略）LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HITLABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT1-2叶片强度计算离心拉应力计算底部截面承受了整个型线部分的离

8、心力，故离心拉应力最大。叶型部分质量离心力:叶片底部截面应力：b=围带和拉金离心力：-C=/dFtcdRss s 5离心力之和:叶底拉应力： g0H 1-2叶片强度计算离心拉应力计算2、变截面叶片离心力计算微段“X的离心力为:1-2叶片强度计算离心力计算6521距离型线底部为为的截面上的离心力：3叶片任意截面上的离心拉应力为:2、变截面叶片离心力计算2表达式:仅仅是解析形式的，实际的强度i 采用数值的方法，如图所示：任意一段的离心力为：npaZ6（x）A咽b：=2、变截面叶片离心力计f实际计算中往往用下式计算离心拉引力:式中:PW5432一扬3 导8 JJJE Fj(xjR仆 + -4,J上式

9、中：为个小段重心半径4 =耳+为 故下又可写为:LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT65432nI Fj(x)厂3(6+与J 1-2叶片强度计算离心拉应力计算2、变截面叶片离心力计算式中表示该段重心距离叶底截面的距离:JTXj = Sj +ZAx 0其中5.可近似地等于f，而比较准确地计算时J 1为梯形重心至下点的距离，它等于：ladukai uki 5 UN ihinSITY AND VIBRATION HIT级12叶片强度计算气流弯应力计算I #il Ifl - 8,1， .，中.， h I IBBI * A n it a I r dee .

10、I . ？ reniperaliire/匕flow velocitv -dsSlator nozzlevanes B IwFi ，3， 7 , ， * Decreasing cross-section, acceleratedB B4 j Pressure/ a a b ugt r lq|bp b Constant pressureimpulse stageAbsolute velocity 3Conslanl 、（cross （ sectionL Rotor bladesTeinperaiure, velocity, pressure-xind vekKiivX），i in ri rvi i

11、 f vr i pfip? f irr 1。,气流力可视为均布力实际作用在叶片上的力是分布载荷，对于 + 1。的叶片，气流压力和 速度沿叶高变化不大，故可视为均布力。此时叶片可简化为：一端固定，承受均布载荷的悬臂梁。其均布载荷为：q离叶片底部界面距离为X的截面上的弯矩为:M(x)=q(l x)2危险截面叶片底部截面上的弯矩为:气流弯应力计算其中J为合力p与n-口轴的夹角0 = )Sarctand 1。,气流力可视为均布力为了决定危险截面中的最大弯曲应 力，必须找出通过截面形心的最小 惯性主轴II以及与之垂直的最大 惯性主轴口-n。如图所示p在这两个惯性主轴上的分力为:?! = P COS (/

12、)P? = P sin .LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT1-2叶片强度计算一气流弯应力计算LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HITp IC 0 S2PI .sinM 1二PuAy/,气流力可视为均布4两个惯性主轴方向的弯矩为：2M 和“ ？在叶片截面进气边、出 气边和背部上产生的弯应力分别为：M ,+ W.,L1JMeMl-IIM 2e4w进、出w进/【-I Ai-IIM 1 _ M ,3IV泮进、出青：进出气边和背部对最小惯性轴的截面系数:出气边和进气边对最大主惯性轴的截面系数I-I 1-2叶片强度

13、计算气流弯应力计算2、?1。、气流力可视为均布力特例：对于冲动式叶片，作用在叶片上的气流力p与n-n轴之间的夹角o 很小，可以忽略，这样，气流弯应力可作如下简化：可用上式求得最危险截面处的弯矩，剩余的求解过程与气流力均布时一样。若S 分布规律无法用解析式表示，则可用数值积分的方法计算。LAB ORATORY OF INTENSITY AND VIB RATION HIT离心弯应力计算1-2叶片强度计算1、产生离心弯应力的原因:如图所示：某截面以上叶片的重心与旋转 中心的连线与该截面的交点为E,当E与该截面 的形心C不重合时，离心力对该截面的作用是 偏心拉伸。等截面叶片 T 离心力不产生弯曲应力

14、变截面叶片 离心力一般会产生弯曲应力LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT离心弯应力计算3、求E点到惯性主轴的距离A和B急 1-2叶片强度计算离心弯应力计算 3求E点到惯性主轴的距离A和B如图所示：已知E点的坐标，则力臂A和B可以表示出来。急 1-2叶片强度计算离心弯应力计算 4、计算离心弯应力M二 CM 离心弯应力在a-a截面上引起的弯矩为：“JDM 口 二 C 越0I力矩Ma、Mb在背弧、进出气边上引起的应力为:Mbb进、出喉、出UULABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT(J t 0 ： 0上式中：B0

15、任意截面上各点的合成应力为:可以通过调整离心力的大小和符号（拉 伸或压缩）抵消或部分抵消气流弯应力 来减小叶片截面中的弯应力。再设计中 通过调整安装值b来实现。急 1-2叶片强度计算离心弯应力计算 5、最佳安装值b的选择安装值与偏心距呈线性关系安装值与离心力呈线性关系应力与按装气流弯应力、气流拉应力与安装值无关于直成线性关系右图中, 1M迂为亍和或者 门式又右口初所对应的曲线的交点M所 !对应的安装值即为最佳安 7装值。百图1-1G应力与安装值关系cm1-出应力线 2maxEu背应力线3一。应力与注意：上述方法不能完全抵消 叶片各截面的气流弯应力，因 为个截面形心的连线是一条空 曲线。强12钻

16、强度计算围带、拉金对气流弯应力的影响围带、拉金对叶片的影响:气流力使叶片变形:迫使拉金、围带变形:产生反弯矩思路：只要求出围带（拉金）的反弯矩，便可求出叶片组中叶片承受 的反弯矩和弯应力。以围带为例分析反弯矩的求解方法。前提假设：认为气流力作用在叶片截面的最大主惯性轴口-II平面内，即气流力与 n-n轴之间夹角Q等于零，叶片的弯曲平面是口一口平面，这样叶片的弯曲平面 和气流力作用平面是同一平面。1-2叶片强度计算期带、拉金对气流弯应力的影响I乙 八I71/:、/.变形y可分解为: 围带固定处,叶片挠度曲线在口-口平面内的转角为: ,决定围带的弯曲程度只引起围带在轴向倾斜一个角度储 转角f也可分

17、解为：k3ELS S取转折点A和C之间的围带为分离体，围带长 度为一个节距在转折点上，围带挠度的二 阶导数等于零，A、C点处的弯矩等于零，只 有切力Q的作用。故叶轮平面内围带作用在 叶片上的反弯矩M ；等于A点和C点的切力Q 对B点的力矩之和“=犯1=0,若围带和叶片为刚性联结，则AB段可当做一端固定的悬臂梁，悬臂端挠度为Es一围带材料的弹性模量;由图中4ABD可以看出8= sing q15一围带横截面的惯性矩。上式中B角的取值，对于等截面叶片B角沿叶高是常数；对变截面2 1B 0叶片底部截面的B角;P =民）+Bi3 3 I一叶片顶部截面的B角。下面讨论二的计算： d I将有围带联结的叶片当

18、作叶片顶部承受围带弯 矩Ms和沿叶高承受均布气流力q的悬臂梁看待。 叶片弯曲的挠度方程是式中e一叶片材料的弹性模量；I叶片截面的最小惯性矩;叶片承受的载荷q气流力的均布载荷密度。对等截面叶片积分上式，得到积分常数C可由边界条件求出,在叶片底部固定端的边界条件为-Y1 .当x=0时，挠度产0;2 .当x=0时，转角,二。将X=l代入上式，可求得叶片挠度曲线在顶部的转角引入底部截面所受的气流弯矩M 二华(1-34)引入叶片组刚性系数兀s_124x启经过整理后，转角公式简化为31 1 IUk 1+遥 3&o(0)3+加3(1+名)即可求得围带的反弯矩和叶片底上式代入(1-33)式得等截面叶片上作用的

19、围带反弯矩等截面叶片底部截面的弯矩M(0)和相应的弯应力。(0)为式中M。、。无围带时，叶 片底部截面的弯矩和弯曲力。于是，我们只需要通过(1-34)式求出兀 部的弯应力。从曲线图中可以看出，叶 片用围带联成叶片组后，叶片的气 流弯应力比不用围带联结的叶片气 流弯应力有所减小，随着刚性系数 %的增加，应力比值逐渐减小。对于等截面叶片，当趋近于2 无穷大时，应力比值 辛 趋于2/3。V A第一章叶片结构和强度计算L叶片结构2 .叶片强度计算3 .叶片截面的几何特性4 .叶根和轮缘的强度计算5 ,叶片的高温蠕变6 .叶片材料和强度校核1-3叶片截面的几何特性近似计算法 梯形法 高斯法叶片截面的几何特性是指叶片的截面积、形心坐标、惯性矩、截面系数等一 些和叶型几何形状和尺寸有关的数据。要计算叶片的拉伸应力和弯曲应力必须先知道叶片截面的几何特性。计算方法几何特性数据精度要求高I *-、叶片截面几何特性计算公式1.面积片王（1-36）