汽輪機原理

第六章汽輪機主要零件結(jié)構(gòu)與振動熱工與動力研究所盛德仁教授E-mail:shengdr@聯(lián)系電話13906534086第一節(jié)汽輪機靜止部分結(jié)構(gòu)汽缸、隔板是汽輪機靜止部分的主要部件。汽缸是受力和結(jié)構(gòu)形狀都十分復(fù)雜的殼體。它受到的載荷主要由缸內(nèi)外的壓差、溫度分布與變化、以及安裝在汽缸上的部件和管道所造成。汽輪機由于工質(zhì)參數(shù)的逐級變化，汽缸各段所承受的壓差和溫度也是變化的，這樣汽缸各段的厚度也隨之變化，不同蒸汽參數(shù)下的汽缸材料也有所不同。汽缸上要安裝噴嘴室、導(dǎo)葉環(huán)、隔板和隔板套，還要連接進、排汽和抽汽管道，因此，汽缸要承受自重及其連接的凝汽器的部分質(zhì)量和其他連接部件的作用力。為了便于安裝轉(zhuǎn)子和隔板等，汽缸往往分為上下兩半，水平中分面通過法蘭和螺栓連接密封。汽缸與進、排汽和抽汽管道的連接以及與冷凝器的連接亦均通過法蘭和螺栓方式聯(lián)結(jié)。現(xiàn)代汽輪機為了解決高參數(shù)下汽缸面臨的高載荷問題，也有采用圓筒汽缸的，由于沒有中分面，汽缸的受力狀態(tài)得到優(yōu)化，汽缸的膨脹與變形、載荷承載能力等都比上下分兩半的汽缸好。當(dāng)然，其制造和安裝也需要滿足更高要求。一、汽缸（一）汽缸的結(jié)構(gòu)形式

1．蒸汽室的布置特點2．高、中壓汽缸的結(jié)構(gòu)特點3．調(diào)節(jié)閥的布置4．排汽缸結(jié)構(gòu)一、汽缸(a)與汽缸鑄成整體(b)單獨鑄造后再組裝（二）汽缸的支承一、汽缸（二）汽缸的支承

一、汽缸1—內(nèi)汽缸；2—內(nèi)缸連接螺栓；3—內(nèi)上缸；4—外下缸；5—外缸連接螺栓;6—外上缸；7—軸承座；8—支承墊片內(nèi)缸在外缸中的支承（三）汽缸熱膨脹及滑銷系統(tǒng)單缸汽輪機滑銷系統(tǒng)一、汽缸A、B—橫銷；C、D—立銷；F、E—縱銷；O—死點二、隔板隔板與靜葉（焊接隔板、鑄造隔板）1—噴嘴葉片；2—內(nèi)圍帶；3—外圍帶；4—隔板外緣；5—隔板體；6—焊縫焊接隔板第二節(jié)汽輪機轉(zhuǎn)動部分機構(gòu)

一、轉(zhuǎn)子整鍛轉(zhuǎn)子

整鍛轉(zhuǎn)子套裝轉(zhuǎn)子

套裝轉(zhuǎn)子焊接轉(zhuǎn)子焊接轉(zhuǎn)子圖(a)、(e)，等厚度葉輪，輪緣線速度不大(120—130m/s以下)，整鍛轉(zhuǎn)子高壓部分;圖(b)，變厚度葉輪，圓周速度到達170m/s;圖(c)、(f)，錐形葉輪，圓周速度在l50—300m/s;圖(d)，雙曲線剖面葉輪，雙列速度級；圖(g)，等強度葉輪，圓周速度超過400m/s。二、葉輪葉輪的結(jié)構(gòu)三、葉片（一）葉片結(jié)構(gòu)1、葉片的結(jié)構(gòu)：葉型－作用：汽輪機的主要通流部分，承擔(dān)把蒸汽的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的任務(wù)，要求有好的汽動特性，比如型線、進汽角、出汽角等。葉根－作用：把葉片牢固地固定在輪緣上。葉頂－作用：汽流通道的上表面，可減少漏汽損失。并通過圍帶的不同結(jié)構(gòu)起到調(diào)整葉片頻率作用。拉金——葉片調(diào)頻。2、葉片分類按葉片截面沿葉高變化的規(guī)律分：（1）等截面葉片：葉片的截面處處相等，適用于短葉片，即徑高比（2）變截面葉片（扭葉片）：葉片高度增大后為提高葉片的效率，葉片的型線沿高度變化，為了改善葉片的強度條件，自下而上葉片截面積縮小。三、葉片3、葉根的分類倒T型－簡單，強度條件差，發(fā)展為雙倒T型安裝方式：圓周向裝配方式外包T型－改善輪緣向外彎曲叉型－長葉片－插入裝配縱樹型－長葉片、葉根與輪緣截面接近于等強度—軸向裝配。葉根的選型是根據(jù)受力情況和加工的工藝習(xí)慣。

T型葉根外包T型叉型縱樹型三、葉片圍帶:作用：減小葉頂漏汽損失；增加葉片抗彎剛度，采用不同結(jié)構(gòu)可以進行葉片調(diào)頻。型式：整體圍帶。與葉型部分同時制成。裝配圍帶。由薄鋼板或帶制成，通過鉚接或焊接固定在葉頂上。長葉片為了減小離心力，取消圍帶。采取頂部削薄，并減小葉頂徑向間隙。拉金：作用：調(diào)整葉片的自振頻率，增強葉片振動阻尼。型式：拉金由直徑為5-12mm的細金屬絲或管組成。貫穿于葉型段的拉金孔中。若與葉片焊接—緊拉金（焊接拉金）不與葉片焊接—松拉金拉金置于動葉流道內(nèi)，造成流動損失，降低經(jīng)濟性，只有在葉片振動特性迫切需要才使用。N300低壓第三級葉片（252mm）N135機組末級葉片（710mm)第三節(jié)葉片振動一、葉片振動及相關(guān)概念

（一）葉片的振動與共振

汽輪機葉片在受到蒸汽平均作用力，進行高速旋轉(zhuǎn)的同時，還受到因汽流不均勻產(chǎn)生的激振力作用，激起葉片的振動。葉片是在振動狀態(tài)下工作。激振力由結(jié)構(gòu)因素、制造和安裝誤差及工況變化等原因引起，一般處于隔板噴嘴的某些部位，因葉片高速旋轉(zhuǎn)，所以激振力對葉片的作用是周期性的。

葉片的振動分為兩大類：自由振動、強迫振動（一）葉片的振動與共振1、自由振動：葉片是一個彈性體，若在外力作用下迫使其離開原平衡位置，當(dāng)外力除去，葉片將在原平衡位置的兩側(cè)作往復(fù)自由振動，其振動頻率為葉片的自振頻率。

1）振動的頻率稱為自振頻率，取決于

葉片本身的形狀、尺寸、材料；

葉片的邊界條件，如葉根的緊固程度，有無圍帶、拉筋等；2）葉片在自振過程中，若受到阻尼作用，振動將逐漸衰減、直至消失，回到原來的平衡位置，振動振幅隨時間變化的過程可用曲線表示。3）振幅按指數(shù)規(guī)律遞減，而頻率基本不變。葉片在工作時的阻尼主要來自兩方面：材料本身的內(nèi)摩擦，介質(zhì)的粘性阻尼。（一）葉片的振動與共振2、強迫振動1）當(dāng)γ=0時，激振力為穩(wěn)定的靜負荷時，β=1，振幅即靜位移；2）當(dāng)沒有阻尼ξ=0，在激振頻率等于自振頻率時，β無限大，將發(fā)生共振破壞；3）有阻尼時，阻尼系數(shù)ξ增大，β值降低；4.03.0

2.01.0

01.02.03.00.250.5β（二）激振力及其頻率

葉片的激振力從總體來講，是由于一個級中汽流的流場不均勻所致。噴嘴后的不均勻汽流力，作用在葉片上，就能激起葉片的振動。造成流場不均勻的因素：（1）葉柵尾跡擾動（2）結(jié)構(gòu)擾動，部分進汽，抽汽口、排汽管，葉柵節(jié)距偏差等原因引起汽流流場不均勻。自由葉片的振型1、切向振動1）A型振動葉片在激振力作用下振動，頂端也振動。按自振頻率由低到高，振型曲線為

動畫一階二階三階振型曲線為上A0A1A2型振動不動的節(jié)點數(shù)增加

A0是在最低的自振頻率下振動，頂部振幅最大，自上而下逐漸減小，只有根部不動。2）B型振動葉片葉身振動，頂端不振動，稱B型振動。自由葉片不發(fā)生上述振型中

A0型最危險，B0型次之動畫

一階二階三階振型

B0B1B22、軸向振動振動沿最小主慣性軸（I－I）方向（繞最大慣性軸）的振動稱軸向振動。理論上有A0、A1，但軸向慣性矩大，振動頻率高，不易出現(xiàn)有節(jié)點的軸向振動。（三）單個葉片（自由葉片）的振型（三）單個葉片（自由葉片）的振型3、扭轉(zhuǎn)振動葉片各個橫截面重心的連線，組成了一條軸線，當(dāng)葉片受到一個繞軸線來回變化的交變扭矩時，發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動，常在長葉片中出現(xiàn)。一階振型－所有截面發(fā)生同方向的來回扭轉(zhuǎn)，頂部轉(zhuǎn)角最大，把葉片中不扭轉(zhuǎn)的線稱為節(jié)線，一階振型只有一條節(jié)線。扭振頻率越高，節(jié)線越多。分別為T1，T2…型扭振。葉片組的振型1、切向振動以圍帶連接為例根據(jù)葉片頂部是否振動，分A型、B型。1）A型振動各葉片振動方向相同，葉片頂部的振幅最大，組內(nèi)各葉片受到圍帶的牽聯(lián)，振動頻率相同。隨頻率升高，節(jié)點的數(shù)目增加。依次為A0、A1、A2….型。

A0型最危險。當(dāng)有拉金時，節(jié)點往往在拉金附近。2）B型振動葉身振動時，葉頂?shù)膰鷰Щ静粍?，稱為B型振動。葉身上沒有節(jié)點的稱為B0型。是型振動中最危險的。根據(jù)組內(nèi)葉片的振動方向可分為：B01型：葉片組中心線兩側(cè)等距離的葉片振動相位雙雙相反，對圍帶的作用力剛好相反，兩側(cè)作用于圍帶的力可抵消，圍帶不動。B02型：葉片組中心線兩側(cè)等距離的葉片振動相位雙雙相同，對圍帶的作用力基本平衡，圍帶不動。組內(nèi)各葉片的振動頻率也不相同，而是略有大小的一組頻率數(shù)值－頻帶，不容易避開激振力頻率。隨著頻率的提高，葉身上的節(jié)點數(shù)會增多，依次出現(xiàn)B1、B2…型。葉片組的振型葉片組的振型2、軸向振動及軸向扭轉(zhuǎn)振動同組中兩部分葉片各作反方向振動，圍帶上出現(xiàn)不振動的節(jié)點，也有T1型、T2型…..等，每一葉片的振動同時伴有葉片的扭轉(zhuǎn)振動。軸向振動要與葉輪的軸向振動來共同分析。葉片組的振型3、扭轉(zhuǎn)振動（1）葉片組內(nèi)各個葉片的扭振—節(jié)線扭振（2）葉片組扭振—

節(jié)點扭振今后我們主要討論切向振動，因為（1）切向振動是繞葉片最小主慣性軸的振動，即使很小的激振力也可能激發(fā)相當(dāng)大的振動；（2）討論彎曲應(yīng)力時，蒸汽對葉片作用力的方向幾乎是這個方向，作用力最大；切向振動容易發(fā)生且比較危險。特別關(guān)注低頻的A0，B0，A1型（五）葉片振動損壞的特征當(dāng)葉片由于發(fā)生共振而損壞時，因其受到的是往復(fù)交變的應(yīng)力，表現(xiàn)為疲勞損壞的特征，其斷面較光亮平整，具有貝殼紋路。由其斷口金相圖中可看出疲勞損壞逐漸發(fā)展的過程，也可看出損壞的起始點和破裂發(fā)展的方向。當(dāng)斷裂面積逐漸擴大時，葉片強度顯著降低，最后因應(yīng)力過大而被拉斷。其被拉斷的區(qū)域，斷面呈現(xiàn)出高低不平狀。二、單個葉片自振特性計算一般說明（1）葉片的自振頻率葉片頻率分：靜頻率：葉片或葉片組在不轉(zhuǎn)動時所具有的自振頻率；動頻率：葉片或葉片組在轉(zhuǎn)動的葉輪上所具有的自振頻率；動頻率不同于靜頻率，因為轉(zhuǎn)動時葉片受到離心力的作用，另外根部緊固條件也要發(fā)生變化。一般指靜頻率。（2）葉片頻率求取的方法：試驗法：當(dāng)葉片制造并安裝好以后，可采用試驗方法測定葉片靜頻率的數(shù)值，對于長葉片還可測取相應(yīng)的振型。但是目前測動頻率比較困難。計算法：當(dāng)對葉片進行改型或設(shè)計新葉片時，由于無實物無法測定。對于設(shè)計葉片用計算方法求取各階振型的自振頻率，預(yù)先分析是否會發(fā)生共振，以選擇最佳的設(shè)計方案。（三)影響自振頻率的因素

1、工作溫度在葉片自振頻率計算時，包括建模，確定積分常數(shù)－邊界條件時，做過假定：（1）

假定葉片根部剛性固定在葉輪（2）

不計葉片振動彎曲時剪力對擾度的影響（3）

沒有考慮工作溫度的影響（4）

沒有考慮轉(zhuǎn)速的影響

假定必須加以修正。（1）（2）假定用葉根緊固修正系數(shù)修正（3）用溫度修正系數(shù)修正（4）提出動頻率的概念（三)影響自振頻率的因素2、葉根牢固性（1）

影響分析推導(dǎo)公式過程中，邊界條件為：根部無位移根部無彎曲

絕對的剛性無法做到，一方面葉根與輪緣是金屬，彈性體，厚度有限，受力后發(fā)生彈性形變，根部不可能不動，另一方面，根部與輪緣，葉根和葉根之間的配合，不可能完全緊密貼合，難免有間隙，高溫下輪緣的膨脹大些，所以葉根振動時，相對于輪緣有松動。葉片振動的影響，一使葉片的抗彎剛度減小，二是葉片的振動并沒有在葉身的底部截面上終止，要延伸到葉根中，相當(dāng)于葉片振動部分的長度增加，參加振動的質(zhì)量變大，這些影響使葉片的自振頻率降低。葉片動頻率

1、動頻率：考慮葉片離心力影響后的葉片振動頻率。2、影響動頻率的主要因素（1）當(dāng)葉片隨轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，葉片振動受力的情況發(fā)生變化，除了彈性力，慣性力，還有離心力，離心力對葉片將產(chǎn)生一個附加彎矩，阻止振動葉片的彎曲變形，相當(dāng)于增加葉片的抗彎剛度，使葉片振動頻率升高。（2）葉片轉(zhuǎn)動由于離心力的作用，有可能使葉根松動，從而使自振頻率下降，若葉輪剛度較低，這項影響可能大于葉片離心力產(chǎn)生的反彎矩，使葉片的動頻率反而比靜頻率低。（3）振型不同，離心力影響不同

A0

軸向振動低階振動

B0

切向振動高階振動：節(jié)點多，振幅小，離心力對頻率的影響小葉片頻率的測定與調(diào)頻（一）靜頻率測定：轉(zhuǎn)子靜止?fàn)顟B(tài)下測定葉片的自振頻率1、自振法：簡單，只能測A0型振動的頻率，用于測長葉片。李沙茹圖，示波器的熒光屏上出現(xiàn)穩(wěn)定的橢圓或圓，則音頻信號發(fā)生器的頻率是被測葉片的自振頻率。

李沙茹圖形五、葉片頻率的測定與調(diào)頻2、共振法：利用共振原理測。音頻信號經(jīng)放大送至激振器，轉(zhuǎn)換為拉桿的機械振動，使葉片發(fā)生強迫振動，共振時葉片振幅達最大值。根據(jù)李沙茹圖和數(shù)字頻率計數(shù)器可確定葉片的自振頻率值。葉片頻率的測定與調(diào)頻（三）葉片的調(diào)頻調(diào)頻前，應(yīng)檢查安裝質(zhì)量。影響葉片自振頻率的主要因素（葉片質(zhì)量與剛度）。當(dāng)質(zhì)量減少，剛度增加時，自振頻率增加；反之則自振頻率降低。常用調(diào)頻措施：1.在拉金或圍帶與葉片連接處加焊，增加連接牢固性和固定剛度，提高自振頻率。2.改變成組葉片的葉片數(shù)。增加組內(nèi)的葉片數(shù)，可增加每一葉片平均所分擔(dān)的拉金或圍帶的反彎矩，因而使自振頻率增加，但是當(dāng)