第六章汽輪機(jī)主要零件與振動(dòng)

汽輪機(jī)原理

第六章汽輪機(jī)主要零件結(jié)構(gòu)與振動(dòng)熱工與動(dòng)力研究所盛德仁教授E-mail:shengdr@聯(lián)系電話(huà)13906534086第一節(jié)汽輪機(jī)靜止部分結(jié)構(gòu)汽缸、隔板是汽輪機(jī)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(jī)由于工質(zhì)參數(shù)的逐級(jí)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(jìn)、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(guò)法蘭和螺栓連接密封。汽缸與進(jìn)、排汽和抽汽管道的連接以及與冷凝器的連接亦均通過(guò)法蘭和螺栓方式聯(lián)結(jié)?，F(xiàn)代汽輪機(jī)為了解決高參數(shù)下汽缸面臨的高載荷問(wèn)題，也有采用圓筒汽缸的，由于沒(méi)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(mǎn)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(diǎn)2．高、中壓汽缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(dú)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(xiāo)系統(tǒng)單缸汽輪機(jī)滑銷(xiāo)系統(tǒng)一、汽缸A、B—橫銷(xiāo)；C、D—立銷(xiāo)；F、E—縱銷(xiāo)；O—死點(diǎn)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分機(jī)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(dá)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(jí)；圖(g)，等強(qiáng)度葉輪，圓周速度超過(guò)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(jī)的主要通流部分，承擔(dān)把蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的任務(wù)，要求有好的汽動(dòng)特性，比如型線、進(jìn)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(guò)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(lèi)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(qiáng)度條件，自下而上葉片截面積縮小。三、葉片3、葉根的分類(lèi)倒T型－簡(jiǎn)單，強(qiáng)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(zhǎng)葉片－插入裝配縱樹(shù)型－長(zhǎng)葉片、葉根與輪緣截面接近于等強(qiáng)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(shù)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(jìn)行葉片調(diào)頻。型式：整體圍帶。與葉型部分同時(shí)制成。裝配圍帶。由薄鋼板或帶制成，通過(guò)鉚接或焊接固定在葉頂上。長(zhǎng)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(qiáng)葉片振動(dòng)阻尼。型式：拉金由直徑為5-12mm的細(xì)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(dòng)葉流道內(nèi)，造成流動(dòng)損失，降低經(jīng)濟(jì)性，只有在葉片振動(dòng)特性迫切需要才使用。N300低壓第三級(jí)葉片（252mm）N135機(jī)組末級(jí)葉片（710mm)第三節(jié)葉片振動(dòng)一、葉片振動(dòng)及相關(guān)概念

（一）葉片的振動(dòng)與共振

汽輪機(jī)葉片在受到蒸汽平均作用力，進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，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(dòng)。葉片是在振動(dòng)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(duì)葉片的作用是周期性的。

葉片的振動(dòng)分為兩大類(lèi)：自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)（一）葉片的振動(dòng)與共振1、自由振動(dòng)：葉片是一個(gè)彈性體，若在外力作用下迫使其離開(kāi)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(dòng)，其振動(dòng)頻率為葉片的自振頻率。

1）振動(dòng)的頻率稱(chēng)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(wú)圍帶、拉筋等；2）葉片在自振過(guò)程中，若受到阻尼作用，振動(dòng)將逐漸衰減、直至消失，回到原來(lái)的平衡位置，振動(dòng)振幅隨時(shí)間變化的過(guò)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(shí)的阻尼主要來(lái)自?xún)煞矫妫翰牧媳旧淼膬?nèi)摩擦，介質(zhì)的粘性阻尼。（一）葉片的振動(dòng)與共振2、強(qiáng)迫振動(dòng)1）當(dāng)γ=0時(shí)，激振力為穩(wěn)定的靜負(fù)荷時(shí)，β=1，振幅即靜位移；2）當(dāng)沒(méi)有阻尼ξ=0，在激振頻率等于自振頻率時(shí)，β無(wú)限大，將發(fā)生共振破壞；3）有阻尼時(shí)，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(lái)講，是由于一個(gè)級(jí)中汽流的流場(chǎng)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(dòng)。造成流場(chǎng)不均勻的因素：（1）葉柵尾跡擾動(dòng)（2）結(jié)構(gòu)擾動(dòng)，部分進(jìn)汽，抽汽口、排汽管，葉柵節(jié)距偏差等原因引起汽流流場(chǎng)不均勻。自由葉片的振型1、切向振動(dòng)1）A型振動(dòng)葉片在激振力作用下振動(dòng)，頂端也振動(dòng)。按自振頻率由低到高，振型曲線為

動(dòng)畫(huà)一階二階三階振型曲線為上A0A1A2型振動(dòng)不動(dòng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)增加

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

A0型最危險(xiǎn)，B0型次之動(dòng)畫(huà)

一階二階三階振型

B0B1B22、軸向振動(dòng)振動(dòng)沿最小主慣性軸（I－I）方向（繞最大慣性軸）的振動(dòng)稱(chēng)軸向振動(dòng)。理論上有A0、A1，但軸向慣性矩大，振動(dòng)頻率高，不易出現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)的軸向振動(dòng)。（三）單個(gè)葉片（自由葉片）的振型（三）單個(gè)葉片（自由葉片）的振型3、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)葉片各個(gè)橫截面重心的連線，組成了一條軸線，當(dāng)葉片受到一個(gè)繞軸線來(lái)回變化的交變扭矩時(shí)，發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，常在長(zhǎng)葉片中出現(xiàn)。一階振型－所有截面發(fā)生同方向的來(lái)回扭轉(zhuǎn)，頂部轉(zhuǎn)角最大，把葉片中不扭轉(zhuǎn)的線稱(chēng)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T(mén)1，T2…型扭振。葉片組的振型1、切向振動(dòng)以圍帶連接為例根據(jù)葉片頂部是否振動(dòng)，分A型、B型。1）A型振動(dòng)各葉片振動(dòng)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(dòng)頻率相同。隨頻率升高，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目增加。依次為A0、A1、A2….型。

A0型最危險(xiǎn)。當(dāng)有拉金時(shí)，節(jié)點(diǎn)往往在拉金附近。2）B型振動(dòng)葉身振動(dòng)時(shí)，葉頂?shù)膰鷰Щ静粍?dòng)，稱(chēng)為B型振動(dòng)。葉身上沒(méi)有節(jié)點(diǎn)的稱(chēng)為B0型。是型振動(dòng)中最危險(xiǎn)的。根據(jù)組內(nèi)葉片的振動(dòng)方向可分為：B01型：葉片組中心線兩側(cè)等距離的葉片振動(dòng)相位雙雙相反，對(duì)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(dòng)。B02型：葉片組中心線兩側(cè)等距離的葉片振動(dòng)相位雙雙相同，對(duì)圍帶的作用力基本平衡，圍帶不動(dòng)。組內(nèi)各葉片的振動(dòng)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(kāi)激振力頻率。隨著頻率的提高，葉身上的節(jié)點(diǎn)數(shù)會(huì)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(dòng)及軸向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)同組中兩部分葉片各作反方向振動(dòng)，圍帶上出現(xiàn)不振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，也有T1型、T2型…..等，每一葉片的振動(dòng)同時(shí)伴有葉片的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。軸向振動(dòng)要與葉輪的軸向振動(dòng)來(lái)共同分析。葉片組的振型3、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（1）葉片組內(nèi)各個(gè)葉片的扭振—節(jié)線扭振（2）葉片組扭振—

節(jié)點(diǎn)扭振今后我們主要討論切向振動(dòng)，因?yàn)椋?）切向振動(dòng)是繞葉片最小主慣性軸的振動(dòng)，即使很小的激振力也可能激發(fā)相當(dāng)大的振動(dòng)；（2）討論彎曲應(yīng)力時(shí)，蒸汽對(duì)葉片作用力的方向幾乎是這個(gè)方向，作用力最大；切向振動(dòng)容易發(fā)生且比較危險(xiǎn)。特別關(guān)注低頻的A0，B0，A1型（五）葉片振動(dòng)損壞的特征當(dāng)葉片由于發(fā)生共振而損壞時(shí)，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(guò)程，也可看出損壞的起始點(diǎn)和破裂發(fā)展的方向。當(dāng)斷裂面積逐漸擴(kuò)大時(shí)，葉片強(qiáng)度顯著降低，最后因應(yīng)力過(guò)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(gè)葉片自振特性計(jì)算一般說(shuō)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(dòng)時(shí)所具有的自振頻率；動(dòng)頻率：葉片或葉片組在轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪上所具有的自振頻率；動(dòng)頻率不同于靜頻率，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(yàn)法：當(dāng)葉片制造并安裝好以后，可采用試驗(yàn)方法測(cè)定葉片靜頻率的數(shù)值，對(duì)于長(zhǎng)葉片還可測(cè)取相應(yīng)的振型。但是目前測(cè)動(dòng)頻率比較困難。計(jì)算法：當(dāng)對(duì)葉片進(jìn)行改型或設(shè)計(jì)新葉片時(shí)，由于無(wú)實(shí)物無(wú)法測(cè)定。對(duì)于設(shè)計(jì)葉片用計(jì)算方法求取各階振型的自振頻率，預(yù)先分析是否會(huì)發(fā)生共振，以選擇最佳的設(shè)計(jì)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(jì)算時(shí)，包括建模，確定積分常數(shù)－邊界條件時(shí)，做過(guò)假定：（1）

假定葉片根部剛性固定在葉輪（2）

不計(jì)葉片振動(dòng)彎曲時(shí)剪力對(duì)擾度的影響（3）

沒(méi)有考慮工作溫度的影響（4）

沒(méi)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(dòng)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(guò)程中，邊界條件為：根部無(wú)位移根部無(wú)彎曲

絕對(duì)的剛性無(wú)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(dòng)，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(dòng)時(shí)，相對(duì)于輪緣有松動(dòng)。葉片振動(dòng)的影響，一使葉片的抗彎剛度減小，二是葉片的振動(dòng)并沒(méi)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(dòng)部分的長(zhǎng)度增加，參加振動(dòng)的質(zhì)量變大，這些影響使葉片的自振頻率降低。葉片動(dòng)頻率

1、動(dòng)頻率：考慮葉片離心力影響后的葉片振動(dòng)頻率。2、影響動(dòng)頻率的主要因素（1）當(dāng)葉片隨轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片振動(dòng)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(duì)葉片將產(chǎn)生一個(gè)附加彎矩，阻止振動(dòng)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(dòng)頻率升高。（2）葉片轉(zhuǎn)動(dòng)由于離心力的作用，有可能使葉根松動(dòng)，從而使自振頻率下降，若葉輪剛度較低，這項(xiàng)影響可能大于葉片離心力產(chǎn)生的反彎矩，使葉片的動(dòng)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(dòng)低階振動(dòng)

B0

切向振動(dòng)高階振動(dòng)：節(jié)點(diǎn)多，振幅小，離心力對(duì)頻率的影響小葉片頻率的測(cè)定與調(diào)頻（一）靜頻率測(cè)定：轉(zhuǎn)子靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)定葉片的自振頻率1、自振法：簡(jiǎn)單，只能測(cè)A0型振動(dòng)的頻率，用于測(cè)長(zhǎng)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(hào)發(fā)生器的頻率是被測(cè)葉片的自振頻率。

李沙茹圖形五、葉片頻率的測(cè)定與調(diào)頻2、共振法：利用共振原理測(cè)。音頻信號(hào)經(jīng)放大送至激振器，轉(zhuǎn)換為拉桿的機(jī)械振動(dòng)，使葉片發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)，共振時(shí)葉片振幅達(dá)最大值。根據(jù)李沙茹圖和數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器可確定葉片的自振頻率值。葉片頻率的測(cè)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(shí)，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)