第三章：转子、叶轮结构和强度计算_最终 PPT

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《叶轮机械原理》PPT课件

反力式涡轮。
T1c1 u2 u c2u
运动反力度
c
w c c 1a
w
C2a
u
w1u
c1u cu
C2u u wu
w2u
二者差异？航空发动机中典型涡轮平均半径处反力度为0.25-0.4
➢载荷系数/负荷系数
H Tu(c1 u u 2c2 u) u cu
物理意义：涡轮级的做功能力典型数值范围1.4-1.7 HT↑，冲击涡轮速度三角形
➢涡轮基元级反力度
21(w22 w12) Lu
u1＝u2 c1a＝c2a
Ω＝0 c1u－c2u＝2u， c1u－u＝u＋c2u，即w1u＝w2u 动叶特征：进出口形状对称。
气体流经动叶只拐弯不膨胀。
称为“冲击式”涡轮
Ω＝0.5，c1u＝u＋c2u＝w2u c1和w2大致对称。w1u=c2u
u
反力度大于零的涡轮称为：
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涡轮工作原理及特性
涡轮是一种将工质的焓转换为机械能的旋转式动力机械，是航空发动机、燃气轮机和蒸汽轮机等主要部件之一
2
涡轮工作原理及特性
➢涡轮的一般形式：静子〔导向器〕+转子＝一级。 ➢气流以高速冲击工作轮旋转做功 ➢工作环境特点：压力梯度、温度
3
涡轮分类〔工质不同〕
按工质大致可分为：风车、水轮机、蒸汽涡轮、燃气
涡轮。。。
4
根据工质

风力机的机械设计.ppt

一般有两种刹车装置： ——运行刹车：正常情况下反复使用。 ——紧急刹车：出现运行故障时使用。
安置位置：低速端或高速端。
2021/9/23
10
三、空气动力刹车
用途：常用于失速型风力机的超速保护，作为机械刹车的补充。
原理：通过改变桨叶的升阻比。实现：常通过超速时的离心作用。
2021/9/23
用于风力发电的高速风力机，常取较大的尖速比。尖速比在5-15 时，具有较高的风能利用系数。通常可取 6-8 。 ——高速风力机在制造成本，运行平稳性等方面均优于低速风力机。但启动风速较高。
尖速比的最终值：
在初定的基础上，需根据额定风速和发电机转速选择齿轮箱传动比，再计算尖速比，作为设计参数。
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43
一、功率匹配
叶轮功率曲线——叶轮输出功率与风速或叶轮转速之间的关系曲线。发电机功率特性曲线——输出功率与转速之间的关系曲线。问题：在同一额定功率下，叶轮所对应的额定转速与发电机所对应的额定转速相差几倍到几十倍。解决途径：利用增速机构，使发电机在叶轮的额定转速下发出额定功率。
——由于随风速的增加，气动推力加大，即便功率恒定或稍有下降。此时叶片、机舱和塔架上将承受较高的动态载荷。
——在频繁的刹车过程中，使叶片与传动系统产生较大的动载荷。
——起动风速较高，使起动性较差。 ——在低空气密度地区难以达到额定功率。
21/9/23
24
§3.6 桨叶设计中的若干问题
3.6.1 叶轮的总体参数
升阻比愈高： ——风能利用系数愈大，则风力机的效率愈高。 ——性能曲线中风能利用系数Cp受叶片数或尖速比的影响愈小
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31
七、其它参数

汽轮机原理-8-3转子的强度

汽轮机原理 Principle of Steam Turbine
主讲老师：密腾阁适用专业：能源与动力工程专业
南华大学热能与动力工程系
第四节转子的强度
一、转子和叶轮的结构
强度分析的任务：计算应力和变形——合理的结构套装转子——多用于中低压转子
转子的分类：
整锻转子——高压转子
焊接转子——高、低压
组合转子
南华大学热能与动力工程系
南华大学热能与动力工程系
南华大学热能与动力工程系
南华大学热能与动力工程系
南华大学热能与动力工程系
南华大学热能与动力工程系
南华大学热能与动力工程系
南华大学热能与动力工程系
南华大学热能与动力工程系
叶轮的分类：
等厚叶轮a（120-130m/s）轴端加厚叶轮b 锥形叶轮cg（150-300m/s）
双曲线剖面叶轮d（双列级）等强度叶轮f（>400m/s）
南华大学热能与动力工程系
二、转子应力的基本公式
（一）力的平衡方程基本微分方程：
南华大学热能与动力工程系
（二）几何方程（三）物理方程——虎克定律
南华大学热能与动力工程系
（四）应力计算由以上得：
南华大学热能与动力工程系
三、叶轮的应力计算工程系
（二）实际叶轮 1.计算模型——多段等厚叶轮计算
南华大学热能与动力工程系
2.二次计算法假定已知转速和内外表面的径向应力第一次计算第二次计算
南华大学热能与动力工程系
（三）叶轮的应力分布应力沿叶轮高度（径向）的近似分布
南华大学热能与动力工程系
四、叶轮的套装与松动转速
南华大学热能与动力工程系

第三章转子、叶轮结构和强度计算

谢永慧
34
透平零件结构与强度计算
切向力
dT ydR
径向分力平衡
dC dP' dP 2dT sin d 0
2
叶轮受力平衡方程式
东汽培训班 2019/11/1
2R2 y
r
y
R
dy dR

Ry
d r
dR

y

0
பைடு நூலகம்
西安交通大学叶轮机械研究所
谢永慧

v R

dv dR

36
透平零件结构与强度计算
东汽培训班 2019/11/1
旋转叶轮强度计算基本微分方程
d 2v dR2

1 y
dy dR

1 R
dv dR

Ry
dy dR

1 R2
v

2
1 2
E
R

0
直接求解上述方程比较困难，通常用阶梯形的等厚型线代替复杂的叶轮型线
微元体受力微元体离心力
dC dmR 2 R2 2 yddR
径向力
dP r yRd
dP' ( r d r )( y dy)( R dR)d dP' r yRd r ( ydR Rdy)d Ryd rd
西安交通大学叶轮机械研究所
谢永慧
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透平零件结构与强度计算
东汽培训班 2019/11/1
微型燃气轮机实验台拉杆转子
西安交通大学叶轮机械研究所
谢永慧
17
透平零件结构与强度计算

叶轮知识.ppt

• 4、旋流式叶轮：旋流式的叶轮是叶轮全部或者是部分被缩离到压水室流道，具有良好的抗堵塞性能。颗粒在水压力室内流动靠叶轮旋转产生的涡流的推动下运动,悬浮颗粒运动本身不产生能量,流道内和液体交换能量。在流动过程中,悬浮性颗粒或长纤维不与磨损叶片接触,叶片多磨损的情况较轻,不存在间隙因磨蚀而加大的情况，适合于抽送含有大颗粒和长纤维的介质。
• 闭式叶轮由前后盖板和叶片组成； • 半开式叶轮由叶片和后盖板组成； • 开式叶ห้องสมุดไป่ตู้只有叶片与部分后盖板或没有后盖板。 • 叶片式叶轮中的半开式、开式叶轮铸造方便，可输送含有一定固体颗
粒的介质，但由于固体颗粒磨蚀流道，会造成泵的工作效率降低。 • 闭式叶轮运行效率高、能长时间平稳的运行，泵的轴向推力较小，但
三、主要几何参数
• Dj：叶轮进口直径； • D1：叶片进口直径； • dh：叶轮轮毂直径； • b1:叶片进口宽度； • β1：叶片进口角； • D2：叶轮外径； • b2：叶轮出口宽度； • β2：叶片出口角； • Φ：叶片包角； • Z：叶片数。 • 叶轮进口几何参数对汽蚀性能有重要影响，叶轮出口几何参数对性能（H、Q）
• 2.处理方法：增大设计间隙；更换口环材质；检查工艺介质；更换新口环等。
• 五、断裂 • 1.故障表现：由于汽蚀、腐蚀、磨蚀引起的；铸件质量较差导致；水锤
导致的。 • 2.处理方法：更换新叶轮。
• 六、腐蚀 • 1.故障表现：选材不当。 • 2.处理方法：更换新叶轮，耐腐蚀磨损材料；叶轮耐蚀层的涂镀；叶轮
耐蚀层的喷涂。
• 2.处理方法：更改叶轮材质；更改设计方案，改变泵型；检查工艺介质。
• 三、汽蚀 • 1.故障表现：设计方案不当；安装位置过高；选材不当等。 • 2.处理方法：降低安装位置；改变更能够抗汽蚀的材质；重新设计泵型

第三章叶轮结构计算

2 (3 )
8
2 2 2 Ra Ri2 1 3 2 Ra Ri2 Ri2 Ra ( Ra R 2 R ) 2 (1 2 ) ra 2 ( 1) ri R 3 Ra Ri2 R Ra Ri2 R2 2 2 i
(3-17)
实心等厚度叶轮：

以圆盘叶轮代替圆环组成转子。圆盘任意半径上存在径向应力和切向应力。叶轮上应力和应变对称于轴线。应力沿轴向（厚度方向）均匀分布。轴向应力可以忽略不计。属于轴对称平面应力问题。
d 2 1 dy 1 d dy 1 1 2 ( ) ( 2 ) 2 R 0 (3-10) 2 dR y dR R dR Ry dR R E
2 2 i
2 2 2 Ra Ri2 1 3 2 Ra Ri2 Ri2 Ra ( Ra R 2 R ) 2 (1 2 ) ra 2 ( 2 1) ri 2 2 R 3 Ra Ri R Ra Ri R
1 m2 1 m2 2 R 2 r ri i [2(1 )m 2 (1 )m 4 (3 )] 2 2 8

套装转子适宜中压汽轮机或高压汽轮机的低压部分。 200MW的低压转子。

焊接转子：
若干个叶轮和两个端轴拼焊而成。如图6-29. 无中心孔，可以承受很大的离心力，强度好；结构紧凑，刚度大；锻件尺寸小；要求焊接工艺高，材料的焊接性能好。

汽轮机结构
组合转子：国产200MW的中压转子
Ri m 1 R
2、根据第一段等厚度叶轮外径处应力计算第二段内径处应力
r 2 ' r1
I
I
y1 y2

汽轮机结构及零件强度PPT学习教案

第18页/共122页
几点说明 1 冲动式和反动式叶片叶型不同 2 等截面叶片变截面叶片（扭叶片） 3 湿蒸汽区工作的叶片，为提高抵抗水滴冲蚀的能力，叶片上部进汽边强化处理方法有：镀铬烙，焊硬质合金
·变截面扭叶片
第19页/共122页
(三) 叶顶连接部分（围带和拉筋）
1 围带的作用 ➢ 减少漏汽 ➢ 增加叶片的抗弯刚度整体围带多用于短叶片铆接围带 3-5mm厚的扁平钢带铆接或铆接加焊在叶片顶部考虑到热膨胀，各成组叶片围带间留有1mm间隙 2 拉筋的作用 ➢ 调整叶片的自振频率 ➢ 增加叶片振动系统的阻尼 5-12mm金属丝或金属管但拉筋存在一定影响，流动效率和降低叶片的刚度末级可选自由叶片，但叶顶削薄，减轻叶片质量，改善叶片自振频率
第38页/共122页
双层缸结构的优点：（1）把汽缸所受的蒸汽总压力分摊给了内、外两层汽缸，减少了每层缸的压差和温差，缸壁和法兰可以相应减薄。在机组启停和变工况时，其热应力也相应减小，有利于缩短启动时间和提高汽轮机对负荷的适应性，具有较强的调峰能力。（2）内缸主要承受高温及部分蒸汽压力作用，且其尺寸较小，故可以做得较薄，耗用的贵重耐热金属材料相对减少。而且在内缸和外缸之间有蒸汽流动，因此在正常运行时外缸得到冷却，使外汽缸温度降低，故可采用较便宜的合金钢制造。
第39页/共122页
（3）外缸的内外压差比采用单层汽缸时降低了许多，因此减少了漏汽的可能性，能更好地保证汽缸接合面的严密性。双层缸结构的缺点是结构比单层缸复杂，零部件增多，故加工工时、安装和检修等方面的工作量都有所增加。
第40页/共122页
B.汽轮机高中压缸的布置有两种方式：（1）高中压合缸（2）高中压分缸
哈汽600MW超临界机组高中压缸

【精品】汽轮机课件-汽机叶片静强度计算精品ppt课件

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d x 2 2 E I0
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(d d y x 0 )x l
令
s
z112EsIsHslcos2刚度系数，反映了围带对叶片刚度的影响程度，
对于扭叶片，单位叶高的蒸汽作用力，各截面的主惯性矩或抗弯截
面模量沿叶高变化，弯曲应力最大值不一定在根部截面，必须计算弯曲
应力沿叶高的变化规律，对最大弯曲应力的截面进行强度校核。
工程中采用近似方法计算，类似于离心应力，将叶片分段，求出任
一小段的ΔG，j段上蒸汽轮周向、轴向作用力。
作用力弯矩
Fuj zG bej (c1cos1c2cos2)j
M s zz 1 H sM s zz 1 1 2 E t ss IsH s(d d y x 0 )x lc o s 2
4、围带反弯矩的实际计算
1）计算叶片顶部截面的转角(
dy0 dx
)
xl
在最大主惯性轴平面内，叶片受到两个弯矩，蒸汽弯矩Mx和围带产
生的反弯矩Ms。叶片的弯矩M为二者之差
四、围带或拉筋成组叶片的应力计算
（一）围带或拉筋离心力对叶片离心力的影响
如果叶片的不同部位装有围带或拉筋，则围带与拉筋在旋转时，也
要产生离心力，作用于叶片的不同部位。
（1）围带产生的离心力
设围带的厚度为δ，节矩ts＝周长/叶片数宽度b，旋转半径 R s
2 R s z
，
围带离心力
1、围带反弯矩（1）叶片顶部位移y0 蒸汽作用力作用在最大主惯性轴（2-2轴）方向，因此弯曲变形发生在 2-2轴所在平面，最大主惯性轴2-2与轮周平面的夹角为β。

汽轮机转子及构成

汽轮机转子及构成1转子定义汽轮机所有转动部件的组合体称为转子（图13）。

它主要包括：主轴、叶轮（转鼓）、叶片、联轴器等部件。

图13 转子转子的作用：汇集各级动叶栅所得到的机械能，并传给发电机。

转子受力分析：传递扭矩、离心力引起的应力、温度不均匀引起的热应力、轴系振动所产生的振动应力。

汽轮机转子在高温蒸汽中高速旋转，不仅要承受汽流的作用力和由叶片、叶轮本身离心力所引起的应力，而且还承受着由温度差所引起的热应力。

此外，当转子不平衡质量过大时，将引起汽轮机的振动，转子要承受轴系振动所产生的振动应力。

因此，转子的工作状况对汽轮机的安全、经济运行有着很大的影响。

2转子的分类根据汽轮机的分类，转子分为两种：轮式转子、鼓式转子。

前者用于冲动式汽轮机，后者用于反动式汽轮机，鼓式转子上的动叶直接安装在转鼓上。

按临界转速是否在运行转速范围内，分为刚性转子和柔性转子。

在启动过程中，刚性转子启动就很方便，不存在跨临界区域，而柔性转子因需要快速的跨临界，故要求用户在实际启动过程中，要充分暖机，为快速跨临界作好准备。

1、轮式转子轮式转子根据转子结构和制造工艺的不同，可分为：套装转子、整段转子、焊接转子以及组合转子。

1-油封环2-轴封套3-轴4-动叶栅5-叶轮6-平衡槽图14 套装转子示意图（1）套装转子套装转子的叶轮、轴封套、联轴器等部件和主轴是分别制造的，然后将它们热套在主轴上，各部件与主轴之间采用过盈配合，并用键传递力矩。

主轴加工成阶梯形，中间直径大。

适用性：只适用于中、低参数的汽轮机和高参数汽轮机的中、低压部分，其工作温度一般在400℃以下。

不宜用于高温高压汽轮机的高、中压转子。

①优点：加工方便，材料利用合理，质量容易得到保证。

①缺点：轮孔处应力较大，转子刚性差，高温下套装处易松动。

（2）整锻转子叶轮和主轴及其他主要零部件由整体毛坯加工制成，没有热套部件。

主轴的中心通常钻有中心孔，其作用是：℃去掉锻件中残留的杂质及疏松部分；℃用来检查锻件的质量；℃减轻转子的重量。

转子平衡、临界转速及强度PPT55页

转子平衡、临界转速及强度
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不穿。(名言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者的牢骚，这是羊群中的瘟疫，我不能被它传染。我要尽量避免绝望，辛勤耕耘，忍受苦楚。我一试再试，争取每天的成功，避免以失败收常在别人停滞不前时，我继续拼搏。
33、如果惧怕前面跌宕的山岩，生命就永远只能是死水一潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候，睁大眼睛，千万别眨眼!你会看到世界由清晰变模糊的全过程，心会在你泪水落下的那一刻变得清澈明晰。盐。注定要融化的，也许是用眼泪的方式。
Байду номын сангаас35、不要以为自己成功一次就可以了，也不要以为过去的光荣可以被永远肯定。
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❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非

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整锻转子有两种型式:一种是转鼓式，另一种是轮盘式。
用于反击式汽轮机中，制造简单，刚度很大，但强度较低。只能用于圆周速度较小的情况。
3-1 转子和叶轮结构
广泛采用的是轮式整锻转子。由于采用叶轮弥补了上述空心鼓式转子强度不足的缺点，其圆周速度容许达到170-200米/秒以上。
3-1 转子和叶轮结构
3-1 转子和叶轮结构
在高温、高压区域内工作的转子，最好采用整锻转子。因为整锻转子的叶轮与轴是一整体，解决了高温条件下叶轮与轴连接可能松动的问题。此外，整锻转子强度和刚度比同一外形尺寸的套装转子大，机械加工和装配工作量小，而且结构紧凑(轴向尺寸短 )；但是整锻转子的锻件大，需要大型锻造设备，而且大锻件的质量较难保证，它的检验比较复杂。
轮缘是为了安置叶片，轮缘的形状与叶根的形状有关，一般它是等厚度的。
轮毂的形状都是等厚度的。轮面的型线有下述几种型式: (1)等厚度型； (2)锥形； (3)双曲线型； (4)等强度型。实际叶轮的轮缘与轮面以及轮面与轮毂连接处均用圆弧或者其他曲线圆滑地连接。
整锻转子加工过程
3-1 转子和叶轮结构
为了保证锻件的良好质量，整锻转子的尺寸是受到一定限制的。如果转子有几级叶轮直径过大而锻造困难而且由于后面低压级蒸汽温度低，叶轮可用低一级的材料。此时亦可以采用组合转子，即在整锻转子轴上套上几级叶轮。如图3-5所示为整锻和套装组合的转子，高压部份的前11级叶轮是整锻，后面低压部分7级叶轮为套装。
3-1 转子和叶轮结构
一、转子结构型式
现代蒸汽轮机主要采用以下几种型式的转子:整锻转子、焊接转子、套装转子以及上述两种型式组合的转子，譬如整锻转子上套装几个叶轮。
中压机组广泛采用套装转子，套装转子加工方便，生产周期短；材料可以合理利用；叶轮、主轴等锻件尺寸小，易保证质量，且供应方便。但套装转子在高温条件下，由于产生蠕变会使叶轮与轴之间产生松动。因此不宜作为高压、高温汽轮机的高压转子。
转子的工作条件相当复杂，转子处在高温工质中，并以高速旋转。
转子承受由于叶片和转子本身离心力引起的很大的应力以及由于温度分布不均匀引起的温度应力。
透平转子和其他高速旋转机械一样，由于不平衡质量的离心力，将引起转子振动。此外，转子还要传递作用在叶片上的气流力产生的扭矩等。
因此，必须对转子、叶轮进行强度计算，任何设计、制造、运行等方面工作的疏忽，均会造成重大事故。
对于承受较重载荷的叶轮 (低压转子的叶轮)，由于强度不允许在叶轮内孔开轴向键槽，因为在叶轮内孔键槽周围要引起应力集中。此时键应装在叶轮或特置的中间环的端面上，这种键称为径向键（端面键）。
3-1 转子和叶轮结构
借过盈和键联结叶轮与轴的方法，不能用于高温区域内工作的叶轮，因为高温蠕变会使过盈降低，或者由于透平快速起动过程中叶轮迅速加热亦会使过盈消失。因此在这种情况下应采用销钉、轴套来联结叶轮与轴，如右图
为了保证叶轮与轴之间轴向位置不变，并保持叶轮之间有一定的轴向间隙，应该采用轴向定位环。
3-1 转子和叶轮结构
叶轮结构设计的下一步骤是选择叶轮型线。
决定叶轮型线的方法有两种: 1. 一种是按给定应力曲线设计叶轮型线； 2. 一种方法是先选好一种叶轮型线算出它的应力，再来修改叶轮型线。
整个叶轮型线由下列几部分组成:（1）轮缘，（2）轮面，（3）轮毂（对套装叶轮而言）。
焊接转子焊接过程
焊接转子热处理过程
3-1 转子和叶轮结构
燃气轮机主要采用以下几种型式转子:整锻转子、焊接转子、拉杆转子。
3-1 转子和叶轮结构
由于燃气轮机转子尺寸较小，容易获得所需尺寸的整锻转子锻件。燃气轮机整锻转子也有轮式和鼓式两种型式。但在燃气轮机中多半采用实心鼓式整锻转子。
其优点是刚度大，强度较好，结构简单；但重量较大，变工况时温度应力较大。
3-1 转子和叶轮结构
9FA重型燃气轮机拉杆转子
3-1 转子和Байду номын сангаас轮结构
二、叶轮结构设计
从叶轮的工作条件和受力情况方面分析，叶轮是处在高温工质内并以高速旋转，叶轮用来承装叶片。叶轮工作时，承受的力如下：
(1) 叶轮自身质量引起的离心力; (2) 叶片引起的离心力，一般称为叶轮外部径向载荷，通常包括叶片（包括围带、拉金）、叶根联结部分（叶根和轮缘）的离心力； (3) 由于叶轮红套在轴上的过盈产生的接触压力（对于套装叶轮而言）。以上三项载荷引起的应力与叶轮旋转速度有关称为转动应力； (4) 在较高温度区域内以及透平起动过程中，叶轮受到温度沿径向分布不均匀引起的温度应力； (5) 由于叶轮轴向振动将产生振动应力。
第三章转子、叶轮结构和强度计算
1. 转子和叶轮结构 2. 旋转薄圆环应力计算 3. 叶轮应力状态和基本计算公式 4. 等厚度叶轮应力分析 5. 实际叶轮应力计算 6. 套装叶轮按松动转速计算过盈和应力 7. 叶轮温度应力计算 8. 整锻转子强度计算 9. 叶轮、转子材料和许用应力
前言
转子是透平十分重要的部件，保证转子安全工作是设计制造部门的重要任务之一。
着手设计叶轮时，先必须考虑叶轮与透平轴的联结方法。对套装叶轮，通常是用键来联结，同时为了使叶轮与轴可靠的联结，
也就是说要保证在叶轮工作时，叶轮与轴保持对中(同心)，且相对于轴的位置不变，还必须把叶轮红套在轴上。
3-1 转子和叶轮结构
图3-11用键和过盈联结叶轮与轴。扭矩借接触摩擦力和键来传递。
焊接转子在燃气轮机中得到广泛应用。这种型式的转子除了刚度和强度大外;由于转子轻巧，温度应力小，适应燃气轮机启动快的要求。
3-1 转子和叶轮结构
拉杆转子是用拉杆螺栓将叶轮、轴头联成一整体所组成。拉杆的作用是:既固定每个叶轮，又保证叶轮的对中，有时还传递扭矩。
拉杆转子不但具有焊接转子的所有优点，并且可以根据需要自由选择各个叶轮材料而不受材料可焊性的限制，重量也可以做得更轻。
3-1 转子和叶轮结构
焊接转子具有整锻转子所有的许多优点，但它比整锻转子重量轻；特别是锻件小容易获得高质量锻件。它比套装转子结构紧凑，而且刚度大。此外，焊接转子的显著优点是强度大。焊接转子适于作为高温和高速条件下工作的转子型式，而转子的重量和尺寸几乎不受限制。
焊接转子
3-1 转子和叶轮结构