第四节 叶片与叶轮,一、叶片 （一）叶片的分类 1、按用途分：静叶片和动叶片。 2、按叶型沿叶高变化规律分：等截面叶片和变截面扭叶片。如哈尔滨汽轮机厂生产的300MW、600MW反动式汽轮机的叶片全部采用扭叶片，东方汽轮机厂生产的300MW冲动式汽轮机所有压力级动叶片均为扭叶片，上汽生产的300MW汽轮机部分级采用了扭叶片。,（二）叶片工作概述,（1）叶片是汽轮机中数量和种类最多的零件（其加工量占整个汽轮机加工量的30%50%）； （2）由多个叶片组成的叶栅可以完成蒸汽的能量转换过程； （3）工作时，叶片不仅承受高速转动时离心力所产生的静应力和汽流作用的动应力，还要承受高温、腐蚀和冲蚀作用； （4）叶片要有足够的强度、良好的型线，以使汽轮机安全经济运行（要求）。,（三）叶片的结构,（a）等截面叶片；（b）变截面扭曲叶片 1-叶顶；2-叶型；3-叶根,叶片（主要指的是动叶片）的组成：由叶型（也称叶身）、叶根和叶顶组成。,1、叶型 （1）叶型是叶片的最基本工作部分，相邻叶片的叶型部分构成汽流通道。 （2）叶片的横截面形状称为叶型，叶型决定了汽流通道的变化规律。 （3）叶型的结构尺寸主要取决于静强度和动强度的要求和加工工艺的要求。 （4）工作于湿蒸汽区的叶片要做强化处理。 （5）叶型截面的变化可作为叶片的分类形式。,2、叶根,作用：叶根是将动叶片固定在叶轮或转鼓上的连接部分。 要求：它的结构应保证在任何运行条件下叶片都能牢固的固定在叶轮或转鼓上，同时力求制造简单、装配方便。 分类：常用的叶根型式有T型、叉型和枞树型、菌型。,（1）T型叶根,（a）T型叶根：结构简单，加工方便，被短叶片普遍采用；缺点是，在工作时轮缘有张开的趋势。 （b）外包T型叶根： 可以阻止轮缘张开。国产300MW汽轮机高压部分采用。 （c）外包双T型叶根：增大了叶根的受力面积，提高了叶根的承载能力，多用于长叶片。这种叶根加工精度要求较高，特别是两层承力面之间的尺寸误差较大时，受力不均，强度会下降。 （d）安装槽：采用周向埋入法。安装时，将叶片从轮缘上的一个或两个缺口处逐个插入，并沿周向移至相应位置，最后缺口处的叶片用铆钉固定在轮缘上。装配简单，换叶片时工作量大。,（2）叉型叶根,结构：叶根被制成叉齿型。 安装：叶根的叉尾从径向插入轮缘的叉槽中并用铆钉固定。 优点：叉尾数目可以根据叶片离心力大小选择，叶根强度高，适应性好。加工简单，更换叶片方便。 缺点：装配工作量大，需要较大的轴向空间（侧面要打铆钉）。 要求：在叶片装配好后再打铆钉孔和铰配铆钉。 应用：东汽300MW汽轮机调节级动叶为三叉型叶根。,国产引进型300MW汽轮机调节级叶片,1-铆接围带；2-整体围带；3-动叶片； 4-铆钉； 5-叶轮; 三叉齿叶根,4叉型和7叉型叶根及其装配,（3）枞树型叶根,结构：叶根形状呈楔形，并有多个承受作用力的树齿。 安装：叶根沿轴向装入轮缘上的纵树槽中，底部打入楔形垫片将叶片向外胀紧在轮缘上，同时相邻叶根的接缝处有一圆槽，用两根斜劈的半圆销对插入圆槽内将整圈叶根周向胀紧。 优点：叶根树齿和对应的轮缘承载面接近于等强度，承载能力大，强度适应性好，拆装方便。 缺点：加工复杂，精度要求高。 应用：用于国产引进型600MW汽轮机的压力级动叶片。,特点：,（1）轮缘上载荷分配比较合理； （2）同一结构尺寸下，连接刚度较高。 应用：调节级叶片、末级叶片和特殊要求的叶片（如国产亚临界600MW凝汽式汽轮机中压后两级叶片、超临界中压转子所有动叶）。,（4）菌型叶根,1-整体围带；2-铆钉；3-铆接围带；4-三菌型叶根；5-轮缘,3、叶顶,汽轮机的短叶片、中长叶片和长叶片通常在叶顶用围带连在一起，构成叶片组。 长叶片也可以通过叶型部分的拉金或者拉金与围带连接成组；或者围带和拉金都不用，成为自由叶片。,（1）围带,作用：减小叶片工作的弯应力；增加叶片刚性以避开共振；形成一个封闭的汽流通道，减小级内漏汽损失。 （a）、（b）整体围带；（c）铆接围带； （d）弹性拱形围带,（2）拉金结构,作用：增加叶片的刚性，改善其振动性能。 结构：通常为612mm的实心或空心金属丝或金属管，穿在叶型部分的拉金孔中。 （a）实心焊接拉金；（b）实心松装拉金； （c）空心松装拉金； （d）剖分松装拉金；（e）Z型拉金,（3）拉金连接方式,（a）分组连接拉金；（b）拱形围带和空心拉金；（c）组间连接拉金；（d）Z型拉金,（四）叶片的强度,1、叶片工作时的受力 离心力（叶片本身、围带、拉金）和汽流力（交变）。 正常工作时离心力的大小基本不变，在叶片的横截面上产生拉应力和弯应力。 喷嘴出口汽流速度沿圆周方向分配不均匀，成周期性变化，使得叶片上的受力是交变的。,力所产生的应力：,2、叶片的拉应力,由叶型部分的离心拉应力、围带离心拉应力、拉金离心拉应力组成。 根据推导分析： （1）等截面叶片的离心拉应力与叶片的横截面面积无关，而且根部所承受的离心拉应力最大。 减小等截面叶片根部离心拉应力的有效办法在一定叶片参数下，采用密度较小的叶片材料。 （2）变截面叶片的最大离心拉应力出现在叶片的某一截面处。,3、叶片的弯应力,由汽流力和离心力产生。 （1）汽流作用力引起的弯应力 a.直截面叶片（如右图），F1使叶片进汽边、出汽边拉应力，背弧压应力；,F2使叶片进汽边压应力，出汽边拉应力。 合成后，直截面叶片出汽边的应力（拉）最大，最危险。,b.变截面叶片的弯应力,由于变截面叶片上的作用力沿叶高方向是变化的，则将各个截面上的力分解后在根部截面所产生的弯应力会有部分抵消，所以根部的弯应力不一定最大。,（2）离心力产生的弯应力,当叶片发生弯曲时，离心力的连线不通过原安装时的形心连线，从而产生一个反弯矩，叶片的弯曲程度减小，刚度提高。,（3）围带和拉金对叶片弯应力的影响,用围带和拉金连成组的叶片发生弯曲变形时，会带动围带和拉金变形，而围带和拉金的刚度会抵御这种变形，从而给叶片一个反弯矩，部分抵消叶片上汽流力引起的弯矩，使叶片的弯应力减小，刚度增加。,4、叶片的静强度校核,选择好强度准则和安全系数，去计算叶片工作时的许用应力，保证叶片工作时所受到的应力不会超过许用应力，满足静强度需要。,（五）叶片的振动,叶片振动的原因：根部固定的弹性杠杆；有力的作用。 自由振动：当叶片受到一个瞬时外力冲击后其在平衡位置附近做的周期性摆动。 强迫振动：当叶片受到一个周期性外力作用时其在平衡位置附近做的周期性摆动。 叶片共振的危害：叶片振幅和振动应力急剧增加引起叶片疲劳损坏将相邻叶片及后级叶片打坏使转子失去平衡引起机组强烈振动，造成严重后果。,1、引起叶片振动的激振力,激振力：引起叶片振动的周期性外力。 按频率高低分为：高频激振力和低频激振力。,（1）高频激振力,位置：喷嘴出口。 产生原因：汽流速度不均匀，导致对叶片的作用力分布也不均匀。 激振力的计算： 其中T为叶片通过每个喷嘴时的时间，即汽流力变化一次的时间。,对于部分进汽的级：,（2）低频激振力,位置：喷嘴出口、隔板结合面等个别地方。 产生原因：个别喷嘴制造加工安装误差，隔板结合面处喷嘴结合不良，设置加强筋，部分进汽，抽汽口等引起该处汽流速度不均匀，导致对叶片的作用力也发生变化。 数量：在一个圆周上有1个、2个或3个等。 分布情况：可以均匀布置，也可以是任意夹角布置。,低频激振力的计算：,扰源均匀布置时： 扰源非均匀布置时（仅作了解）：,2、叶片的振型,切向振动是最容易发生的：汽流的作用力大，叶片的刚度又小。 切向振动分为：A型振动、B型振动。,（1）A型振动,定义：叶根固定不动，叶顶自由摆动的叶片振动形式。 单个叶片A型振动：可以发生A0、A1、A2等振动形式（注意节点、振幅、频率）。 叶片组的A型振动： 用围带或拉金连成的叶片组，也可以发生A0、A1、A2等振动形式（注意节点、振幅、频率）。,（2）B型振动,定义：叶根固定不动，叶顶也基本不动的叶片振动形式。 用围带连成的叶片组：可以发生B型振动（也分为B0、B1、B2等振动形式）。 用围带和拉金连成的叶片组不会发生B0振动。,最危险的振型： A0、 B0 、A1,3、叶片的自振频率,叶片的静频率：叶片在静止状态下的自振频率。 叶片的动频率：叶片在旋转状态下的自振频率。,影响叶片自振频率的因素：,（1）叶片的抗弯刚度（EI）。抗弯刚度越大，叶片自振频率越高。 （2）叶片的高度。叶片越高（越长），叶片自振频率越低。 （3）叶片的质量。叶片越重，叶片自振频率越低。 （4）叶片的振型。振型越复杂，叶片自振频率越高。,工作时对叶片自振频率的影响因素有：,（1）叶根的连接刚度。连接不牢，会使叶片自振频率降低。可用叶根牢固系数Kr修正。 （2）工作温度。工作温度升高会使E减小，叶片自振频率降低。可用温度修正系数Kt修正。 （3）离心力。工作时叶片偏离了平衡位置，离心力会增加叶片的刚度，使叶片自振频率提高。 （4）叶片成组。用围带和拉金将叶片连接成组对叶片的自振频率有两方面的影响（增大和减小）。,4、叶片振动的安全准则,（1）概述 叶片上受到的应力： 动应力由汽流力引起，与汽流力成正比 。 安全要求：叶片必须满足静强度、动强度的要求。 校核指标耐振强度 。,耐振强度（复合疲劳强度）：指在一定工作温度和一定静应力作用下，叶片所能承受的最大交变应力的幅值。 调频叶片：将叶片的自振频率与激振力频率调开，避免运行中发生共振的叶片。 不调频叶片：允许叶片在共振状态下长期工作的叶片。,（2）不调频叶片的安全准则,一般情况下用统计的方法得到不调频叶片的安全准则，步骤为： a.对大量在共振条件下工作的叶片，分别计算出它们的安全倍率和振动倍率（叶片动频率与激振力频率之比）； b.按振型归纳后将计算值标在图上，并用不同的符号表示叶片的工作结果；,C.进行总结，发现安全工作叶片和损坏叶片有一条明显的分界线，分界线上的安全倍率为安全倍率界限值，称为许用安全倍率Ab。,不调频叶片的振动强度安全准则为： 表4-1，说明某一振型下不同振动倍率时的许用安全倍率。如果要保证工作时不调频叶片的安全，其安全倍率必须大于表中数值。,（3）调频叶片的安全准则,调频叶片应满足调频指标和安全倍率许用值。 不同振型与不同激振力的调频区间见式4-33和4-34。,5、叶片的调频,原因：叶片的自振频率不能满足安全工作的要求。 调频：对叶片自振频率或激振力频率进行的调整。 调整叶片自振频率的措施：主要是改变叶片的质量和刚度，包括连接刚度。,电厂中常用的改变叶片自振频率的方法：,（1）加装围带、拉金或改变围带、拉金的尺寸。 （2）重新研磨叶根之间的结合面，增加连接刚性。 （3）在叶片顶部钻减荷孔或切角。 （4）改变叶片组内的叶片数。 （5）采用松装拉金或空心拉金。 （6）在焊接围带和拉金与叶片连接处加焊，或重新捻铆不合格的铆钉。,二、叶轮,作用：用来装置叶片并将汽流对叶栅的作用力所产生的扭矩传递给转子。 工作时的受力： （1）叶轮自身和叶片等零件的质量引起的巨大离心力； （2）温度沿叶轮径向分布不均匀所引起的热应力； （3）叶轮两侧压差力； （4）叶片叶轮振动所引起的振动应力。,1、叶轮的结构,组成：由轮缘、轮面和轮毂组成。,2、叶轮的结构形式,3、叶轮的振动,轮系：叶轮及其上面的动叶片称之。 振动原因：蒸汽对轮系的作用力沿圆周方向不均匀；轴系振动引起的轮系振动。 振动型式：主要是轴向振动（刚度小）。（切向振动一般不会发生，因为刚度太大） 与叶片振动相似有节点。,复习思考题：,1、叶片的组成情况怎样？有哪些叶根型式？ 2、叶片工作时受到哪些力的作用？会产生怎样的应力？怎样减小应力？ 3、叶片工作时受到哪些激振力的作用？怎样计算？什么是A型振动、B型振动？ 4、什么是叶片的静频率、动频率？什么是调频叶片、不调频叶片？其安全准则怎样？ 5、调整叶片频率的措施和常用的调频方法是什么？ 6、叶轮有哪些部件组成？它有哪些类型？,