第八章第8節(jié)汽輪機零部件的材料、許用應(yīng)力及安全準(zhǔn)則

1、G闿宙坦詐*斡岡切溫塞曲苗空CL VWZheJiang Univ©金ty汽輪機主要零部件的材I(-)高溫材料性能現(xiàn)代汽輪機的主要零部件(轉(zhuǎn)子.汽缸等)均于高壓高溫下運行,材料 在這種環(huán)境下長期工作,會產(chǎn)生一些與常溫時不同的變化。1. 蠕變和持久強度2. 應(yīng)力松弛3 熱疲勞4 熱脆性5高溫氧化和腐蝕(-)高溫材料性能1蠕變和持久強度在一定溫度下受力構(gòu)件隨時間増長而緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象叫 作蠕變。由于存在蠕變現(xiàn)象,即使零部件所受應(yīng)力小于材料的屈服極限，也 可能在長時間工作后遭到破壞。材料發(fā)生蠕變的最低溫度稱為蠕變 溫度。某些低熔點金屬,如鉛.錫等在室溫下就會產(chǎn)生蠕變,碳鋼 蠕變溫度超

2、過300350°C ”低合金鋼則在350400°C以上有蠕變行為。(1 )蠕變曲線1一蠕變開始階段；2 均勻蠕變階段；3 蠕變斷裂(a)(/>)1蠕變和持久強度(2 )蠕變速度和蠕變極限在高溫下工作的零部件若按圖中曲線1選走許用應(yīng)力,固然十分安全,但材 料的浪費大，成本増加；但如果按曲線6選定應(yīng)力,顯然也是不合適的。 工程上常以蠕變極限或蠕變速度作為衡量材料抗蠕變性能的依據(jù)。對汽輪機零部件,一般取變形速度為lxl0-5%/h ,相應(yīng)的%以代表工作溫度r下該蠕變速度對應(yīng)的應(yīng)力 極限(MN/IT12 ) o(/?)另一種是在給定溫度下和規(guī)定的使用時間內(nèi),使試件發(fā) 生一定量

3、總?cè)渥兊膽?yīng)力值。假設(shè)汽輪機設(shè)備工作時間規(guī) 隹為10萬小時，故其蠕變極限可定義為工作10萬小時 字量為1%的應(yīng)力值,用爲(wèi)§表示。Zhejiang University（_）高溫材料性能一mH二 $1.蠕變和持久強度(2 )蠕變速度和蠕變極限穩(wěn)定蠕變速度可以用經(jīng)驗公式表示:v.二 A(jb lgv. =lgA + 51go-或式中,久B為與試驗溫度.材料有關(guān)的常數(shù)?？梢钥闯?蠕變速度叫的對數(shù)值與應(yīng)力7的對數(shù)值之間呈線性關(guān)系。(3 )持久強度持久強度是指材料在高溫.應(yīng)力長期作用下抵抗斷裂的 能力。汽輪機高溫材料的持久強度扁(MN/m2)表示零部件在高溫( 范廠下工刪萬小時斷裂的應(yīng)力值。Mr

4、2應(yīng)力松弛:螺栓.螺母及汽封彈簧等長期處在高溫和應(yīng)力作用下, 會出現(xiàn)壓緊應(yīng)力逐漸下降的松弛現(xiàn)象。3熱疲勞：汽輪機在起動.停機和變負(fù)荷運行中零部件將承受周期 性變動的溫差應(yīng)力（即熱應(yīng)力）。4.熱脆性:金屬材料處在某一特走的溫度區(qū)域會產(chǎn)生沖擊韌性顯著降 低的現(xiàn)象,此脆化現(xiàn)象稱為熱脆性。5高溫氧化和腐蝕：汽輪機高壓級葉片受蒸汽電離而發(fā)生氧化作用, 所形成的氧化膜（保護膜）受到由蒸汽管道帶入的鹽垢的撞擊而破Zhejiang Universi(1)高的機械強度 材料在較高工作溫度(40(rc以上)下應(yīng)具有高的. 穩(wěn)定的機械強度，并且在規(guī)定的工作期限內(nèi),有高的蠕變極限.持久強 度.機械及熱沖擊韌性,具有好

5、的低溫和高溫脆性性能。(2 )耐侵蝕性 材料在濕汽區(qū)能抗水滴的沖蝕r對經(jīng)常在過熱區(qū)和濕汽區(qū) 間變動的葉片,要求能耐鹽溶液及氧腐蝕等。(3 )高的減振性能 材料應(yīng)有高的減振性能(即有高的對數(shù)衰減率),不 僅在受激振后振幅會很快衰減及消失,而且能通過自身的內(nèi)摩擦較好地 吸收振動能量,降低振動應(yīng)力的幅度,減小疲勞損傷的積累,有利于延 長工作壽命。(4 )良好的工藝性 材料應(yīng)具有良好的切削加工.冷變形以及鑄鍛等性能, 便于;令.熱加工及焊接,易于進行材料檢驗和及時發(fā)現(xiàn)缺陷。(5)寥純的材質(zhì)材料中硫.磷.錫.硅.碑等有害雜質(zhì)的含量少。M卻資源豐富所用的材料應(yīng)符合我國的資源特點。Zhejiang Univ

6、ersity（三）汽輪機葉片材料1Cr13用于450475°C溫度范圍2Cr13用于400500°C溫度范圍,2Cr13鋼含碳量較高,室溫強度及 硬度都較高，用于應(yīng)力較大的級，但因碳與鋸形成碳化物,使固溶 體中含鋸量相對減小r因此抗水滴沖蝕性能不足r用作末幾級葉片 時須經(jīng)表面處理Cr11MoV 用到550°CCr12WMoV用到580°C f具屈服極限較高.耐腐蝕性能好r除用在高 溫級外,也可用作大機組長葉片的材料2Cr12NiMo1 W1V用于亞臨界汽輪機葉片MCrCo基合金R26用于超臨界汽輪機葉片，進汽溫度達到566弋ME材料牌號工作溫度(

7、6;C)主要用途34CrMo500葉輪(輪轂競度b<250mm)35CrMoVA500葉輪 bW250mm35CrMoWV500葉輪、主軸34CrNi3Mo450葉輪 bv500mm17CrMolVl(P2)520焊接轉(zhuǎn)子，葉輪27Cr2MolV(P2)540咼壓機組轉(zhuǎn)子20Cr3MoWV (3II. 415)550咼壓機組轉(zhuǎn)子30Cr2MoV560咼壓機組轉(zhuǎn)子3 陛JMolV570高中壓轉(zhuǎn)子Zhejiang UnivVsiR許用應(yīng)力與安全系數(shù)的確定：計算方法的精確性.材料特性精度.制 造加工工藝.工作條件等。安全系數(shù)的選取依靠經(jīng)驗數(shù)據(jù)。許用應(yīng)力確定以材料溫度為界：一類為工作溫度低于蠕變

8、溫度的許用 應(yīng)力的確定r另一類則是高于蠕變溫度的許用應(yīng)力的確定。由于轉(zhuǎn)動零部件的破壞大多由振動疲勞引起，其許用應(yīng)力還應(yīng)以疲勞 極限為基礎(chǔ)。低于蠕變溫度時,校核零部件強度以工作溫度下的屈服極限5）.2 （或匹）為基準(zhǔn),即0=僉般情況下,葉片心"7 ,套套葉輪心日8 ,整鍛轉(zhuǎn)子兀= 2.2 ,焊接轉(zhuǎn)子s = 2.3 ,圍帶.拉金“S麗 s = 56。= 1-6 ,拉金孔截面刃$=2.5 r 輪緣“s = 2-5-3 ,豊_）葉片的許用應(yīng)力二40045（FC以上葉片，以蠕變極限和持久強度為強度校核的基礎(chǔ)，但 有些材料（如奧氏體鋼）在高溫下的屈服極限比持久強度低，故在強度 校核中往往取以下三

9、個數(shù)值中的最小值作為材料的許用應(yīng)力即：式中： 為在工作溫度t下的材料屈服極限為在工作溫度t下工作 105小時發(fā)生斷裂的材料持久極限；尤心為在工作溫度t下材料蠕變速 度為lxlO-5/h的應(yīng)力極限。十身、葉根的總應(yīng)力以及葉根齒、拉金與圍帶的彎應(yīng)力的安全系數(shù)，可 用：川=1719、2=20、nl05=1.7-2.0及兀ixi(f5=1117。豐盤)轉(zhuǎn)子以及葉輪的許用應(yīng)力乍按照最惡劣工況,即按最高使用溫度和壓力.轉(zhuǎn)速為松動轉(zhuǎn)速(1.20“。),以材料的屈服極限為許用應(yīng)力依據(jù)時,安全系數(shù)"0.2 :(1 )輪轂部分：開有鍵槽時死0 2刃7 ；不開鍵槽時0.2刃5。(2 )輪緣部分：倒冊葉根r

10、考慮彎應(yīng)力時2刃8 ,不考慮彎應(yīng)力時必左30 ；插入式葉根 %2二30。輪緣的抗擠壓應(yīng)力2刃0 ；抗剪切應(yīng) 力%2二22。平衡孔處0.2彳12。對焊接轉(zhuǎn)子的葉輪部分,兀0.2彳23 ；葉輪 連接部分,心£30。高溫工作的轉(zhuǎn)子及葉輪，屈服極限、持久強度和蠕變極限及具安全系數(shù) 其安全系數(shù):Zhejiang(-)葉片振動的安全準(zhǔn)則 葉片破壞主要的振動疲勞F總=平均作用力F +交變作用力FkF 引起葉片彎曲r產(chǎn)生靜彎矩Msb ,從而引起靜彎應(yīng)力"mFk 引起葉片振動f產(chǎn)生動彎矩Md r由Md可計算動應(yīng)力復(fù)合疲勞強度曲線 耐振強度曲線(由材料試驗確定)Zhejiang UnivAsi

11、ty J試驗方法：在一定溫度下,給出平均應(yīng)力暫,找出與它 相應(yīng)的經(jīng)過無限多次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生損壞的最大交變應(yīng)力幅值 稱為耐振強度。給出不同 簾I以得到 整理成曲線。改變工作溫度,重復(fù)上述試驗,可以得到不同的曲線。先確定q”=l2s=l2(q+qp+bjQ 離心應(yīng)力；%離心彎曲應(yīng)力；%一蒸汽彎曲應(yīng)力；> tffi線查耐振強度ZheJiang UnivdMP"葉片最危險的三種共振-第一種共振:切向A。型振動的動頻率與低頻激振力頻率如合拍時的共振-第二種共振:切向型振動的動頻率與高頻激振力頻率Z相等時的共振-第三種共振:切向A。型振動的動頻率與高頻激振力頻率Z相等時的共振 調(diào)頻葉片與

12、不調(diào)頻葉片-如葉片不允許在共振條件下長期運行，必須使葉片的自振頻率與激振力 頻率及其整數(shù)倍避開一定的安全距離,這種葉片稱為調(diào)頻葉片。-由于采用合理的結(jié)構(gòu)材料及阻尼，葉片能往共振條件下長期安全運行 無需將自振頻率與激振力頻率調(diào)開這種葉片稱不調(diào)頻葉片。兩種葉片的安全準(zhǔn)則,-不調(diào)頻葉片:主要考核葉片共振時的動應(yīng)力水平葉片:考核葉片自振頻率.激振力頻率和頻率調(diào)開的范圍S灼匕怎調(diào)頻葉片振動強度安全準(zhǔn)則雑(1)不調(diào)頻葉片的安全倍率亀不調(diào)頻葉片可能在共振狀態(tài)下工作,從安全運行要求出發(fā),共振時動 應(yīng)力bd應(yīng)小于材料允許的耐振強度b:ns -安全系數(shù)6 =嘰s盂4 = MJ -蒸汽作用力在振動方扁產(chǎn)生的靜彎曲應(yīng)

13、力，可以間接反映葉 片動應(yīng)力大小。葉片實際工作時的久 許用安全倍率時,即使葉片在共振狀態(tài)下,也 行。B -動應(yīng)力系數(shù),與葉片結(jié)構(gòu)阻尼特性.振動類型.共振階次及激 振力水平有關(guān)。常瞬葉片振動強度安全準(zhǔn)則J(2 )影響材料耐振強度因素1) 介質(zhì)腐蝕修正系數(shù)處蒸汽中帶鹽分,當(dāng)鹽分以較高濃度的溶液狀態(tài)停留在葉片表面時,可 能對材料產(chǎn)生腐蝕,降低耐振強度，降低程度用修正系數(shù)表示。-蒸汽濕度較大區(qū)域(x < 0.96 )-過熱區(qū)：力1 = 1:k、= 0.8過渡區(qū)：k、 0.5S灼匕怎調(diào)頻葉片振動強度安全準(zhǔn)則雑（2）影響材料耐振強度因素2）葉片表面質(zhì)量修正系數(shù)他拋光葉片不作修正k2 = 1表面鍍鋸葉

14、片,易產(chǎn)生龜裂,k2 = 0.83）應(yīng)力集中修正系數(shù)處他按截面過渡處圓角大小而定, 般為=11 1.4 ,拉金孔處k3 =2. 04）尺寸修正系數(shù)心對材料試驗條件的修正,因為材料耐振強度曲線是根據(jù)直徑為6mm的標(biāo)準(zhǔn)試棒試驗求出的。若葉型的最大厚度大于6mm r b：降低r用心修正。葉片厚度増加, 勺逶降?？刹榍€。(2 )影響材料耐振強度因素5 )通道修正系數(shù)氐4汽輪機運行形成水垢，使通道有效流通面積縮小，蒸汽流速 增加，蒸汽引起的彎應(yīng)力增大。過熱區(qū)域或蒸汽過渡區(qū)：k4 = 1.1濕蒸汽區(qū)：&4 =1低頻激振力：./ k7r. . k7l、L _ 1 + "“ =sill(z

15、 )/(z Sill )代 _ 2ZbS高頻激振力： z s兀、“S02k =0244八02 k = y(2 )影響材料耐振強度因素6)成組影響系數(shù)叫成組系數(shù)"的計算與激振力型式有關(guān):豊if怎調(diào)頻葉片振動強度安全準(zhǔn)貝!7)流場不均勻修正系數(shù)心仏=0811対于級前級后沒有抽汽進汽的,心=°8 級前有抽汽進氣或級后有全周抽汽,g = 0.9 級后有抽汽或排汽,k5 = 1.0 級前級后均有進汽或軸汽,k5 = 1.1 對高頻共振的A。及Bo型,5 = 1S灼匕怎調(diào)頻葉片振動強度安全準(zhǔn)則雑(3 )不調(diào)頻葉片的安全準(zhǔn)則不調(diào)頻葉片安全準(zhǔn)則按照安全倍率制定=02為保證葉片在共振條件下長

16、期安全運行,應(yīng)該 A? AJ上式中作為判別基準(zhǔn)的動靜彎應(yīng)力之比及安全系數(shù):采用統(tǒng)計的辦法 不調(diào)頻葉片準(zhǔn)則針對三種具體葉片進行。1)第一種不調(diào)頻葉片的許用安全倍率人訂 允許切向A。型與低頻激振力k舁共振的第一種不調(diào)頻葉片低頻激振力頻率率Zhejiang UniverC3 ）不調(diào)頻葉片的安全準(zhǔn)廝廠1 ）第一種不調(diào)頻葉片的許用安全倍率人訂在不同的k值下正在長期安全運行的葉片r可根據(jù)葉片的工作條件具 體算出久值及k值。試運行時出事故的葉片,也可算出Ab值及k值r標(biāo)于圖上。在長期安 全運行的葉片數(shù)據(jù)與共振損壞的葉片數(shù)據(jù)點間,有分界區(qū)。這條分界線上的點成為不同川直下安全倍率界限值如。兔 =兔,安全可以不調(diào)

17、頻對于低頻激振力,切向A理振動,不同Ar值時AJ的數(shù)值,見6表87第一種不調(diào)頻葉片的許用安全倍率k2345678910111213-20>20伽3:10.07.86.25.04.44.14.03.93.83.73.53表中無"2的數(shù)值，因為比=2 f振功比較強f i屢調(diào)J頻率,采用調(diào)頻葉片來避開共振,k = 1更不行好曾大,即激振力的間隔相對増大,平均動應(yīng)力下降,Sb】下降2）第二種不調(diào)頻葉片的許用安全倍率S訂允許切向B。型與高頻激振力Z 共振的第二種不調(diào)頻葉片 共統(tǒng)計14種機種，15種葉片都是事故葉片，從統(tǒng)計分析中看 出，葉片損壞的嚴(yán)重程度與安全倍率気的大小有密切關(guān)系。 計算

18、的葉片4b越小，越危險。哲6時，事故頻繁哲8時，事故偶然-Ab9.8時，運行十年以上發(fā)生斷裂23 ）第三種不調(diào)頻葉片的許用安全倍率人訂允許切向A。型與高頻激振力Zn共振的第三種不調(diào)頻葉片全周進汽級在相同激振力下,A。型振動的動應(yīng)力為B。型的4倍,因此全周進汽的Ab】 為40左右,考慮統(tǒng)計安全葉片的最小人匕值為53 f缺乏事故葉片的統(tǒng)計值r 所以準(zhǔn)則推薦為Ab=45-部分進汽級在同樣的進汽量下，部分進汽級的激振力比全周進汽級的激振力要大, 其如】值也大些按目前統(tǒng)計的安全葉片,最低 = 58 ,同樣由于缺乏事 故葉片點的數(shù)據(jù),故準(zhǔn)則暫時推薦Sb】=55©豊當(dāng)簽凋頻葉片振動強度安全準(zhǔn)則B避

19、開危險的共振區(qū)=> 采用頻率避開值巧A/由兩部分組成：保證一定的Sb應(yīng)具有的理論避開值+考慮葉片運行后動頻率的可能變化。限制非共振狀態(tài)下的動應(yīng)力= > 判別的標(biāo)準(zhǔn)采用安全倍率界 限值Sb，因為它根據(jù)耐振強度及動應(yīng)力的關(guān)系得出全面 地反映葉片振動狀態(tài)下的受力。Sb可以根據(jù)理論分析和統(tǒng) 計得出。眇處週頻葉片振動強度安全準(zhǔn)則在一定的阻尼下,振動幅值有規(guī)律:(1)共振幅值相應(yīng)于葉片處于共振時的動應(yīng)力。(2 )相應(yīng)避開了一定距離的振動幅值r相應(yīng)于調(diào)頻葉片的幅值。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定Sb】。由于調(diào)開了共振安全倍率界限值Sb可以 大大降低。2Zhejiang昭調(diào)頻葉片振動強度安全準(zhǔn)應(yīng)鑿周有一只異常噴

20、嘴f激振力頻率72=50Hz #葉片自振如：頻率（動頻率）fd = 170Hz ,此時葉片不發(fā)生共振，安全。若葉片的動頻率由于某種原因下降至150Hz，則牛彳，即氐 =3 ,葉片每自振3次剛好受到一次激振，發(fā)生共振。=4 ，即氐=4n若葉片的動頻率上升至200Hz ,則如葉片運行時的?？偸翘幱谀硟蓚€氐值之間，當(dāng)葉片的頻率變 化時，有落在某個氐值上而發(fā)生共振的危險性，所以要求離 開上下氐值一走距離，即要求有一走的避開率。調(diào)頻葉片的準(zhǔn)則適用于兩種葉片(1)第_種調(diào)頻葉片一切向A。型自振頻勉調(diào)開與低頻激振力R 的共振 調(diào)頻要求:針對實際動頻執(zhí)提出來的葉片的乙處于(辰1)"之間橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速

21、激振力頻率縱坐標(biāo)n為了葉片不共振，今處于(Zk之間。轉(zhuǎn)速的波動允許范圍為49 50.5Hz f激振力的頻率在心也波動，應(yīng)該 避開波動的所有范圍。為了葉片壬在(kA )心附近發(fā)生共振,整級葉片的最低動頻率應(yīng)該比 (kJ )衍高,即 辦廠伙_1加>為了不使葉片在 燈7陽近發(fā)生共振，整級葉片中的最高頻率力比力2低。kn2-fd2>df2按統(tǒng)計數(shù)據(jù),Sfx = 7.5Hz心二7.5Hzo動頻率滿足這兩條要求,則頻率 合格。輕要求：調(diào)頻葉片工作時的動應(yīng)力不能過大,即Ab不能過小，規(guī) 目值,見表88第一種調(diào)頻葉片的動頻率合格范圍fdl/H<22334455667轉(zhuǎn)速 /7(r/min)4

22、9.050549050549050549050.5 49.050.5動頻率（Hz）<90.5108.5139.5159.018 8.520952375260.0286.5>310.5許用安全倍率（或頻位2）<223344556如自由葉片4.53.73.53.5成組葉片3.03.03.03.0與不調(diào)頻葉片如比,在相同的燉TFSbl要小。好曾大，血小。才上述頻率調(diào)開裕量是指實際動頻率而言（工作溫度下）。對計算的動頻率 費一值百避開率常取為實際頻率避開率的15倍。2©豊當(dāng)簽凋頻葉片振動強度安全準(zhǔn)則B(2)第二種調(diào)頻葉片葉片切向B。型振動頻率調(diào)開與高頻激振力Z 的共振B。型頻率避開率的要求:100% >15%znzn2 xl00%>12%zn級內(nèi)測得最低自振頻郵1比Z 高一定范圍馮二 級內(nèi)測得最高自振頻郵2比z M氐一定范圍1場比場大3%主要是考慮到葉片運行后f由于溫度r蠕變等影響, 會有所下降©豊當(dāng)簽凋頻葉片振動強度安全準(zhǔn)則B安全倍率要求:1.當(dāng)葉片組B。型振動頻率和激振力m滿足避開要求時,不必 校核B。型安全倍率。2葉片組也存在A。型振動# A。型自振頻率可能與激振力頻率kn ( k&g