第六章 汽輪機(jī)主要零件與振動(dòng)

1、熱工與動(dòng)力研究所熱工與動(dòng)力研究所盛德仁 教授聯(lián)系電話：聯(lián)系電話13906534086l汽缸、隔板是汽輪機(jī)靜止部分的主要部件。l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。l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

2、，水平中分面通過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法蘭和螺栓方式聯(lián)結(jié)。l現(xiàn)代汽輪機(jī)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) (a)與汽缸鑄成整體 (b)單獨(dú)鑄造后再組裝（二）汽缸的支承 （二）汽缸的支承 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

3、承（三）汽缸熱膨脹及滑銷系統(tǒng) 單缸汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)A、B橫銷；C、D立銷；F、E縱銷；O死點(diǎn)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焊縫焊接隔板焊接隔板 整鍛轉(zhuǎn)子整鍛轉(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)子圖(a) 、(e) ，等厚度葉輪，輪緣線速度不大(120130m/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l50300m/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400m/s。葉輪的結(jié)構(gòu)（一）葉片結(jié)構(gòu)1、葉片的結(jié)構(gòu)：l葉型作用：汽

4、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。l葉根作用：把葉片牢固地固定在輪緣上。l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(qiáng)度條件，自下而上葉片截面積縮小。10mdl3、葉根的分類、葉根的分類倒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

5、向外彎曲叉型長(zhǎng)葉片插入裝配縱樹型長(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 縱樹型圍帶: 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)

6、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。 （一）葉片的振動(dòng)與共振（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：自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)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)的頻率稱為自振頻率

7、，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(dòng)將逐漸衰減、直至消失，回到原來的平衡位置，振動(dòng)振幅隨時(shí)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(shí)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。2、強(qiáng)迫振動(dòng)1）當(dāng) =0時(shí)，激振力為穩(wěn)定的靜負(fù)荷時(shí)，=1，振幅即靜位移；2）當(dāng)沒有阻尼=0，在激振頻率等于自振頻率時(shí)，無限大，將發(fā)生共振破壞；3）有阻尼時(shí)，阻尼系數(shù)增大， 值降低；4.03.0 2.01.0 01.02.03.00.250.5 葉片的激振力從總體來講，是由于一個(gè)

8、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。 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 一階 二階 三階 振型曲線為上 A0 A1 A2 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 一階 二階 三階振型

9、 B0 B1 B22、軸向振動(dòng) 振動(dòng)沿最小主慣性軸（II）方向（繞最大慣性軸 ）的振動(dòng)稱軸向振動(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)。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。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

10、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)，稱為B型振動(dòng)。 葉身上沒有節(jié)點(diǎn)的稱為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，不容易避開激振力頻率。隨著頻率的提高，葉身上的節(jié)點(diǎn)數(shù)

11、會(huì)增多，依次出現(xiàn)B1、B2 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)來共同分析。3、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（1）葉片組內(nèi)各個(gè)葉片）葉片組內(nèi)各個(gè)葉片 的扭振的扭振節(jié)線扭振節(jié)線扭振（2）葉片組扭振）葉片組扭振 節(jié)點(diǎn)扭振節(jié)點(diǎn)扭振今后我們主要討論切向振動(dòng)，因?yàn)榻窈笪覀冎饕懻撉邢蛘駝?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)）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)；大的振動(dòng)；（2）討論彎曲應(yīng)力時(shí)

12、，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；）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；l切向振動(dòng)容易發(fā)生且比較危險(xiǎn)。特別關(guān)注低頻的切向振動(dòng)容易發(fā)生且比較危險(xiǎn)。特別關(guān)注低頻的A0 ，B0 ，A1型型l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)力過大而被拉斷。其被拉斷的區(qū)域，斷面呈現(xiàn)出高低不平狀。一般說明（1）葉片的自振頻率 葉片頻率分：l靜頻率：葉片或葉片組在不轉(zhuǎn)動(dòng)

13、時(shí)所具有的自振頻率；l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：l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。l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)，由于無實(shí)物無法測(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。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)，做過假定：（1） 假定葉片根部剛性固定在葉輪（2）

14、 不計(jì)葉片振動(dòng)彎曲時(shí)剪力對(duì)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(dòng)頻率的概念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(duì)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(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)。l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)并沒有在葉身的底部截面上終止

15、，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。00,0 xy00,0dyxdx1、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

16、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?。ㄒ唬╈o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。（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。

17、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)組內(nèi)葉片數(shù)已較多時(shí)，再采用改變組內(nèi)葉片數(shù)的方法，對(duì)自振頻率的影響較小。3.當(dāng)葉片較厚時(shí)，可從葉片頂部徑向鉆孔，減小葉片質(zhì)量，提高葉片自振頻率。4.加裝圍帶和拉金，同時(shí)改變振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量與剛度。圍帶安裝良好時(shí)，可不產(chǎn)生A0型振動(dòng)而只產(chǎn)生B0型振動(dòng)，提高了自振頻率。加裝拉金位置在0.6l處使葉片A0型自振頻率增加得較多；對(duì)A1振型，拉金在0.8l處使自振頻率增加較多。5、有時(shí)也重新設(shè)計(jì)隔板，調(diào)整噴嘴數(shù)，改變激振力頻率。（一）轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速及其有關(guān)概念1、臨界轉(zhuǎn)速 機(jī)組在起動(dòng)升速過程中，當(dāng)升到某一定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子將發(fā)生較大振動(dòng)；待轉(zhuǎn)速升高離開此轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)隨即明顯地減小，當(dāng)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高時(shí)，可能在某一較高的轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)又重新增大，轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高后振動(dòng)又會(huì)重新降低。這種轉(zhuǎn)子發(fā)生較大振動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速稱為轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。最低稱為第一階臨界轉(zhuǎn)速，依著轉(zhuǎn)速升高的次序，分別稱