第三章葉輪結(jié)構(gòu)計(jì)算

1、第三章 轉(zhuǎn)子、葉輪結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度計(jì)算 轉(zhuǎn)子n軸、葉輪、動(dòng)葉片和聯(lián)軸器等n匯集各級(jí)動(dòng)葉柵上得到的機(jī)械能并傳給發(fā)電機(jī)（或其它機(jī)械）。n處在高溫中；n高速旋轉(zhuǎn)；n 承受葉片、葉輪、主軸的離心力；n蒸汽作用的軸向推力；n溫度分布不均勻的熱應(yīng)力；n巨大的扭轉(zhuǎn)力矩；n軸系振動(dòng)。 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu) （2 2） 二、轉(zhuǎn)子二、轉(zhuǎn)子鼓式轉(zhuǎn)子，輪式轉(zhuǎn)子；鼓式轉(zhuǎn)子，輪式轉(zhuǎn)子；輪式轉(zhuǎn)子：整鍛，套裝，組合，焊接轉(zhuǎn)子輪式轉(zhuǎn)子：整鍛，套裝，組合，焊接轉(zhuǎn)子 n整鍛轉(zhuǎn)子的優(yōu)缺點(diǎn)：n優(yōu)點(diǎn)：n整體鍛造，沒(méi)有熱套部件，消除松動(dòng)問(wèn)題，啟動(dòng)和變工況適應(yīng)性好，適于在高溫下工作；n強(qiáng)度和剛度好于套裝轉(zhuǎn)子；n結(jié)構(gòu)接湊，軸向尺寸短；n機(jī)械加工和裝

2、配量少；n缺點(diǎn)：n鍛件尺寸大工藝要求高，加工周期長(zhǎng)，質(zhì)量不易保證；n貴重材料消耗大，不利于材料合理利用。 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu) （2 2） 二、套裝轉(zhuǎn)子二、套裝轉(zhuǎn)子 n套裝轉(zhuǎn)子：n優(yōu)點(diǎn)：n鍛件尺寸小，加工方便，質(zhì)量容易控制；n不同部件采用不同材料，合理利用；n缺點(diǎn)：n高溫下由于金屬蠕變，過(guò)盈消失，葉輪和軸之間松動(dòng)；n快速啟動(dòng)適應(yīng)性差。n整鍛轉(zhuǎn)子用于高溫區(qū)；高壓轉(zhuǎn)子；n125MW, 200MW,300MW的高壓轉(zhuǎn)子；n300MW,600MW的高，中，低壓轉(zhuǎn)子。n套裝轉(zhuǎn)子適宜中壓汽輪機(jī)或高壓汽輪機(jī)的低壓部分。n200MW的低壓轉(zhuǎn)子。n焊接轉(zhuǎn)子：n若干個(gè)葉輪和兩個(gè)端軸拼焊而成。如圖6-29.n無(wú)中心

3、孔，可以承受很大的離心力，強(qiáng)度好；n結(jié)構(gòu)緊湊，剛度大；n鍛件尺寸?。籲要求焊接工藝高，材料的焊接性能好。 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu) （2 2） 組合轉(zhuǎn)子：組合轉(zhuǎn)子： 國(guó)產(chǎn)國(guó)產(chǎn)200MW200MW的中壓轉(zhuǎn)子的中壓轉(zhuǎn)子 第一節(jié) 轉(zhuǎn)子和葉輪結(jié)構(gòu)n一、轉(zhuǎn)子形式n汽輪機(jī)主要采用整鍛轉(zhuǎn)子，焊接轉(zhuǎn)子，套裝轉(zhuǎn)子以及組合轉(zhuǎn)子。n燃?xì)廨啓C(jī)主要采用整鍛轉(zhuǎn)子，焊接轉(zhuǎn)子，拉桿轉(zhuǎn)子。n二、葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)n1、葉輪的工作條件和受力情況：葉輪離心力，葉片離心力，接觸應(yīng)力（套裝轉(zhuǎn)子），熱應(yīng)力，振動(dòng)應(yīng)力。n2、套裝葉輪的聯(lián)結(jié)方式：n 簡(jiǎn)單過(guò)盈配合-扭矩借摩擦力和鍵傳遞n 重載過(guò)盈配合-依靠中間環(huán)，徑向鍵，扭矩借摩擦力和鍵傳遞第一節(jié) 轉(zhuǎn)

4、子和葉輪結(jié)構(gòu)n n3、葉輪型線設(shè)計(jì)n 按給定應(yīng)力曲線設(shè)計(jì)葉輪型線n 先選擇型線，計(jì)算應(yīng)力，再修改型線n4、型線組成：輪緣，輪面，輪轂（套裝轉(zhuǎn)子）n 輪緣一般等厚度n 輪轂一般等厚度n 輪面型線：等厚度，錐形，雙曲線，等強(qiáng)度。n5、設(shè)計(jì)步驟：由葉根聯(lián)結(jié)部的型式選擇適當(dāng)?shù)妮喚壭螤詈统叽纾M(jìn)行輪緣強(qiáng)度計(jì)算，并確定輪緣上的外載荷；選擇輪面型線和輪轂尺寸。n接近空心鼓式轉(zhuǎn)子：壁厚壁直徑 小得多。n力學(xué)分析：圓環(huán)繞軸心旋轉(zhuǎn)，離心力引起圓環(huán)變形，在圓環(huán)徑向縱截面中產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力均勻分布。 第二節(jié) 旋轉(zhuǎn)薄圓環(huán)應(yīng)力計(jì)算2/ddTdTdCdRdbR dmRdC22離心力：bdT 切向力dTdddTdC2sin2d

5、bRdbR2bR第二節(jié) 旋轉(zhuǎn)薄圓環(huán)應(yīng)力計(jì)算n結(jié)論：n旋轉(zhuǎn)圓環(huán)的切向應(yīng)力（徑向縱截面拉應(yīng)力）與材料 密度，圓環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，轉(zhuǎn)速的平方成正比。n如果考慮葉片的離心力，切向應(yīng)力還要大。n缺點(diǎn)：不適用于高轉(zhuǎn)速，大直徑轉(zhuǎn)子；n優(yōu)點(diǎn)：重量輕，抗彎剛度大。R2第三節(jié) 葉輪應(yīng)力狀態(tài)和基本計(jì)算公式n以圓盤(pán)葉輪代替圓環(huán)組成轉(zhuǎn)子。n圓盤(pán)任意半徑上存在徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力。n葉輪上應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)稱于軸線。n應(yīng)力沿軸向（厚度方向）均勻分布。n軸向應(yīng)力可以忽略不計(jì)。屬于軸對(duì)稱平面應(yīng)力問(wèn)題。01)1()11(22222RERdRdyRydRdRdRdyydRd(3-10) 011222ARRdRdRdRdEA221(3-11)

6、8)3()1 ()1(122212ARRCCEr 8)31 ()1 ()1(122212ARRCCE(3-14)(3-15)空心等厚度葉輪： (3-16)(3-17)ririraraRRRR,2,1、邊界條件：計(jì)算公式：riaiairaiiaaiaiarRRRRRRRRRRRRRRRR) 1()1 ()(8)3(22222222222222222riaiairaiiaaiaiaRRRRRRRRRRRRRRRR) 1()1 ()331(8)3(22222222222222222已知內(nèi)孔和外緣處的徑向應(yīng)力實(shí)心等厚度葉輪： (3-18)(3-19)邊界條件：計(jì)算公式：raaRR)331(832220

7、2,1irarRRRa、raarRR)(83222等厚度葉輪應(yīng)力分析n1、等厚度葉輪應(yīng)力與葉輪厚度無(wú)關(guān)；n2、葉輪切向應(yīng)力比徑向應(yīng)力大；n3、最大應(yīng)力發(fā)生在葉輪中心（實(shí)心葉輪）或內(nèi)孔處（空心葉輪）；n4、實(shí)心葉輪在中心孔處的切向應(yīng)力與徑向應(yīng)力相同。 實(shí)心葉輪應(yīng)力曲線空心葉輪應(yīng)力曲線切向應(yīng)力-紅色徑向應(yīng)力-蘭色半徑應(yīng)力 （3-16），（3-17）的轉(zhuǎn)化 從已知內(nèi)孔、外緣的徑向應(yīng)力變?yōu)橐阎獌?nèi)孔（外緣）的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力riaiairaiiaaiaiarRRRRRRRRRRRRRRRR) 1()1 ()(8)3(22222222222222222riaiairaiiaaiaiaRRRRRRRRRR

8、RRRRRR) 1()1 ()331(8)3(22222222222222222)3()1 ()1 (282121422222mmRmmirir)31 ()1 ()1 (282121422222mmRmmiriRRmi212mr212mr222269.28dnR62210dnT )3()1 ()1 (269. 242mmc)31 ()1 ()1 (269. 242mmcTcirirr.Tcirir.1RRmiTcararr.Tcarar.1RRma變厚度葉輪應(yīng)力計(jì)算實(shí)際葉輪應(yīng)力計(jì)算的關(guān)鍵問(wèn)題相鄰兩段交界處應(yīng)力計(jì)算 )(.1.jrijrjj1.1.jjjrjryyn第一次計(jì)算 ：riIri葉輪以

9、工作轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn) Ii .設(shè)為任意值邊界條件：計(jì)算過(guò)程：TcIiIrirIr.1TcIiIrirI.11RRmi1、根據(jù)第一段等厚度葉輪內(nèi)徑處應(yīng)力計(jì)算外徑處應(yīng)力兩次計(jì)算法兩次計(jì)算法： 2、根據(jù)第一段等厚度葉輪外徑處應(yīng)力計(jì)算第二段內(nèi)徑處應(yīng)力)(1212IrIrII2112yyIrIr3、根據(jù)第二段等厚度葉輪內(nèi)徑處應(yīng)力計(jì)算外徑處應(yīng)力4、根據(jù)第二段等厚度葉輪外徑處應(yīng)力計(jì)算第三段內(nèi)徑處應(yīng)力直至計(jì)算到葉輪外徑處應(yīng)力IaIra,由于外徑處的徑向應(yīng)力已知，如果第一次計(jì)算出的外徑徑向應(yīng)力等于已知的值，則假設(shè)的內(nèi)徑處切向應(yīng)力為正確值；如果第一次計(jì)算出的外徑徑向應(yīng)力不等于已知的值，則需要進(jìn)行第二次計(jì)算。n第一次計(jì)算

10、使用了正確的內(nèi)孔處徑相應(yīng)力和轉(zhuǎn)速和假設(shè)的內(nèi)孔處切相應(yīng)力，第二次計(jì)算僅為考察內(nèi)孔處切相應(yīng)力對(duì)計(jì)算造成的影響。第二次計(jì)算第二次計(jì)算 ：n由于通過(guò)葉輪內(nèi)孔和外徑處的徑向應(yīng)力就可以計(jì)算出由于通過(guò)葉輪內(nèi)孔和外徑處的徑向應(yīng)力就可以計(jì)算出葉輪各個(gè)半徑處的應(yīng)力，而二次計(jì)算中內(nèi)孔的徑向應(yīng)葉輪各個(gè)半徑處的應(yīng)力，而二次計(jì)算中內(nèi)孔的徑向應(yīng)力為準(zhǔn)確值，因此兩次計(jì)算中的誤差是由外徑處的徑力為準(zhǔn)確值，因此兩次計(jì)算中的誤差是由外徑處的徑向應(yīng)力誤差引起的。向應(yīng)力誤差引起的。0IIri葉輪轉(zhuǎn)速n=0 Ii .設(shè)為任意值邊界條件：計(jì)算過(guò)程與第一次計(jì)算相同，直至計(jì)算到葉輪外徑處應(yīng)力應(yīng)力疊加 ：IIaIIra,真實(shí)應(yīng)力計(jì)算真實(shí)應(yīng)力計(jì)算

11、 ：IIraIrarakIIrIrrkIIIk修正系數(shù)任意半徑處真實(shí)應(yīng)力值IIIIraIraraIn已知：密度 7820kg/m3 泊松比 0.3 轉(zhuǎn)速 3000 r/minn 外徑 417.25mm，徑向應(yīng)力 24.81Mpan內(nèi)徑 50mm， 徑向應(yīng)力 0n厚度 140mm（ 50-280mm）n40 mm ( 280-417.25mm)n求：半徑 0.05 , 0.15 , 0.28 , 0.35 , 0.41725m上的應(yīng)力實(shí)際變厚度葉輪計(jì)算1、在葉輪上將要計(jì)算的半徑劃為不同厚度段的交界處；2、使用二次計(jì)算法計(jì)算。對(duì)于實(shí)心葉輪，第一次計(jì)算與第二次計(jì)算的假設(shè)條件只差轉(zhuǎn)速。由內(nèi)向外計(jì)算較好。計(jì)算：變厚度葉輪應(yīng)力n轉(zhuǎn)速：5600轉(zhuǎn)/分；密度8000kg/m3；n外緣應(yīng)力：50 MN/m2；內(nèi)孔應(yīng)力 ：10 MN/m2n求半徑 80，120，160mm處應(yīng)力。寬y：30； R：160寬：60；R：80)3()1 ()1 (282121422222mmRmmirir)31 ()1 ()1 (282121422222mmRmmiriRRmi)(.1.jrijrjj1.1.jjjrjryyIIraIrarakIIrIrrkIIIk泊松比 0.3葉輪平衡孔處應(yīng)力計(jì)算平衡孔中心的半徑為RL，按無(wú)中心孔計(jì)算相應(yīng)應(yīng)力。rllrll 3maxlrllrl 3max寬y：30； R：160寬：