汽轮机零部安全准则

1、 l 50年代开始，沿用苏联年代开始，沿用苏联1941年叶片和叶轮会议的标准，称旧标准。年叶片和叶轮会议的标准，称旧标准。 l1977年我国制定汽轮机叶片振动安全准则，年我国制定汽轮机叶片振动安全准则，1980年完成了年完成了“汽轮机叶汽轮机叶 片振动强度安全准则片振动强度安全准则”，即新准则，即新准则 。 新准则的特点：新准则的特点： 1、采用表征叶片抵抗疲劳破坏能力的安全倍率采用表征叶片抵抗疲劳破坏能力的安全倍率Ab 2、采用叶片材料在静动载荷作用下的耐振强度采用叶片材料在静动载荷作用下的耐振强度 来衡量动强度，并考来衡量动强度，并考 虑实际叶片工作条件对耐振强度及静应力的影响。虑实际叶片

2、工作条件对耐振强度及静应力的影响。 a 1、第一种共振：切向第一种共振：切向A0型振动的动频率与低频激振力频率型振动的动频率与低频激振力频率kn合拍时的共振合拍时的共振 2、第二种共振：切向第二种共振：切向B0型振动的动频率与高频激振力频率型振动的动频率与高频激振力频率Znn相等时的共振相等时的共振 3、第三种共振：切向第三种共振：切向A0型振动的动频率与高频激振力频率型振动的动频率与高频激振力频率Znn相等时的共振相等时的共振 l不调频叶片：允许其某个主频率与某类激振力频率合拍而处于共振状不调频叶片：允许其某个主频率与某类激振力频率合拍而处于共振状 态下长期运行，不会导致叶片疲劳破坏。态下长

3、期运行，不会导致叶片疲劳破坏。 l调频叶片：要求其某个主振型频率避开激振力频率才能安全运行。调频叶片：要求其某个主振型频率避开激振力频率才能安全运行。 1、叶片动应力叶片动应力 F总 总平均作用力 平均作用力F交变作用力交变作用力Fk F引起叶片弯曲，产生静弯矩引起叶片弯曲，产生静弯矩Msb，从而引起静弯应力从而引起静弯应力 Fk引起叶片振动，产生动弯矩引起叶片振动，产生动弯矩Md，由由Md可计算动应力可计算动应力 D动应力放大系数动应力放大系数 2、叶片组、叶片组 当若干个叶片用围带或拉筋连接成组后，组内叶片受到的激振力大小和相位当若干个叶片用围带或拉筋连接成组后，组内叶片受到的激振力大小和

4、相位 不同，计算时取平均值。不同，计算时取平均值。 引入成组系数引入成组系数 (叶片组内某叶片受到的激振力平均幅值叶片组内某叶片受到的激振力平均幅值)/（单个叶片受到的激振力幅值）（单个叶片受到的激振力幅值） （叶片组内某叶片动应力幅值的均值）（叶片组内某叶片动应力幅值的均值） /（单个叶片动应力幅值）（单个叶片动应力幅值） d sb * sbd D l叶片振动产生应力的特性如图叶片振动产生应力的特性如图 纵坐标：应力纵坐标：应力 横坐标：时间横坐标：时间t 平均应力平均应力 （静应力）（静应力） 幅值幅值 从图上看，从图上看， 0时，耐振强度时，耐振强度 即疲劳极限即疲劳极限 耐振强度曲线（

5、复合疲劳强度曲线）耐振强度曲线（复合疲劳强度曲线） a m 1 a m 试验方法：在一定温度下，给出平均应力试验方法：在一定温度下，给出平均应力 ，找出与它相应的经过，找出与它相应的经过 无限多次应力循环而不发生损坏的最大交变应力幅值无限多次应力循环而不发生损坏的最大交变应力幅值 ，称为耐振，称为耐振 强度。给出不同强度。给出不同 ，可以得到，可以得到 ，整理成曲线。改变工作温度，整理成曲线。改变工作温度， 重复上述试验，可以得到不同的曲线。重复上述试验，可以得到不同的曲线。 教材中教材中P283图图5.6.22（常用的三种叶片材料的耐振强度曲线）（常用的三种叶片材料的耐振强度曲线） 先确定先

6、确定 离心应力；离心应力； 离心弯曲应力；离心弯曲应力； 蒸汽弯曲应力；蒸汽弯曲应力； 然后根据然后根据 ，t t曲线查耐振强度曲线查耐振强度 m a m a 1.21.2() ms tcc ps b c c p s b m a I. 汽轮机一级叶轮上叶片的频率不一样，出现频率分散。汽轮机一级叶轮上叶片的频率不一样，出现频率分散。 原因有两方面：制造方面原因有两方面：制造方面造成各个叶片质量、刚性差异造成各个叶片质量、刚性差异 安装方面安装方面边界条件差异边界条件差异 定义：定义： 同一级中，测得的切向同一级中，测得的切向A0型自振频率最大值型自振频率最大值fmax与最小值与最小值fmin之差

7、与平均值之差与平均值 之比的百分数，由之比的百分数，由 表示。表示。 规定范围规定范围 l频率分散度反映叶片制造安装的综合性能，若频率分散度太大，就频率分散度反映叶片制造安装的综合性能，若频率分散度太大，就 不可能进行调频工作。不可能进行调频工作。 l正常情况下，可达正常情况下，可达4以下，规定以下，规定 6-7，就不容易产生共振损坏问题。，就不容易产生共振损坏问题。 ld kff l如叶片不允许在共振条件下长期运行，必须使叶片的自振频率与激如叶片不允许在共振条件下长期运行，必须使叶片的自振频率与激 振力频率及其整数倍避开一定的安全距离，这种叶片称为调频叶片。振力频率及其整数倍避开一定的安全距

8、离，这种叶片称为调频叶片。 l由于采用合理的结构材料及阻尼，叶片能在共振条件下长期安全运由于采用合理的结构材料及阻尼，叶片能在共振条件下长期安全运 行，无需将自振频率与激振力频率调开，这种叶片称不调频叶片。行，无需将自振频率与激振力频率调开，这种叶片称不调频叶片。 注意：注意： l数量最多的中间级叶片基本频率较高，自振频率为激振力频率整数数量最多的中间级叶片基本频率较高，自振频率为激振力频率整数 倍时相邻两个倍数，如倍时相邻两个倍数，如3、4倍之间的频率间隔很小，小于一级叶片倍之间的频率间隔很小，小于一级叶片 的频率分散度和转速波动引起的频率变化范围，这些级的叶片可能的频率分散度和转速波动引起

9、的频率变化范围，这些级的叶片可能 在共振状态下工作，必须采用不调频叶片。在共振状态下工作，必须采用不调频叶片。 不调频叶片：主要考核叶片共振时的动应力水平不调频叶片：主要考核叶片共振时的动应力水平 调频叶片：考核叶片自振频率、激振力频率和频率调开的范围调频叶片：考核叶片自振频率、激振力频率和频率调开的范围 1 、安全倍率安全倍率Ab 不调频叶片可能在共振状态下工作，从安全运行要求出发，共振时动不调频叶片可能在共振状态下工作，从安全运行要求出发，共振时动 应力应力 应小于材料允许的耐振强度应小于材料允许的耐振强度 ns 安全系数安全系数 C Cd d动应力系数，与叶片结构、阻尼特性、振动类型、共

10、振阶次及激动应力系数，与叶片结构、阻尼特性、振动类型、共振阶次及激 振力水平有关。振力水平有关。 蒸汽作用力在振动方向所产生的静弯曲应力，可以间接反映叶蒸汽作用力在振动方向所产生的静弯曲应力，可以间接反映叶 片动应力大小片动应力大小 。 叶片实际工作时的叶片实际工作时的Ab 许用安全倍率时，即使叶片在共振状态下，也许用安全倍率时，即使叶片在共振状态下，也 能安全运行。能安全运行。 d * a * a ds bd s C n * a bds s b AC n s b （1）介质腐蚀修正系数）介质腐蚀修正系数k1 蒸汽中带盐分，当盐分以较高浓度的溶液状态停留在叶片表面时，可蒸汽中带盐分，当盐分以较

11、高浓度的溶液状态停留在叶片表面时，可 能对材料产生腐蚀，降低耐振强度，降低程度用修正系数表示。能对材料产生腐蚀，降低耐振强度，降低程度用修正系数表示。 l蒸汽湿度较大区域（蒸汽湿度较大区域（xAb，安全可以不调频安全可以不调频 l对于低频激振力，切向对于低频激振力，切向A0型振型振 动，不同动，不同k值时值时Ab的数值，见的数值，见 P286表表5.6.1 说明：说明： l表中无表中无k2的数值，因为的数值，因为k2，振动比较强，要调开共振频率，采，振动比较强，要调开共振频率，采 用调频叶片来避开共振，用调频叶片来避开共振，k1更不行更不行 lk增大，即激振力的间隔相对增大，平均动应力下降，增

12、大，即激振力的间隔相对增大，平均动应力下降，Ab下降下降 l k12有另外值有另外值 （2）允许切向允许切向B0型与高频激振力型与高频激振力Znn共振的第二种不调频叶片共振的第二种不调频叶片 共统计共统计14种机种，种机种，15种叶片都是事故叶片，从统计分析中看出，叶片损种叶片都是事故叶片，从统计分析中看出，叶片损 坏的严重程度与安全倍率坏的严重程度与安全倍率Ab的大小有密切关系。计算的叶片的大小有密切关系。计算的叶片Ab越小，越越小，越 危险。危险。 l Ab8时，事故偶然时，事故偶然 l Ab9.8时，运行十年以上发生断裂时，运行十年以上发生断裂 取取Ab10 （3）允许切向）允许切向A0

13、型与高频激振力型与高频激振力Znn共振的第三种不调频叶片共振的第三种不调频叶片 l全周进汽级全周进汽级 在相同激振力下，在相同激振力下，A0型振动的动应力为型振动的动应力为B0型的型的4倍，因此全周进汽的倍，因此全周进汽的Ab 为为40左右，考虑统计安全叶片的最小左右，考虑统计安全叶片的最小Ab值为值为53，缺乏事故叶片的统计值，缺乏事故叶片的统计值， 所以准则推荐为所以准则推荐为Ab45 l部分进汽级部分进汽级 在同样的进汽量下，部分进汽级的激振力比全周进汽级的激振力要大，在同样的进汽量下，部分进汽级的激振力比全周进汽级的激振力要大， 其其Ab值也大些，按目前统计的安全叶片，最低值也大些，按

14、目前统计的安全叶片，最低Ab58，同样由于缺乏同样由于缺乏 事故叶片点的数据，故准则暂时推荐事故叶片点的数据，故准则暂时推荐Ab55 （一）避开危险的共振区（一）避开危险的共振区采用频率避开值采用频率避开值 l 由两部分组成：保证一定的由两部分组成：保证一定的Ab应具有的理论避开值考虑叶片运行应具有的理论避开值考虑叶片运行 后动频率的可能变化。后动频率的可能变化。 （二）限制非共振状态下的动应力（二）限制非共振状态下的动应力判别的标准采用安全倍率界限值判别的标准采用安全倍率界限值Ab ， 因为它根据耐振强度及动应力的关系得出，全面地反映叶片振动状态下因为它根据耐振强度及动应力的关系得出，全面地

15、反映叶片振动状态下 的受力。的受力。Ab 可以根据理论分析和统计得出：可以根据理论分析和统计得出： f f 在一定的阻尼下，振动幅值有规律：在一定的阻尼下，振动幅值有规律： （1）共振幅值相应于叶片处于共振时的动应力。）共振幅值相应于叶片处于共振时的动应力。 （2）相应避开了一定距离的振动幅值，相应于调频叶片的幅值。）相应避开了一定距离的振动幅值，相应于调频叶片的幅值。 l根据统计数据确定根据统计数据确定Ab。由于调开了共振，安全倍率界限值由于调开了共振，安全倍率界限值Ab可以可以 大大降低。大大降低。 要求（一）（二）同时满足规定的指标要求（一）（二）同时满足规定的指标 l1）频率分散度的概

16、念。频率分散度的概念。 l2）频率避开度频率避开度 l如：圆周有一只异常喷嘴，激振力频率如：圆周有一只异常喷嘴，激振力频率n50Hz，叶片的自振频率叶片的自振频率fd 170Hz，此时叶片不发生共振，安全。此时叶片不发生共振，安全。 l若叶片的动频率由于某种原因下降至若叶片的动频率由于某种原因下降至150Hz，则则 ，即，即k3，叶片每叶片每 自振自振3次刚好受到一次激振，发生共振。次刚好受到一次激振，发生共振。 l若叶片的动频率上升至若叶片的动频率上升至200Hz，则则 ，即，即k4 l叶片运行时的叶片运行时的 总是处于某两个总是处于某两个k值之间，当叶片的频率变化时，有落值之间，当叶片的频

17、率变化时，有落 在某个在某个k值上而发生共振的危险性，所以要求离开上下值上而发生共振的危险性，所以要求离开上下k值一定距离，即值一定距离，即 要求有一定的避开率。要求有一定的避开率。 3 d f n 4 d f n d f n l调频叶片的新准则适用于两种叶片调频叶片的新准则适用于两种叶片 (1) 第一种调频叶片第一种调频叶片切向切向A0型自振频率型自振频率fd调开与低频激振力调开与低频激振力kn的共振的共振 调频要求：针对实际动频率调频要求：针对实际动频率fd提出来的提出来的 叶片的叶片的 处于（处于（k-1）k之间，正常工作。之间，正常工作。 l横坐标为转速横坐标为转速n激振力频率激振力频

18、率 l纵坐标纵坐标 d f n d f l为了叶片不共振，为了叶片不共振， 处于（处于（k-1)k之间。之间。 l转速的波动允许范围为转速的波动允许范围为4950.5Hz，激振力的频率在激振力的频率在n1n2波动，应该避开波波动，应该避开波 动的所有范围。动的所有范围。 l为了叶片不在（为了叶片不在（k-1）n1附近发生共振，整级叶片的最低动频率应该比（附近发生共振，整级叶片的最低动频率应该比（k-1）n1 高，即高，即 l为了不使叶片在为了不使叶片在 附近发生共振，整级叶片中的最高频率附近发生共振，整级叶片中的最高频率 比比 低。低。 l按统计数据，按统计数据， 7.5Hz， 7.5Hz。动

19、频率满足这两条要求，则频率合格。动频率满足这两条要求，则频率合格。 l安全倍率要求：新准则规定，调频叶片工作时的动应力不能过大，即安全倍率要求：新准则规定，调频叶片工作时的动应力不能过大，即Ab不能过不能过 小，有规定的小，有规定的Ab值，见值，见P288表表5.6.2 d f n 111 (1) d fknf 2 kn d f 2d f 222 ffkn d 1 f 2 f 与不调频叶片与不调频叶片Ab比，在相同的比，在相同的k值下值下Ab要小。要小。k增大，增大，Ab小。小。 目前为止，国内未发现目前为止，国内未发现 6时，考虑转速变动、叶片频率分散度，以及时，考虑转速变动、叶片频率分散度

20、，以及 ， 上下无余地可上下无余地可 调，即无法采用调频叶片，应按不调频叶片设计。调，即无法采用调频叶片，应按不调频叶片设计。 d f 1 f 2 f (2) 第二种调频叶片叶片切向第二种调频叶片叶片切向B0型振动频率调开与高频激振力型振动频率调开与高频激振力Znn的共振的共振 B0型频率避开率的要求：型频率避开率的要求： l级内测得最低自振频率级内测得最低自振频率f1比比Znn高一定范围高一定范围 l级内测得最高自振频率级内测得最高自振频率f2比比Znn低一定范围低一定范围 lf1比比f2大大3主要是考虑到叶片运行后，由于温度，蠕变等影响，主要是考虑到叶片运行后，由于温度，蠕变等影响， 会有

21、所下降会有所下降 1 1 15% n n fZ n f Z n 2 2 12% n n Z nf f Z n 1 f 1、当叶片组当叶片组B0型振动频率和激振力型振动频率和激振力Znn满足避开要求时，不必校核满足避开要求时，不必校核B0型安型安 全倍率。全倍率。 2、叶片组也存在、叶片组也存在A0型振动，型振动，A0型自振频率可能与激振力频率型自振频率可能与激振力频率kn（k=7） 处于共振状态，因此要补充校核处于共振状态，因此要补充校核A0型和型和kn（k=7）时的振动安全倍率时的振动安全倍率 。 l如果确认叶片的自振频率避开率不能满足准则要求时，再看它能否如果确认叶片的自振频率避开率不能满足准则要求时，再看它能