第三章叶轮结构计算

1、第三章 转子、叶轮结构和强度计算 转子n轴、叶轮、动叶片和联轴器等n汇集各级动叶栅上得到的机械能并传给发电机（或其它机械）。n处在高温中；n高速旋转；n 承受叶片、叶轮、主轴的离心力；n蒸汽作用的轴向推力；n温度分布不均匀的热应力；n巨大的扭转力矩；n轴系振动。 汽轮机结构汽轮机结构 （2 2） 二、转子二、转子鼓式转子，轮式转子；鼓式转子，轮式转子；轮式转子：整锻，套装，组合，焊接转子轮式转子：整锻，套装，组合，焊接转子 n整锻转子的优缺点：n优点：n整体锻造，没有热套部件，消除松动问题，启动和变工况适应性好，适于在高温下工作；n强度和刚度好于套装转子；n结构接凑，轴向尺寸短；n机械加工和装

2、配量少；n缺点：n锻件尺寸大工艺要求高，加工周期长，质量不易保证；n贵重材料消耗大，不利于材料合理利用。 汽轮机结构汽轮机结构 （2 2） 二、套装转子二、套装转子 n套装转子：n优点：n锻件尺寸小，加工方便，质量容易控制；n不同部件采用不同材料，合理利用；n缺点：n高温下由于金属蠕变，过盈消失，叶轮和轴之间松动；n快速启动适应性差。n整锻转子用于高温区；高压转子；n125MW, 200MW,300MW的高压转子；n300MW,600MW的高，中，低压转子。n套装转子适宜中压汽轮机或高压汽轮机的低压部分。n200MW的低压转子。n焊接转子：n若干个叶轮和两个端轴拼焊而成。如图6-29.n无中心

3、孔，可以承受很大的离心力，强度好；n结构紧凑，刚度大；n锻件尺寸小；n要求焊接工艺高，材料的焊接性能好。 汽轮机结构汽轮机结构 （2 2） 组合转子：组合转子： 国产国产200MW200MW的中压转子的中压转子 第一节 转子和叶轮结构n一、转子形式n汽轮机主要采用整锻转子，焊接转子，套装转子以及组合转子。n燃气轮机主要采用整锻转子，焊接转子，拉杆转子。n二、叶轮结构设计n1、叶轮的工作条件和受力情况：叶轮离心力，叶片离心力，接触应力（套装转子），热应力，振动应力。n2、套装叶轮的联结方式：n 简单过盈配合-扭矩借摩擦力和键传递n 重载过盈配合-依靠中间环，径向键，扭矩借摩擦力和键传递第一节 转

4、子和叶轮结构n n3、叶轮型线设计n 按给定应力曲线设计叶轮型线n 先选择型线，计算应力，再修改型线n4、型线组成：轮缘，轮面，轮毂（套装转子）n 轮缘一般等厚度n 轮毂一般等厚度n 轮面型线：等厚度，锥形，双曲线，等强度。n5、设计步骤：由叶根联结部的型式选择适当的轮缘形状和尺寸，进行轮缘强度计算，并确定轮缘上的外载荷；选择轮面型线和轮毂尺寸。n接近空心鼓式转子：壁厚壁直径 小得多。n力学分析：圆环绕轴心旋转，离心力引起圆环变形，在圆环径向纵截面中产生应力，应力均匀分布。 第二节 旋转薄圆环应力计算2/ddTdTdCdRdbR dmRdC22离心力：bdT 切向力dTdddTdC2sin2d

5、bRdbR2bR第二节 旋转薄圆环应力计算n结论：n旋转圆环的切向应力（径向纵截面拉应力）与材料 密度，圆环转动半径，转速的平方成正比。n如果考虑叶片的离心力，切向应力还要大。n缺点：不适用于高转速，大直径转子；n优点：重量轻，抗弯刚度大。R2第三节 叶轮应力状态和基本计算公式n以圆盘叶轮代替圆环组成转子。n圆盘任意半径上存在径向应力和切向应力。n叶轮上应力和应变对称于轴线。n应力沿轴向（厚度方向）均匀分布。n轴向应力可以忽略不计。属于轴对称平面应力问题。01)1()11(22222RERdRdyRydRdRdRdyydRd(3-10) 011222ARRdRdRdRdEA221(3-11)

6、8)3()1 ()1(122212ARRCCEr 8)31 ()1 ()1(122212ARRCCE(3-14)(3-15)空心等厚度叶轮： (3-16)(3-17)ririraraRRRR,2,1、边界条件：计算公式：riaiairaiiaaiaiarRRRRRRRRRRRRRRRR) 1()1 ()(8)3(22222222222222222riaiairaiiaaiaiaRRRRRRRRRRRRRRRR) 1()1 ()331(8)3(22222222222222222已知内孔和外缘处的径向应力实心等厚度叶轮： (3-18)(3-19)边界条件：计算公式：raaRR)331(832220

7、2,1irarRRRa、raarRR)(83222等厚度叶轮应力分析n1、等厚度叶轮应力与叶轮厚度无关；n2、叶轮切向应力比径向应力大；n3、最大应力发生在叶轮中心（实心叶轮）或内孔处（空心叶轮）；n4、实心叶轮在中心孔处的切向应力与径向应力相同。 实心叶轮应力曲线空心叶轮应力曲线切向应力-红色径向应力-兰色半径应力 （3-16），（3-17）的转化 从已知内孔、外缘的径向应力变为已知内孔（外缘）的径向应力和切向应力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变厚度叶轮应力计算实际叶轮应力计算的关键问题相邻两段交界处应力计算 )(.1.jrijrjj1.1.jjjrjryyn第一次计算 ：riIri叶轮以

9、工作转速n旋转 Ii .设为任意值边界条件：计算过程：TcIiIrirIr.1TcIiIrirI.11RRmi1、根据第一段等厚度叶轮内径处应力计算外径处应力两次计算法两次计算法： 2、根据第一段等厚度叶轮外径处应力计算第二段内径处应力)(1212IrIrII2112yyIrIr3、根据第二段等厚度叶轮内径处应力计算外径处应力4、根据第二段等厚度叶轮外径处应力计算第三段内径处应力直至计算到叶轮外径处应力IaIra,由于外径处的径向应力已知，如果第一次计算出的外径径向应力等于已知的值，则假设的内径处切向应力为正确值；如果第一次计算出的外径径向应力不等于已知的值，则需要进行第二次计算。n第一次计算

10、使用了正确的内孔处径相应力和转速和假设的内孔处切相应力，第二次计算仅为考察内孔处切相应力对计算造成的影响。第二次计算第二次计算 ：n由于通过叶轮内孔和外径处的径向应力就可以计算出由于通过叶轮内孔和外径处的径向应力就可以计算出叶轮各个半径处的应力，而二次计算中内孔的径向应叶轮各个半径处的应力，而二次计算中内孔的径向应力为准确值，因此两次计算中的误差是由外径处的径力为准确值，因此两次计算中的误差是由外径处的径向应力误差引起的。向应力误差引起的。0IIri叶轮转速n=0 Ii .设为任意值边界条件：计算过程与第一次计算相同，直至计算到叶轮外径处应力应力叠加 ：IIaIIra,真实应力计算真实应力计算

11、 ：IIraIrarakIIrIrrkIIIk修正系数任意半径处真实应力值IIIIraIraraIn已知：密度 7820kg/m3 泊松比 0.3 转速 3000 r/minn 外径 417.25mm，径向应力 24.81Mpan内径 50mm， 径向应力 0n厚度 140mm（ 50-280mm）n40 mm ( 280-417.25mm)n求：半径 0.05 , 0.15 , 0.28 , 0.35 , 0.41725m上的应力实际变厚度叶轮计算1、在叶轮上将要计算的半径划为不同厚度段的交界处；2、使用二次计算法计算。对于实心叶轮，第一次计算与第二次计算的假设条件只差转速。由内向外计算较好。计算：变厚度叶轮应力n转速：5600转/分；密度8000kg/m3；n外缘应力：50 MN/m2；内孔应力 ：10 MN/m2n求半径 80，120，160mm处应力。宽y：30； R：160宽：60；R：80)3()1 ()1 (282121422222mmRmmirir)31 ()1 ()1 (282121422222mmRmmiriRRmi)(.1.jrijrjj1.1.jjjrjryyIIraIrarakIIrIrrkIIIk泊松比 0.3叶轮平衡孔处应力计算平衡孔中心的半径为RL，按无中心孔计算相应应力。rllrll 3maxlrllrl 3max宽y：30； R：160宽：