第六章汽轮机主要零件与振动

汽轮机原理

第六章汽轮机主要零件结构与振动热工与动力研究所盛德仁教授E-mail:shengdr@联系电话13906534086第一节汽轮机静止部分结构汽缸、隔板是汽轮机静止部分的主要部件。汽缸是受力和结构形状都十分复杂的壳体。它受到的载荷主要由缸内外的压差、温度分布与变化、以及安装在汽缸上的部件和管道所造成。汽轮机由于工质参数的逐级变化，汽缸各段所承受的压差和温度也是变化的，这样汽缸各段的厚度也随之变化，不同蒸汽参数下的汽缸材料也有所不同。汽缸上要安装喷嘴室、导叶环、隔板和隔板套，还要连接进、排汽和抽汽管道，因此，汽缸要承受自重及其连接的凝汽器的部分质量和其他连接部件的作用力。为了便于安装转子和隔板等，汽缸往往分为上下两半，水平中分面通过法兰和螺栓连接密封。汽缸与进、排汽和抽汽管道的连接以及与冷凝器的连接亦均通过法兰和螺栓方式联结。现代汽轮机为了解决高参数下汽缸面临的高载荷问题，也有采用圆筒汽缸的，由于没有中分面，汽缸的受力状态得到优化，汽缸的膨胀与变形、载荷承载能力等都比上下分两半的汽缸好。当然，其制造和安装也需要满足更高要求。一、汽缸（一）汽缸的结构形式

1．蒸汽室的布置特点2．高、中压汽缸的结构特点3．调节阀的布置4．排汽缸结构一、汽缸(a)与汽缸铸成整体(b)单独铸造后再组装（二）汽缸的支承一、汽缸（二）汽缸的支承

一、汽缸1—内汽缸；2—内缸连接螺栓；3—内上缸；4—外下缸；5—外缸连接螺栓;6—外上缸；7—轴承座；8—支承垫片内缸在外缸中的支承（三）汽缸热膨胀及滑销系统单缸汽轮机滑销系统一、汽缸A、B—横销；C、D—立销；F、E—纵销；O—死点二、隔板隔板与静叶（焊接隔板、铸造隔板）1—喷嘴叶片；2—内围带；3—外围带；4—隔板外缘；5—隔板体；6—焊缝焊接隔板第二节汽轮机转动部分机构

一、转子整锻转子

整锻转子套装转子

套装转子焊接转子焊接转子图(a)、(e)，等厚度叶轮，轮缘线速度不大(120—130m/s以下)，整锻转子高压部分;图(b)，变厚度叶轮，圆周速度到达170m/s;图(c)、(f)，锥形叶轮，圆周速度在l50—300m/s;图(d)，双曲线剖面叶轮，双列速度级；图(g)，等强度叶轮，圆周速度超过400m/s。二、叶轮叶轮的结构三、叶片（一）叶片结构1、叶片的结构：叶型－作用：汽轮机的主要通流部分，承担把蒸汽的动能转变为机械能的任务，要求有好的汽动特性，比如型线、进汽角、出汽角等。叶根－作用：把叶片牢固地固定在轮缘上。叶顶－作用：汽流通道的上表面，可减少漏汽损失。并通过围带的不同结构起到调整叶片频率作用。拉金——叶片调频。2、叶片分类按叶片截面沿叶高变化的规律分：（1）等截面叶片：叶片的截面处处相等，适用于短叶片，即径高比（2）变截面叶片（扭叶片）：叶片高度增大后为提高叶片的效率，叶片的型线沿高度变化，为了改善叶片的强度条件，自下而上叶片截面积缩小。三、叶片3、叶根的分类倒T型－简单，强度条件差，发展为双倒T型安装方式：圆周向装配方式外包T型－改善轮缘向外弯曲叉型－长叶片－插入装配纵树型－长叶片、叶根与轮缘截面接近于等强度—轴向装配。叶根的选型是根据受力情况和加工的工艺习惯。

T型叶根外包T型叉型纵树型三、叶片围带:作用：减小叶顶漏汽损失；增加叶片抗弯刚度，采用不同结构可以进行叶片调频。型式：整体围带。与叶型部分同时制成。装配围带。由薄钢板或带制成，通过铆接或焊接固定在叶顶上。长叶片为了减小离心力，取消围带。采取顶部削薄，并减小叶顶径向间隙。拉金：作用：调整叶片的自振频率，增强叶片振动阻尼。型式：拉金由直径为5-12mm的细金属丝或管组成。贯穿于叶型段的拉金孔中。若与叶片焊接—紧拉金（焊接拉金）不与叶片焊接—松拉金拉金置于动叶流道内，造成流动损失，降低经济性，只有在叶片振动特性迫切需要才使用。N300低压第三级叶片（252mm）N135机组末级叶片（710mm)第三节叶片振动一、叶片振动及相关概念

（一）叶片的振动与共振

汽轮机叶片在受到蒸汽平均作用力，进行高速旋转的同时，还受到因汽流不均匀产生的激振力作用，激起叶片的振动。叶片是在振动状态下工作。激振力由结构因素、制造和安装误差及工况变化等原因引起，一般处于隔板喷嘴的某些部位，因叶片高速旋转，所以激振力对叶片的作用是周期性的。

叶片的振动分为两大类：自由振动、强迫振动（一）叶片的振动与共振1、自由振动：叶片是一个弹性体，若在外力作用下迫使其离开原平衡位置，当外力除去，叶片将在原平衡位置的两侧作往复自由振动，其振动频率为叶片的自振频率。

1）振动的频率称为自振频率，取决于

叶片本身的形状、尺寸、材料；

叶片的边界条件，如叶根的紧固程度，有无围带、拉筋等；2）叶片在自振过程中，若受到阻尼作用，振动将逐渐衰减、直至消失，回到原来的平衡位置，振动振幅随时间变化的过程可用曲线表示。3）振幅按指数规律递减，而频率基本不变。叶片在工作时的阻尼主要来自两方面：材料本身的内摩擦，介质的粘性阻尼。（一）叶片的振动与共振2、强迫振动1）当γ=0时，激振力为稳定的静负荷时，β=1，振幅即静位移；2）当没有阻尼ξ=0，在激振频率等于自振频率时，β无限大，将发生共振破坏；3）有阻尼时，阻尼系数ξ增大，β值降低；4.03.0

2.01.0

01.02.03.00.250.5β（二）激振力及其频率

叶片的激振力从总体来讲，是由于一个级中汽流的流场不均匀所致。喷嘴后的不均匀汽流力，作用在叶片上，就能激起叶片的振动。造成流场不均匀的因素：（1）叶栅尾迹扰动（2）结构扰动，部分进汽，抽汽口、排汽管，叶栅节距偏差等原因引起汽流流场不均匀。自由叶片的振型1、切向振动1）A型振动叶片在激振力作用下振动，顶端也振动。按自振频率由低到高，振型曲线为

动画一阶二阶三阶振型曲线为上A0A1A2型振动不动的节点数增加

A0是在最低的自振频率下振动，顶部振幅最大，自上而下逐渐减小，只有根部不动。2）B型振动叶片叶身振动，顶端不振动，称B型振动。自由叶片不发生上述振型中

A0型最危险，B0型次之动画

一阶二阶三阶振型

B0B1B22、轴向振动振动沿最小主惯性轴（I－I）方向（绕最大惯性轴）的振动称轴向振动。理论上有A0、A1，但轴向惯性矩大，振动频率高，不易出现有节点的轴向振动。（三）单个叶片（自由叶片）的振型（三）单个叶片（自由叶片）的振型3、扭转振动叶片各个横截面重心的连线，组成了一条轴线，当叶片受到一个绕轴线来回变化的交变扭矩时，发生扭转振动，常在长叶片中出现。一阶振型－所有截面发生同方向的来回扭转，顶部转角最大，把叶片中不扭转的线称为节线，一阶振型只有一条节线。扭振频率越高，节线越多。分别为T1，T2…型扭振。叶片组的振型1、切向振动以围带连接为例根据叶片顶部是否振动，分A型、B型。1）A型振动各叶片振动方向相同，叶片顶部的振幅最大，组内各叶片受到围带的牵联，振动频率相同。随频率升高，节点的数目增加。依次为A0、A1、A2….型。

A0型最危险。当有拉金时，节点往往在拉金附近。2）B型振动叶身振动时，叶顶的围带基本不动，称为B型振动。叶身上没有节点的称为B0型。是型振动中最危险的。根据组内叶片的振动方向可分为：B01型：叶片组中心线两侧等距离的叶片振动相位双双相反，对围带的作用力刚好相反，两侧作用于围带的力可抵消，围带不动。B02型：叶片组中心线两侧等距离的叶片振动相位双双相同，对围带的作用力基本平衡，围带不动。组内各叶片的振动频率也不相同，而是略有大小的一组频率数值－频带，不容易避开激振力频率。随着频率的提高，叶身上的节点数会增多，依次出现B1、B2…型。叶片组的振型叶片组的振型2、轴向振动及轴向扭转振动同组中两部分叶片各作反方向振动，围带上出现不振动的节点，也有T1型、T2型…..等，每一叶片的振动同时伴有叶片的扭转振动。轴向振动要与叶轮的轴向振动来共同分析。叶片组的振型3、扭转振动（1）叶片组内各个叶片的扭振—节线扭振（2）叶片组扭振—

节点扭振今后我们主要讨论切向振动，因为（1）切向振动是绕叶片最小主惯性轴的振动，即使很小的激振力也可能激发相当大的振动；（2）讨论弯曲应力时，蒸汽对叶片作用力的方向几乎是这个方向，作用力最大；切向振动容易发生且比较危险。特别关注低频的A0，B0，A1型（五）叶片振动损坏的特征当叶片由于发生共振而损坏时，因其受到的是往复交变的应力，表现为疲劳损坏的特征，其断面较光亮平整，具有贝壳纹路。由其断口金相图中可看出疲劳损坏逐渐发展的过程，也可看出损坏的起始点和破裂发展的方向。当断裂面积逐渐扩大时，叶片强度显著降低，最后因应力过大而被拉断。其被拉断的区域，断面呈现出高低不平状。二、单个叶片自振特性计算一般说明（1）叶片的自振频率叶片频率分：静频率：叶片或叶片组在不转动时所具有的自振频率；动频率：叶片或叶片组在转动的叶轮上所具有的自振频率；动频率不同于静频率，因为转动时叶片受到离心力的作用，另外根部紧固条件也要发生变化。一般指静频率。（2）叶片频率求取的方法：试验法：当叶片制造并安装好以后，可采用试验方法测定叶片静频率的数值，对于长叶片还可测取相应的振型。但是目前测动频率比较困难。计算法：当对叶片进行改型或设计新叶片时，由于无实物无法测定。对于设计叶片用计算方法求取各阶振型的自振频率，预先分析是否会发生共振，以选择最佳的设计方案。（三)影响自振频率的因素

1、工作温度在叶片自振频率计算时，包括建模，确定积分常数－边界条件时，做过假定：（1）

假定叶片根部刚性固定在叶轮（2）

不计叶片振动弯曲时剪力对扰度的影响（3）

没有考虑工作温度的影响（4）

没有考虑转速的影响

假定必须加以修正。（1）（2）假定用叶根紧固修正系数修正（3）用温度修正系数修正（4）提出动频率的概念（三)影响自振频率的因素2、叶根牢固性（1）

影响分析推导公式过程中，边界条件为：根部无位移根部无弯曲

绝对的刚性无法做到，一方面叶根与轮缘是金属，弹性体，厚度有限，受力后发生弹性形变，根部不可能不动，另一方面，根部与轮缘，叶根和叶根之间的配合，不可能完全紧密贴合，难免有间隙，高温下轮缘的膨胀大些，所以叶根振动时，相对于轮缘有松动。叶片振动的影响，一使叶片的抗弯刚度减小，二是叶片的振动并没有在叶身的底部截面上终止，要延伸到叶根中，相当于叶片振动部分的长度增加，参加振动的质量变大，这些影响使叶片的自振频率降低。叶片动频率

1、动频率：考虑叶片离心力影响后的叶片振动频率。2、影响动频率的主要因素（1）当叶片随转子高速旋转时，叶片振动受力的情况发生变化，除了弹性力，惯性力，还有离心力，离心力对叶片将产生一个附加弯矩，阻止振动叶片的弯曲变形，相当于增加叶片的抗弯刚度，使叶片振动频率升高。（2）叶片转动由于离心力的作用，有可能使叶根松动，从而使自振频率下降，若叶轮刚度较低，这项影响可能大于叶片离心力产生的反弯矩，使叶片的动频率反而比静频率低。（3）振型不同，离心力影响不同

A0

轴向振动低阶振动

B0

切向振动高阶振动：节点多，振幅小，离心力对频率的影响小叶片频率的测定与调频（一）静频率测定：转子静止状态下测定叶片的自振频率1、自振法：简单，只能测A0型振动的频率，用于测长叶片。李沙茹图，示波器的荧光屏上出现稳定的椭圆或圆，则音频信号发生器的频率是被测叶片的自振频率。

李沙茹图形五、叶片频率的测定与调频2、共振法：利用共振原理测。音频信号经放大送至激振器，转换为拉杆的机械振动，使叶片发生强迫振动，共振时叶片振幅达最大值。根据李沙茹图和数字频率计数器可确定叶片的自振频率值。叶片频率的测定与调频（三）叶片的调频调频前，应检查安装质量。影响叶片自振频率的主要因素（叶片质量与刚度）。当质量减少，刚度增加时，自振频率增加；反之则自振频率降低。常用调频措施：1.在拉金或围带与叶片连接处加焊，增加连接牢固性和固定刚度，提高自振频率。2.改变成组叶片的叶片数。增加组内的叶片数，可增加每一叶片平均所分担的拉金或围带的反弯矩，因而使自振频率增加，但是当