汽轮机第六章精选文档.ppt

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1、汽轮机第六章本讲稿第一页，共四十页一、转子振动的基本概念 1.临界转速的概念（280）2.临界转速的危害3.“刚性轴”和“挠性轴”的概念4.单盘转子临界转速的计算方法“甩振”5.实际转轴的计算方法6.临界转速的影响因素横向力，轴向力，扭矩，支座（思考题：叶轮临界转速和轴临界转速的区别）第四节 转子的振动与寿命本讲稿第二页，共四十页二、补充与深入1.转子为何会振动？2.刚性转子、挠性转子、转子临界转速。3.平衡、静平衡、动平衡4.振动，振型5.共振，临界转速 6.如何通过试验方法判断振动状态?相位 7.转子振动状态与机组故障诊断(碰磨、不平衡、油膜涡动、汽隙激振、不对中、转子弯曲、裂纹转子)本讲

2、稿第三页，共四十页 三、汽轮机转子的寿命管理三、汽轮机转子的寿命管理随着电力事业的发展，特别是大容量、高参数机组的安装、投运，国内各电网容量迅速增加。随着国民经济的发展，人民生活水平提高，用电结构发生变化。工业用电比重下降，农业用电和城乡人民生活用电大为上升。这样一来，使得电网峰谷差日趋增大（达最高负荷的3050%）。为了解决电网峰谷差日趋增大的问题，就得进行调调峰峰。但我国目前是以火电为主，约占发电总装机容量的8085%。水电调峰及中小型火电机组调峰已不能满足调峰幅度的要求。为了适应负荷变化的要求，原来带基本负荷的大型火电机组参加电网调峰势在必行。本讲稿第四页，共四十页 火电机组参加电网调峰

3、一般有两种方式：即“低负荷运行低负荷运行”和“两班制启停两班制启停”调峰方式。以这两种方式参加电网调峰，必然是使汽轮机启停次数增多、负荷变化频繁，经常处于变工况下运行。这样，汽轮机的主要部件，特别是汽轮机转子，经常受到“热冲击”（或冷冲击），从而引起交变热应力，导致部件低周疲劳损耗低周疲劳损耗（汽轮机部件承受热冲击而产生交变应力的特点是交变周期长、频率低、疲劳裂纹萌生循环周次少，故称低周疲劳），缩短机组使用寿命。当然，过分地强调机组使用寿命长而忽略经济性也是片面的。如为了使机组部件不至于产生大的热应力，则要延长启动时间。机组在启动时，是不发电的，经济性最差。因此，对调峰机组主要部件的使用寿命进

4、行合理分配，在保证安全的基础上取得最大的经济效益，使其在规定的服役年限内，让机组主要部件的可用寿命得到充分利用。本讲稿第五页，共四十页 热热应应力力：汽轮机在启动、停机和发生大幅度负荷变化时，其部件要受到“热冲击”（或冷冲击），使部件的温度分布发生变化而产生膨胀或收缩变形（热变形）。当部件的自由膨胀受到约束时而产生的应力称为热应力（温度应力）。换换热热系系数数：汽轮机在启动、停机和发生大幅度负荷变化时，蒸汽与转子金属表面的换热量和换热系数是随启动、停机和发生负荷变化过程中蒸汽参数变化而变化，即由蒸汽的流动速度、压力、温度确定。本讲稿第六页，共四十页汽轮机转子的温度分布和热应力汽轮机转子的温度分

5、布和热应力 蒸汽参数（主要是温度）的变化对于转子和汽缸都会产生热冲击，都会导致低周疲劳损伤，引起机组寿命损耗。大量科技文献证明，转子的寿命只有汽缸寿命的一半。因此，在讨论汽轮机组寿命问题时，主要考虑汽轮机转子的寿命损耗。只要转子的寿命能满足运行要求，则机组的寿命就能满足要求。转子是汽轮机的主要部件，其工作条件是高压、高温、高转速，受力情况复杂。转子在工作时，要受到叶轮、叶片和转轴质量离心力而产生的机机械械应应力力。在启动、停机和发生大幅度负荷变化过程中，又由于转子内部温度分布不均、各部分金属的自由膨胀受约束而产生热应力热应力。本讲稿第七页，共四十页 汽轮机转子为轴对称的高速旋转体，温度在圆周方

6、向可认为是均匀的。因此，可把转子看成无限长、空心轴对称圆柱体，温度分布是轴对称的。汽轮机在启动、停机和负荷发生大幅度变化时，转子周围的蒸汽压力、温度都会发生变化。随着周围的蒸汽温度的变化，转子金属外表面温度也将随着变化，如：启动过程中，随着蒸汽流量不断增加和蒸汽温度不断提高，使转子金属温度从初始温度逐渐上升到正常工作温度。在升温过程中，转子内外表面产生温度差，即转子外表面金属温度高，中心孔表面温度低。转子外表面产生压应力压应力，中心孔表面产生拉应力拉应力；在停机过程中，情况刚好相反，转子外表面产生拉应力拉应力，中心孔表面产生压应力压应力。本讲稿第八页，共四十页 对于大型中间再热机组，高压转子调

7、节级区段和中压转子第一级区段的蒸汽温度最高，温度变化最剧烈，热应力也就最大。因此，其热应力和寿命损耗必需重点考查和计算。图580和图581分别为国产200MW汽轮机高压转子调节级区段和中压转子第一级区段外表面的热应力曲线。图 582本讲稿第九页，共四十页 图 582、图583分别为国产200MW汽轮机冷态启动时，温升率为180 到启动终了时的高压转子调节级区段和中压转子第一级区段的轴向热应力场。从热应力分布曲线可以看到，在转子的叶轮跟部、轴肩、热槽等处的热应力比光滑区段表面的热应力大得多。这些部位形状特殊，几何尺寸发生突变，存在热应力集中。在汽轮机启动、停机和负荷发生大幅度变化时，这些部位的热

8、应力可能达到很高水平。当循环次数达到一定值时，裂纹就首先出现在这些部位，并且会逐步扩展。图583本讲稿第十页，共四十页Pa本讲稿第十一页，共四十页 汽轮机转子的寿命汽轮机转子的寿命 汽轮机转子的寿命（全寿命或致断寿命）由两部分组成：裂纹萌生寿命（致裂寿命）：是指转子第一次投运开始到转子出现第一条裂纹为止，这段时间称为致裂寿命。裂纹扩展寿命：从第一条裂纹出现到转子破坏，这段时间称为转子剩余寿命（或残余寿命）。由断裂力学可知，剩余寿命可能比致裂寿命长得多。这就是说，当汽轮机转子出现初始裂纹时，并不意味着转子寿命完结，还可以在一定控制条件下继续运行相当长的时间。本讲稿第十二页，共四十页 转子材料的低

9、周疲劳特性曲线转子材料的低周疲劳特性曲线 为了找出寿命损耗与热应力的关系，必需了解转子金属材料的低周疲劳特性。转子金属材料的低周疲劳特性，即应力与应变，全应变与致裂（或致断）周次的关系，在实际工程计算中常用的是Timo曲线。该图为双对数坐标，纵坐标为材料在交变应力作用下的全应变，图中的横坐标是相应下的致断循环周次，循环周次的倒数即为相应应力水平下每循环一次的疲劳损耗的百分比。本讲稿第十三页，共四十页 汽轮机转子的高温蠕变损伤汽轮机转子的高温蠕变损伤 汽轮机转子在稳定工况下运行时，其温度分布趋于均匀，热应力可不计。但转子在高温和机械应力作用下，金属材料将发生高温蠕变损伤。因此，在估计转子寿命时，

10、应考虑高温蠕变损伤在转子总寿命中所占的百分比。本讲稿第十四页，共四十页 汽轮机转子疲劳寿命损耗的估算汽轮机转子疲劳寿命损耗的估算 利用上述转子材料的低周疲劳特性曲线，可对汽轮机各种变工况（包括冷态启动、热态启动、滑参数停机、额定参数停机、升降负荷和甩负荷等）进行疲劳寿命估算。其重点考查部位便是在高温区工作的高压转子调节级区段和中压转子第一级区段的应力集中处，如前轴封弹性槽、叶轮根部等几何尺寸发生突变部位。这些部位在某一工况下的热应力和总应变 ，在图（如Timo曲线）的纵坐标中找出对应点，作平行线与曲线相交，得到横坐标上的对应点的 ，其倒数1/就表示该工况的应变（或应力）交变一个完整循环的疲劳寿

11、命（用Timo曲线查得的是致断寿命）损耗率。本讲稿第十五页，共四十页 如果汽轮机在整个服役期内出现该工况运行有 次，则该工况运行总疲劳损耗率为 /；同理，可求得另一种变工况时所考查部位的应力、应变，查得 。若汽轮机在服役期内出现该工况运行有 次，则在这一工况运行总疲劳损耗率为 /。如此类推，可求得所有变工况所对应的疲劳损耗率。则疲劳寿命总损耗率按线性累积准则（Miner准则）为：式中，I=1,2,3,，k，是指汽轮机在整个服役期内可能发生的变工况运行方式。汽轮机在整个服役期内既有各种不同的变工况运行，也有各种方式稳定工况运行。前者引起转子低周疲劳寿命损耗，后者引起转子蠕变寿命损耗。这样，汽轮机

12、转子总的寿命损耗应为二者之和。本讲稿第十六页，共四十页 汽轮机转子可用寿命分配汽轮机转子可用寿命分配 为了合理地利用汽轮机转子可用寿命，必须对转子寿命进行有计划的科学管理，对汽轮机在服役期内的寿命损耗作出明确的、切合实际的分配规划，并拟出各种运行工况方案（转子寿命损耗曲线），提出寿命损耗允许条件下的控制指标如蒸汽、金属的温升（降）率、负荷变化率等，达到既安全又经济的目的。汽轮机转子的寿命分配与机组在电网中所承担的负荷性质、国家能源政策及设计、制造、运行水平等因素有关。转子的可用寿命一般认为为30年。在这30年内，疲劳寿命总损耗率约占80%左右，高温蠕变损伤率约为20%左右。要对疲劳寿命总损耗率

13、再作进一步合理分配，即根据机组在电网中所承担的负荷性质（带基本负荷或调峰负荷），来确定机组的冷态启动、热态启动、停机、升（降）负荷等变工况运行次数。本讲稿第十七页，共四十页 如某电厂200MW 汽轮机，原是按带基本负荷设计的，自安装投运10年以来，基本上是带基本负荷。按带基本负荷这种运行方式，10年来总的寿命损耗为下表所示：根据上表，该机运行10年只消耗了总寿命的14.41%。本讲稿第十八页，共四十页 一般取机组寿命安全可用系数为0.6。这样，还有45.59%的使用寿命。如果今后按两班制启停两班制启停方式参加电网调峰，则每年的寿命损耗如下表：按这种算法，机组按两班制启停方式参加电网调峰，还可以

14、安全使用17年本讲稿第十九页，共四十页如果按低负荷运行方式参加电网调峰，则每年的寿命损耗如下表：照此表计算，按低负荷调峰方式运行，机组还有24年多的安全使用寿命。本讲稿第二十页，共四十页本讲稿第二十一页，共四十页本讲稿第二十二页，共四十页本讲稿第二十三页，共四十页本讲稿第二十四页，共四十页本讲稿第二十五页，共四十页本讲稿第二十六页，共四十页Pa本讲稿第二十七页，共四十页本讲稿第二十八页，共四十页本讲稿第二十九页，共四十页 第五节、机组振动一、机组振动问题概述一、机组振动问题概述 1.运行状态优劣的重要标志之一2.机组设计、制造、安装、检修质量的综合反映二、机组振动的危害二、机组振动的危害 1.

15、疲劳破坏；2.组合件松弛；3动静碰摩；4.永久形变；5.装置误动作；6.电机电气问题；7.建筑结构损伤；8.其它（284）本讲稿第三十页，共四十页三、机组振动的原因及初步分析三、机组振动的原因及初步分析1.平衡不良激振力2.中心偏差激振力3.轴承油膜不稳定或出现油膜振荡激振力4.临界转速设计不当结构5.转轴支承刚度不够或装配不良结构6.基础缺陷结构7.汽轮机内机件的振动激振力8.汽轮机运行工况的变动激振力9.发电机内的缺陷激振力本讲稿第三十一页，共四十页思考题：“一般情况下，”，那么负荷一般是如何影响振动状况？（p285）本讲稿第三十二页，共四十页一、汽缸的强度问题一、汽缸的强度问题 汽缸是汽

16、轮机的主要部件。汽缸必需做成上下两半，这样就必需有法兰、螺栓。在汽缸上又有抽汽口、汽室，小型机组的汽缸上还有调节阀及其传动机构等，所以汽缸形状复杂，受力情况复杂。1.汽缸采用双层缸结构的原因2.调节阀的布置问题3.汽缸的热膨胀及滑销系统，膨胀死点的概念第六节、其它重要部件的强度问题本讲稿第三十三页，共四十页二、汽缸的强度计算二、汽缸的强度计算 汽缸形状和受力情况复杂。用理论分析法计算其应力准确值是困难的。一般把汽缸近似地视为轴对称的壳体，这样，就可以用薄壳理论进行计算。当然“薄壳”是有一定条件的，即当 式中 R汽缸壁中心面的半径；汽缸壁厚度。本讲稿第三十四页，共四十页三、螺栓预紧力计算三、螺栓

17、预紧力计算 1.螺栓预紧力与汽缸形变2.预紧力计算方法。（300）四、法兰强度四、法兰强度 1.法兰的危险情况 2.法兰强度计算方法本讲稿第三十五页，共四十页五、隔板强度计算五、隔板强度计算 1.隔板强度分析方法2.隔板最危险部位本讲稿第三十六页，共四十页第七节、汽轮机零部件的材料、许用应力第七节、汽轮机零部件的材料、许用应力及安全准则及安全准则一、汽轮机相关材料性能1.常温材料性能强度、韧性、脆性、减震性能，工艺性（淬透性，焊接性，切削加工，冷变形），抗磨性2.高温材料性能蠕变（应力松弛，持久强度），热疲劳，热脆性，高温氧化与腐蚀本讲稿第三十七页，共四十页二、汽轮机部件的材料问题1.叶片的材

18、料要求a.常规机械性能；b.减振性；c.抗腐蚀耐磨；d.良好的工艺性，易于加工；2.叶轮、主轴的材料要求a.常规机械性能；b.热强度；c.蠕变性能；d.良好的工艺性，易于加工；3.汽缸、隔板等部件材料要求a.常规机械性能；b.热强性等4.紧固螺栓的材料要求a.常规机械性能；b.热强度；c抗氧化；d.热脆性；e.缺口敏感性；f.蠕变性能本讲稿第三十八页，共四十页三、许用应力与安全准则1.常规强度校核方式（屈服极限，安全系数）2.高温校核方式（蠕变极限，持久极限）3.疲劳强度校核方式（疲劳寿命与寿命管理）4.振动问题校核方式（调频叶片与非调频叶片，叶轮与转轴的临界转速）本讲稿第三十九页，共四十页四、几个概念和指标1.毫米与丝2.振动检测的单位（位移，加速度，速度，烈度）思考题：1.国际电工委员会的英文缩写？2.轴流式汽轮发电机组的振动标准？3.轴振与瓦振的差异？4.为何航空涡轮机常用加速度指标来进行振动监测？本讲稿第四十页，共四十页