第三章：转子、叶轮结构和强度计算-最终课件.ppt

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1、LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT第三章 转子、叶轮结构和强度计算 1.转子和叶轮结构2.旋转薄圆环应力计算3.叶轮应力状态和基本计算公式4.等厚度叶轮应力分析5.实际叶轮应力计算6.套装叶轮按松动转速计算过盈和应力7.叶轮温度应力计算8.整锻转子强度计算9.叶轮、转子材料和许用应力LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT转子的工作条件相当复杂，转子处在高温工质中，并以高速旋转。转子承受由于叶片和转子本身离心力引起的很大的应力以及由于温度分布不均匀引起的温度应力。透平转子和其他高速旋转机械一样，由于不平衡

2、质量的离心力，将引起转子振动。此外，转子还要传递作用在叶片上的气流力产生的扭矩等。因此，必须对转子、叶轮进行强度计算，任何设计、制造、运行等方面工作的疏忽，均会造成重大事故。前言转子是透平十分重要的部件，保证转子安全工作是设计制造部门的重要任务之一。LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT3-1 转子和叶轮结构一、转子结构型式现代蒸汽轮机主要采用以下几种型式的转子:整锻转子、焊接转子、套装转子以及上述两种型式组合的转子，譬如整锻转子上套装几个叶轮。中压机组广泛采用套装转子，套装转子加工方便，生产周期短；材料可以合理利用；叶轮、主轴等锻件尺寸小，易保证质

3、量，且供应方便。但套装转子在高温条件下，由于产生蠕变会使叶轮与轴之间产生松动。因此不宜作为高压、高温汽轮机的高压转子。LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT3-1 转子和叶轮结构在高温、高压区域内工作的转子，最好采用整锻转子。因为整锻转子的叶轮与轴是一整体，解决了高温条件下叶轮与轴连接可能松动的问题。此外，整锻转子强度和刚度比同一外形尺寸的套装转子大，机械加工和装配工作量小，而且结构紧凑(轴向尺寸短)；但是整锻转子的锻件大，需要大型锻造设备，而且大锻件的质量较难保证，它的检验比较复杂。整锻转子有两种型式:一种是转鼓式，另一种是轮盘式。用于反击式汽轮机

4、中，制造简单，刚度很大，但强度较低。只能用于圆周速度较小的情况。LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HITLABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT3-1 转子和叶轮结构整锻转子加工过程LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT3-1 转子和叶轮结构为了保证锻件的良好质量，整锻转子的尺寸是受到一定限制的。如果转子有几级叶轮直径过大而锻造困难而且由于后面低压级蒸汽温度低，叶轮可用低一级的材料。此时亦可以采用组合转子，即在整锻转子轴上套上几级叶轮。如图3-5所示为整锻和套装组合的

5、转子，高压部份的前11级叶轮是整锻，后面低压部分7级叶轮为套装。LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT3-1 转子和叶轮结构焊接转子具有整锻转子所有的许多优点，但它比整锻转子重量轻；特别是锻件小容易获得高质量锻件。它比套装转子结构紧凑，而且刚度大。此外，焊接转子的显著优点是强度大。焊接转子适于作为高温和高速条件下工作的转子型式，而转子的重量和尺寸几乎不受限制。焊接转子LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HITLABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT燃气轮机主要采用以下几

6、种型式转子:整锻转子、焊接转子、拉杆转子。3-1 转子和叶轮结构LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT3-1 转子和叶轮结构由于燃气轮机转子尺寸较小，容易获得所需尺寸的整锻转子锻件。燃气轮机整锻转子也有轮式和鼓式两种型式。但在燃气轮机中多半采用实心鼓式整锻转子。其优点是刚度大，强度较好，结构简单；但重量较大，变工况时温度应力较大。焊接转子在燃气轮机中得到广泛应用。这种型式的转子除了刚度和强度大外;由于转子轻巧，温度应力小，适应燃气轮机启动快的要求。LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HITLABORATORY

7、OF INTENSITY AND VIBRATION HIT3-1 转子和叶轮结构9FA重型燃气轮机拉杆转子LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HITLABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT3-1 转子和叶轮结构图3-11用键和过盈联结叶轮与轴。扭矩借接触摩擦力和键来传递。对于承受较重载荷的叶轮(低压转子的叶轮)，由于强度不允许在叶轮内孔开轴向键槽，因为在叶轮内孔键槽周围要引起应力集中。此时键应装在叶轮或特置的中间环的端面上，这种键称为径向键（端面键）。LABORATORY OF INTENSITY AND VI

8、BRATION HIT3-1 转子和叶轮结构借过盈和键联结叶轮与轴的方法，不能用于高温区域内工作的叶轮，因为高温蠕变会使过盈降低，或者由于透平快速起动过程中叶轮迅速加热亦会使过盈消失。因此在这种情况下应采用销钉、轴套来联结叶轮与轴，如右图为了保证叶轮与轴之间轴向位置不变，并保持叶轮之间有一定的轴向间隙，应该采用轴向定位环。LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HITLABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT3-1 转子和叶轮结构叶轮设计步骤:1.由叶根联结部的型式选择适当的轮缘形状与尺寸，进行轮缘强度计算，并确定轮缘

9、上的外载荷；2.选择轮面型线和轮毂尺寸(对套装叶轮)。一般轮毂的宽度约为与轮面交界处宽度的1.52.5倍。在选择叶轮型线时，应综合考虑叶轮的应力状态、叶轮振动特性、叶轮结构工艺性能以及叶轮型线的标准化等问题。3.选出合适的叶轮型线和结构，并预先确定叶轮各部分尺寸后，下一步是进行叶轮应力计算。LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT第三章 转子、叶轮结构和强度计算 1.转子和叶轮结构2.旋转薄圆环应力计算3.叶轮应力状态和基本计算公式4.等厚度叶轮应力分析5.实际叶轮应力计算6.套装叶轮按松动转速计算过盈和应力7.叶轮温度应力计算8.整锻转子强度计算9.

10、叶轮、转子材料和许用应力LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT3-2 旋转薄圆环应力计算空心鼓式转子接近于旋转圆环，这种转子的特点是转鼓壁厚比它的直径D小得多，可 以当作旋转圆环来计算。从圆环中切出一宽度为b，且以两径向截面为界的微元体，两径向截面之间的夹角为d，如图所示。在微元体上作用有三个力：一是微元体质量dm的离心力；其余两个是大小相等的切向力dT。离心力：式中 材料密度；R旋转圆环的平均半径；旋转角速度。LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT3-2 旋转薄圆环应力计算切向力dT等于纵向截面的应力乘以面积根据微元体径向分力平衡：将dT与dC的值代入上式：圆环的应力式中 u旋转圆环圆周速度（m/s）