透平机械结构和强度计算第1章
透平教学
SZ36-1 CEP
19
SZ36-1CEP(培训）
机械设备—透平
SZ36-1 CEP
1
简单介绍（SOLAR TURBINES）
透平是TURBINE的音译，也就是涡轮机的 意思。SZ36-1CEP使用的透平发电机组是由 美国Caterpillar公司的子公司索拉公司生 产 的 SOLAR TURBINES ， 型 号 是 MARS100— 15000 ， 额 定 电 压 6300V ， 额 定 输 出 功 率 10690KW ，频率 50HZ 。美国 SOLAR 公司生产 的都是以小功率的为主的发电机组，名字 是以行星取名，主要有火星（ Mars ）系列 ；土星（ Saturn ）系列；金牛（ Taurus ） 系列；半人马（Centaur）系列等，最大功 率是旅大油田即将使用大力神（ Titan) 系 列，功率大约为14250KW。
从动力涡轮单元出来的热气流，经过排气扩压管、膨胀 节和消音器之后，直接排入大气。排气温度在470～ 490℃左右，最大排气量在15 000 kg/h ～17 000 kg/h之间 。这些高温废气进入废热回收装置用来加热废热系统中的 盘管里面的导热油，热油循环泵为油的流动提供动力，从 而为整个平台提供热源。 18 SZ36-1 CEP
燃烧室组件（图例）
热 点 偶
喷 嘴 空气管汇 燃油管汇
SZ36-1 CEP
燃 气 管 汇
16
2.4
涡轮组件
涡轮组件包括筒形涡轮外壳、涡轮转子、定子 、喷嘴、涡轮叶片等。涡轮壳体的前部与燃烧 室壳体的尾部通过法兰连接，涡轮喷嘴安装在 涡轮壳体内。涡轮的转子有四级，前两级为高 压涡轮与透平压气机共轴，和燃烧室一起组成 燃气发生器。后两级涡轮为动力涡轮，用变速 齿轮箱与发电机联接。
燃气轮机教学课件12-透平1
一、二级间轮盘 二、三级间轮盘
一级轮盘 二级轮盘 三级轮盘
转子采用外围拉杆结构，共12根拉杆螺栓。
透平冷却
采用从压气机中抽气来冷却的方法。
分为两部分：
转子和静子的冷却 叶片冷却
根据冷却部位所需压力的高低，
冷却空气自压气机的不同级处引来。 冷却空气量： 约占压气机进口空气流量的10%以上。
静叶栅(0-1)
减 静
压 止
增 喷
管 速
气体与外界无功的交换
0
1 0
dp
1 2
(c02
c12 )
Lr1
c1>c0 p0>p1
1
2
(c12
c02
)
1 dpБайду номын сангаас
0 - Lr1
1 2
(c12
c22 )
(c2c0)
绝对动能 压能
冲动力做功
c12
c02 2
i0
i1
动叶栅
减压增速 转动喷管
且气流方向改变、转折 较大，2>>1 ；
那么气流以绝对速度c2 流出动叶栅，与叶栅额 线的夹角为2。
c2 w22 u22 2w2u2 cos 2
一般1=14~20°
u 动叶
c2 w2 u
sin 2
w2
sin c2
2
基元级的速度三角形
进出口速度三角形画在一起。 注意：
①一般轴向分速度不相等，c2z c1z ；
亚声速气流
画法:
(1)静叶在前,动叶在后
1
标注三个特征截面
(2) 叶片间通道截面渐缩
(3)叶片运动方向
2
叶腹→叶背
《透平机械测试技术》 第1、2章作业
《透平机械测试技术》第1、2章作业 一、 等精度条件下，测量某透平机械的转速、扭矩，其数据排列如下：1 2 3 4 5 6 7 n(min r )2999.94 2999.97 2999.99 3000.00 3000.02 3000.03 3000.05 T(m KN ∙) 954.75 954.75 954.78 954.80 954.82 954.84 954.86 求其功率值。
（已知30n T P π= KW ） 二、 精度为1.0级，量程为0－2000min r 的转速表测转速，请计算出指针示值为200min r 与1500minr 时可能出现的最大相对误差和绝对误差。
三、 火箭射程为2000km ，其射程偏离预定点不超过1km 。
而优秀射手能在距离50m 远处准确击中直径为2cm 的靶心，试评述两者射击的准确度。
四、 标准误差σ值的大小对其正态分布有什么影响？如图（a ）、（b ）、（c ）、（d ）为打靶结果，子弹落在靶子上的几种情况与测量精度相对应。
请用正态分布示意图表示各打靶图所显示的误差。
（a ） （b ） （c ） （d ）五、 某一阶压力测试系统的时间常数为0.5s ，如果阶跃压力从25MPa 降到5MPa ，试求2倍时间常数的压力和2s 后的压力。
并画出系统响应的示意图。
六、 某二阶测试系统，已知其固有频率为f ＝10KHz ，阻尼比ξ＝0.6，如果要求其幅值误差小于5％（()ωA ＝0.95），问其可测频率范围为多少？并画出系统响应的示意图。
设K=1。
七、 预测量消耗在负载电阻R 中的电功率P 的系统误差。
现已测得电流I ＝10.0±1％（A ），电压U ＝100.0±1％（V ），R ＝10.0±1％（Ω）。
请在IU P =，R I P 2=，R U P 2=三种方法中选择最佳测量方案，并对本例的各方案做出评述。
八、 制作传感器使用的敏感元件应满足的条件是什么？显示装置接受的标准信号有哪些？九、 描述测量系统的静态性能指标主要有哪些？温度漂移对测量系统静态特性的主要影响是什么？十、 测量系统的动态特性可从哪两个方面来分析? 工程上常采用什么方法进行分析？二阶测量系统动态响应的形式取决于哪些参数？十一、 书1、2章所有例题。
透平机械简介
第二部分： 透平机械分类
A、汽轮机的工质是蒸汽，具有热能。蒸汽来自燃 用矿物燃料的锅炉，或是来自核动力装置加热的蒸汽发 生器。它们产生的高温高压蒸汽以高速度经喷管送到蒸 汽透平，驱动转子旋转，输出动力。汽轮机主要用于火 力发电厂，驱动发电机发电；也用于远洋大型船舶和潜 水艇作为主机驱动螺旋桨，推进船舶。
第二部分： 透平机械分类
第二部分： 透平机械分类
轴流式压气机的空气流量为几公斤每秒到二百公斤每 秒，单级增压比一般约为1.1～2.0，效率约为0.85～ 0.88。多级轴流式压气机的增压比可达25以上。
轴流式压气机的面积小，增压比和效率都高，已广泛 用于燃气涡轮发动机中。
三、压缩机叶片的振动
第二部分： 透平机械分类
第二部分： 透平机械分类
还有一种燃气透平机用于火箭发动机，它作为压送火 箭推进剂（燃料和氧化剂）的输送泵的动力，由一个气 体发生器利用化学作用产生所需要的高温气体，吹动透 平旋转，带动输送泵运转。
另外，还有以压缩空气为工质推动透平旋转的，只能 作为微小动力用，这种透平称为空气透平。
第二部分： 透平机械分类
第二部分： 透平机械分类
按气体流动方向的不同，透平压缩机主要分为
轴流式 和 离心式 两类。
在轴流压缩机中，气体近似地沿轴向流动。 在离心压缩机中，气体主要沿径向流动。
透平机及工作原理
透平机及工作原理引言概述：透平机是一种常见的工程机械，广泛应用于发电厂、石油化工等领域。
它的工作原理是通过旋转的叶片将流体能转化为机械能。
本文将详细介绍透平机的工作原理，包括透平机的构造、工作过程以及其应用领域。
一、透平机的构造1.1 轴流透平机轴流透平机由进口导叶、转子、出口导叶等组成。
进口导叶用于引导流体进入转子，转子上安装有多个叶片，流体在叶片上产生压力变化，然后流经出口导叶排出。
轴流透平机的构造紧凑，适用于流量较大的场合。
1.2 径流透平机径流透平机由进口导叶、转子、出口导叶等组成。
进口导叶用于引导流体进入转子，转子上安装有多个叶片，流体在叶片上产生压力变化，然后流经出口导叶排出。
径流透平机的构造简单，适用于流量较小的场合。
1.3 混流透平机混流透平机结合了轴流透平机和径流透平机的特点，具有较高的效率和较小的体积。
它的构造包括进口导叶、转子、出口导叶等部分，流体在转子叶片上产生压力变化后排出。
二、透平机的工作过程2.1 进气过程在透平机工作开始时，流体通过进口导叶进入透平机。
进口导叶的角度和叶片的形状可以调节流体的流速和流量，以实现最佳的工作效果。
2.2 压缩过程流体进入转子后，受到叶片的旋转作用，流体的动能被转化为压力能。
叶片的形状和排列方式决定了流体的压缩程度。
2.3 排气过程经过压缩后的流体通过出口导叶排出透平机。
出口导叶的角度和叶片的形状可以调节流体的排气速度和方向，以实现最佳的排气效果。
三、透平机的应用领域3.1 发电厂透平机广泛应用于发电厂的汽轮机中。
透平机将燃气能转化为机械能，驱动发电机发电。
3.2 石油化工透平机在石油化工领域中用于压缩气体、提取石油等工艺过程。
它的高效率和可靠性使其成为石油化工设备中不可或缺的一部分。
3.3 航空航天透平机在航空航天领域中用于喷气发动机、涡轮增压器等设备中。
它的高性能和轻量化特点使得飞机和火箭等交通工具能够获得更强的动力。
四、透平机的优势4.1 高效率透平机能够将流体能转化为机械能的效率较高，可以充分利用能源。
透平机械结构和强度计算第1章
孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所
第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1
8、枞树型叶根
叶片结构
(9)
1.1.2 叶根部分
广泛地应用于燃气轮机的透平叶片上，大功率蒸汽轮机的 长叶片上。 优点：枞树型叶根由轴向装入单独的叶根槽中，所以拆装方便； 由于叶根采用尖劈形，所以叶根和对应的轮缘承载截面都 接近等强度。在同样的尺寸下，承载能力最高。 在叶根和叶轮槽中，齿的非承载面一边有间隙，燃气轮机 可以利用此间隙进行空气冷却；同时，松动配合的叶片可以自 动定心；间隙的存在，允许轮缘和叶根在受热后能自由膨胀以 减少热应力。
(4)
1.1.2 叶根部分
6、T型叶根 优点：结构简单，加工装配方便，工作可靠，短叶片中普遍采用 缺点：叶片离心力对轮缘两侧 产生弯矩，使轮缘有张 开的趋势，容易引起较 大的弯曲应力。
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构
(5)
1.1.2 叶根部分
C Vj Rj Fj ( x)xRj
2 2
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2
6 V 5 IV III 3 2 1 j i II I F
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叶片强度计算--拉应力
x
Ci
sj
F i+1
-1）
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2 叶片强度计算
1.2.2.1 等截面叶片离心拉应力计算 等截面叶片底部截面的拉应力是 C （1-2） 2
(3)
透平叶片强度设计
透平叶片强度设计引言：透平叶片是透平机械中非常重要的组成部分，其强度设计对于透平机械的可靠性和安全性至关重要。
本文将围绕透平叶片强度设计展开讨论，并介绍一些常用的设计方法和注意事项。
一、透平叶片的作用和要求透平叶片是透平机械中承载气流动能的关键部件，其主要作用是将气流的动能转化为机械能，驱动透平机械的运转。
因此，透平叶片在工作过程中需要承受高温、高速的气流冲击和离心力的作用，要求具备较高的强度、刚度和耐磨性。
二、透平叶片的强度设计方法1. 强度计算方法：透平叶片的强度计算通常采用有限元分析方法，通过建立透平叶片的有限元模型，模拟叶片在工作条件下的受力情况，并计算叶片的应力和变形。
这种方法可以较为准确地预测叶片的强度和刚度，并进行合理的优化设计。
2. 材料选择：透平叶片的材料选择对于强度设计至关重要。
常用的透平叶片材料有高温合金、镍基合金等，这些材料具有较高的抗热、抗氧化和耐腐蚀性能，能够满足透平叶片在高温、高速工作环境下的要求。
3. 结构优化：为了提高透平叶片的强度，可以通过结构优化来改善叶片的受力分布和应力集中情况。
例如，采用曲线等厚度设计方法可以减少叶片的应力集中现象，提高叶片的强度和寿命。
三、透平叶片强度设计的注意事项1. 温度效应：透平叶片在高温工作环境下，会受到温度效应的影响，导致叶片的热膨胀和变形。
因此，在叶片的强度设计中，需要考虑到温度效应对叶片强度的影响，并进行相应的校正。
2. 动态载荷：透平叶片在工作过程中，会受到气流的动态载荷作用，如气流的冲击和振动等。
因此，在叶片的强度设计中，需要考虑到动态载荷对叶片的影响，并通过合理的设计和材料选择来提高叶片的抗冲击和抗振动能力。
3. 疲劳寿命：透平叶片在长期工作过程中，会受到气流的循环载荷作用，容易出现疲劳破坏。
因此，在叶片的强度设计中，需要考虑到叶片的疲劳寿命，并进行相应的疲劳强度校核和寿命预测。
4. 制造工艺：透平叶片的制造工艺对于叶片的强度和质量也具有重要的影响。
第一章：叶片结构和强度计算
LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT
1-1 叶片结构——叶根部分
除以上三种叶根之外，还有外包型叶根（菌形叶根） 和燕尾形叶根等。
透平强度与振动
哈尔滨工业大学能源学院强度振动实验室 主讲人：张广辉
LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT
第一章 叶片结构和强度计算
1. 叶片结构 2. 叶片强度计算 3. 叶片截面的几何特性 4. 叶根和轮缘的强度计算 5. 叶片的高温蠕变 6. 叶片材料和强度校核
1-1 叶片结构——叶根部分
T形叶根的安装 圆周向装配式叶根
窗口：长度略大于叶 片节距，宽度比叶根 宽0.02～0.05mm
封口叶片 缺点：叶片损坏时增加拆卸工作量
LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT
1-1 叶片结构——叶根部分
叉形叶根
避免了T型叶根使轮 缘两侧张开引起的应力，强 度适应性好，随叶片离心力 增大，叉数可以增多，但是 装配比较费时，通常在整锻 转子和焊接转子上不使用。 中长叶片较多采用。
1-1 叶2、叶根采用尖劈形，所以叶根和对应的轮缘承载面都接
近于等强度，在相同尺寸下，枞树形叶根承载能力强。 3、在叶根和叶轮槽中，齿的非承载面一变有间隙，可利
此间隙进行空冷；同时松动配合叶片可以自动定心；间隙存在 允许叶根和轮缘在受热后膨胀，减小热应力。 缺点：
1-1 叶片结构
LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT
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等截面叶片离心拉力
C FRml
2
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1.2.2.2 变截面叶片离心拉应力计算
l
F(x)
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R0
x
dx
第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2 叶片强度计算
1.2.2.2 变截面叶片离心拉应力计算
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构
(3)
1.1.2 叶 根 部 分
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构
(3)
1.1.2 叶 根 部 分
叶根
叶根
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构
§1－1 叶片结构 1.1.2 叶根部分
(8)
7、叉型叶根 优点：加工比较简单，拆换叶片方便；避免了T型叶根使轮缘两侧 张开引起的弯应力，而且强度适应性好，随着叶片离心力的增大， 叶根叉数可以增多。 缺点：装配时钻铆孔不方便， 比较费工。 整锻转子和焊接转子 一般不采用叉型叶根。
§1－1 叶片结构
(6)
1.1.2 叶根部分
6、T型叶根 装配：圆周向装配式。 在固定叶根的轮缘槽中有一个或两个窗口， 其长度比叶片结距略大，宽度比叶根宽 0.02~0.05毫米，以便将叶片依次装入轮槽中。 在窗口位置的叶片为封口叶片（又称末叶片）， 封口叶片用铆钉固定在轮缘上。
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构
(7)
1.1.2 叶根部分
6、T型叶根 装配缺点： 周向装配式叶根的共同缺点是当叶片损 坏时，拆换必须通过窗口进行，因而必然牵 动许多完好叶片，增加装拆工作量。
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第一章 叶片的结构和强度计算
燃气轮机由于温度高，为了避免热应力而很少采用带状围带。 另外，由于拉金在气流通道中引起附加损失，所以通流部分要求高 效率的燃气轮机也很少采用拉金结构。
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孙 涛
孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所 叶轮机械及流体工程研究所
第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2
透平机械结构和强度计算
1 考试课 2 参考书： 《透平零件结构和强度计算》 吴厚钰 《汽轮机原理 》 康松 等 《透平压缩机强度与振动》 刘士学 《机械工程手册》第72篇 机械工业出版社 《材料力学》 《理论力学》 其它力学资料、振动方面资料
能源与动力学院 叶轮机械与流体工程研究所 孙涛 综合实验2#楼 315 84707902 suntao@
-1）
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2 叶片强度计算
1.2.2.1 等截面叶片离心拉应力计算 等截面叶片底部截面的拉应力是 C （1-2） 2
(3)
F
lRm
结论：拉应力正比于透平转速的平方、叶片高度、材料密度 和平均半径，而与叶片的截面积无关，也就是说，增大叶片 截面积并不能降低等截面叶片的拉应力. 等截面叶片沿叶高各个截面所受的离心拉应力并不相同， 它是由叶顶向底部逐渐增大。底部截面承受了整个型线部分 的离心力，所以离心拉应力最大。
C Vj Rj Fj ( x)xRj
2 2
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2
6 V 5 IV III 3 2 1 j i II I F
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叶片强度计算--拉应力
x
Ci
sj
F i+1
(2)
叶片微段离心力 叶片x截面以上部分离心力
dC 2 F ( x)(R0 x)dx
Cx
2 l
F ( x)(R x)dx 叶片根截面以上部分离心力 C F ( x)(R x)dx F ( x)(R x)dx 叶片根截面以上部分离心拉应力
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构
(1)
从强度观点考虑，动叶片的结构分：叶片型线部分，叶根 部分和叶顶部分
1.1.1 叶型部分
1、符合气体动力学的要求，满足结构强度和加工方面要求 2、叶型分等截面和变截面叶型 3、一般 Dm / l >10的级 等截面叶型 4、一般 Dm / l <10的级 变截面叶型 改善流动和减少 离心力 Dm ---- 级的平均直径 l----叶片高度
离心力引起的应力：
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2
1.2.2
(2)
叶片强度计算
叶片离心拉应力计算
变转速透平应以最高转速计算离心力。
选择计算工况：离心力与转速平方成正比，所以
1.2.2.1 等截面叶片离心拉应力计算
等截面叶片沿叶高各个截面所受的离心拉应力并不相 同，它是由叶顶向底部逐渐增大。底部截面承受了整个型 线部分的离心力，所以离心拉应力最大。
(1)
叶片强度计算
1.2.1 叶片受力分析 1)透平高速旋转时叶片自身质量和围带、拉金质量产生的离心力； 2)气流流过叶片产生的气流作用力。 3)叶片受热不均匀会引起热应力 1）离心力在叶片中产生拉应力； 2）离心力作用线不通过计算截面的形心时，由于偏心拉伸 还会产生弯应力。 3）离心力也可能在叶片中引起扭转应力。 4）热应力
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2 叶片强度计算
1.2.2.1 等截面叶片离心拉应力计算 围带和拉金的离心力是
(3)
Cs Fs t s 2 Rs
Cl Fl tl 2 Rl
式中 Fs、Fl------围带和拉金的横截面积； ts、tl -------围带和拉金的节距； Rs、Rl-----围带和拉金重心的半径。 作用在叶片型线底部的离心力和拉应力之和为 C Cs Cl C0 C Cs Cl F
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构
(12)
1.1.3 叶顶部分
围带的作用： 防止漏汽和调整叶片频率； 提高级效率和降低叶片动应力 拉金的作用： 调整叶片频率和减振，使叶片成组而降低动应 力。
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第一章 叶片的结构和强度计算§1－1
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1
8、枞树型叶根
叶片结构
(9)
1.1.2 叶根部分
广泛地应用于燃气轮机的透平叶片上，大功率蒸汽轮机的 长叶片上。 优点：枞树型叶根由轴向装入单独的叶根槽中，所以拆装方便； 由于叶根采用尖劈形，所以叶根和对应的轮缘承载截面都 接近等强度。在同样的尺寸下，承载能力最高。 在叶根和叶轮槽中，齿的非承载面一边有间隙，燃气轮机 可以利用此间隙进行空气冷却；同时，松动配合的叶片可以自 动定心；间隙的存在，允许轮缘和叶根在受热后能自由膨胀以 减少热应力。
叶片结构
1.1.3 叶顶部分
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构
(13)
1.1.3 叶顶部分
围带通常为3~5毫米厚的扁平金属带，用铆接的方法固定在 叶片顶部。还有一种整体围带，即围带和叶片叶型作成一个整体。 根据振动方面的要求，围带之间可以焊接，也可以不焊接。整体围 带一般用于短叶片。 拉金一般是6~12毫米的金属丝或金属管，穿过叶片中间的拉 金孔，用银焊焊牢的称为焊接拉金；当拉金穿过叶片不焊牢，而且 与拉金孔有约0.5毫米的间隙，称为松装拉金，它主要的作用是造 成附加振动阻尼以减少振动应力。
第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2 叶片强度计算—拉应力
在进行强度计算时，已经知道相应的型线面积变化规律， 它往往难于用解析式表达和进行积分。根据面积沿叶高 的变化曲线，可以采用数值积分近似地算出各截面的拉 伸应力。 将叶片沿叶高等分为若干段（通常为5~10段）， 每段的长度为Δx，用j表示段号，用 i 表示截面号，此 时任意一段的离心力为：
(4)
1.1.2 叶根部分
6、T型叶根 优点：结构简单，加工装配方便，工作可靠，短叶片中普遍采用 缺点：叶片离心力对轮缘两侧 产生弯矩，使轮缘有张 开的趋势，容易引起较 大的弯曲应力。
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构
(5)
1.1.2 叶根部分
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2
(3)
叶片强度计算
1.2.2.1 等截面叶片离心拉应力计算 整个型线部分质量的离心力：
C Fl Rm
2
（1-1）
式中 C----叶片离心力 （N） ρ---叶片材料密度 （kg / m3） F----叶片的横截面积 （m2） l-----叶片型线部分高度（m） ω---旋转角速度 （rad / s） ω=(2πn) / 60 ，n-----转速 （min Rm—叶片平均半径（m）
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孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所
第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构