汽轮机课程设计(调节级强度)

能源与动力工程学院汽轮机课程设计题目：600MW超临界汽轮机调节级叶片强度核算时间：2006年11月13日-2006年12月4日学生姓名：杨雪莲杨晓明吴建中单威李响梅闫指导老师：谭欣星热能与动力工程036503班2006-12-4600MW超临界汽轮机调节级叶片强度核算[摘要]本次课程设计是针对600MW超临界汽轮机调节级叶片强度的校核，并主要对第一调节阀全开，第二调节阀未开时的调节级最危险工况对叶片强度的校核。

首先确定了最危险工况下的蒸汽流量。

部分进汽度选择叶型为HQ-1型，喷嘴叶型HQ-2型。

根据主蒸汽温度确定叶片的材料为Cr12WmoV马氏体-铁素体钢。

其次，计算了由于汽轮机高速旋转时叶片自身质量和围带质量引起的离心力和蒸汽对叶片的作用力。

选取了安全系数，计算屈服强度极限、蠕变强度极限和持久强度极限，三者中的最小值为叶片的许用用力，叶片拉弯应力的合成并校核，确定叶片是否达到强度要求。

最后，论述了调节级的变化规律即压力-流量之间的关系。

一、课程设计任务书课程名称：汽轮机原理题目：600MW超临界汽轮机调节级叶片强度核算指导老师：谭欣星课题内容与要求设计内容：1、部分进汽度的确定，选择叶型2、流经叶片的蒸汽流量计算蒸汽对叶片的作用力计算3、叶片离心力计算4、安全系数的确定5、叶片拉弯合成应力计算与校核6、调节级后的变化规律设计要求：1、运行时具有较高的经济性2、不同工况下工作时均有高的可靠性已知技术条件与参数：1、600MW2、转速：3000r/min3、主汽压力：24.2Mpa; 主汽温度：566C4、单列调节级，喷嘴调节5、其他参数由高压缸通流设计组提供参考文献资料：1、汽轮机课程设计参考资料冯慧雯，水利电力出版社，19982、汽轮机原理翦天聪，水利电力出版社3、叶轮机械原理舒士甑，清华大学出版社，19914、有关超临界600MW 汽轮机培训教材 同组设计者：杨雪莲 杨晓明 吴建中 单威 李响 梅闫 二、 高压缸通流部分设计组提供的参数叶片数不确定：0178.17565.012.30=⨯=⋅=b b b b t t 7.3366.003.51=⨯=⋅=n n n b t t9.81==nn n t ed Z π 8.0=e06.203==bbb t d Z π取82=n Z 204=b Z 34=n t 17=b t b) 喷嘴出口汽流实际速度：s m C /4851=喷嘴出口面积：274.182cm A n = 喷嘴出口角度：mm Ln 1.29= c) 动叶进口汽流方向：︒=0.201β动叶出口汽流速度：s m /0.3191=ω 动叶出口绝对速度方向：︒=53.442α 动叶出口绝对速度大小：s m C /48.1192= 动叶出口面积：249.286cm A b = 动叶高度：mm l b 1.31=d) 进汽量：s kg h t D o /292.460/05.1657== 三、 调节级叶片强度核算a) 概述强度核算一般包括零件应力计算、零件材料及其许用应力的选取和零件应力安全性的校核。

叶片工作时，作用在叶片上的力主要有两种：一是汽轮机高速旋转时叶片自身质量和围带、拉筋质量引起的离心力；二是汽流流过叶片产生的汽流作用力。

离心力在叶片中产生拉应力，若偏心拉伸还会引起弯应力。

汽流作用力是随时间变化的。

其稳定的平均值分量在叶片中产生静弯曲应力，而变化分量则引起叶片的振动应力。

离心力和汽流力还可能引起扭转应力，叶片受热不均会引起热应力。

这两种应力一般都较小。

核算叶片静应力即核算离心力和汽流力平均值分量产生的合成应力，此时叶片弯曲应力的计算应选择汽流力最大的工况，而离心力一般按额定转速计算。

对于调节级的叶片，是以当第一调节阀全开，第二调节阀关闭时，通过一只喷嘴蒸汽的焓降及流量均为最大时，动叶片所承受的应力也达最大时，即第一调节阀全开，第二调节阀未开时为调节级的最危险工况，因此，我们对调节级最危险工况下的动叶片进行强度校核。

b) 部分进汽度的确定，选择叶型600MW 超临界汽轮机调节级采用喷嘴调节，即部分进汽e<1，由于调节级喷管组之间存在着隔离壁，即使所有调节阀公开也不可能做到全周进汽。

所以部分进汽度e=0.8选取四组喷嘴，来控制高压缸的进汽量该调节级最危险工况时的部分进汽度2.08.04/14/1'=⨯=⨯=e e 参考300MW 汽轮机的单列调节级，该机组的调节级的动叶选取HQ-1型，喷嘴选用HQ-2型。

喷嘴HQ-2型叶片 动叶HQ-1型叶片 c) 流经叶片的蒸汽流量计算，蒸汽对叶片的作用力计算 （1）如上图所示，纵坐标表示各调节阀流量之和，横坐标表示总流量，图中AB 线的B 点表示第一调节阀全开，第二调节阀未开时，通过该阀的最大流量 ,即4.01=GG s kg G /117.184292.4604.01=⨯= （2）蒸汽对叶片的作用力分解为轮周方向作用力和轴向作用力后分别计算，然后计算其合力 ()2211'1cos cos ααc c Z e G F bu += ()︒︒⨯+⨯⨯⨯=53.44cos 48.11913cos 4852042.0117.184N 568.2516=动叶的平均反动度0=Ωm ，()02021=-Ω≈-=∆P P P P P m ()b b ba l Pt c c Z e G F ∆+-=2211'1sin sin αα ()053.44sin 48.11913sin 4852042.0117.184+⨯-⨯⨯⨯=︒︒N 203.114=N F F F a u 157.2519203.114586.25162222=+=+= 叶片汽流作用力计算图如下图所示：计算汽流力时，喷嘴调节的调节级计算选择在第一调节阀全开，其它调节阀全关时的工况。

d) 安全系数的确定该机组的主汽温度为566C ︒，即调节级叶片工作温度高于450C ︒，选取的材料为Cr12WMoV 马氏体—铁素体钢，该材料的最高工作温度是580C ︒。

查表4-5至4-7，用线性法计算得：265662.0/107.430m N ⨯=σ26101/10875m N ⨯=-⨯σ,2610/104.1935m N ⨯=σ相应的安全系数：6.12.0=K ,15101=-⨯K ,65.1510=K根据工作温度下的材料的屈服强度极限，蠕变强度极限，持久强度极限和各自的安全系数计算许用应力，叶片的许用应力取下式三者中最小值：[]2862.05662.0/1069.26.1107.430m N K ⨯=⨯==σσ[]276101101/107.81108755m N K ⨯=⨯==--⨯⨯σσ[]2861010/1017.165.1104.19355m N K ⨯=⨯==σσ[]27/107.8m N ⨯∴是叶片材料的许用应力σe) 叶片离心力的计算设材料的总质量g m 1=总15.19%9.0187.7%25.8416.5%24.019.8%6.0107.2%03.0182.1%03.013.7%7.0135.2%5.011.2%15.011⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==总总V m ρ333/1069.7/69.7m kg cm g ⨯==（2）、高斯法是将也型曲线分段后用高次曲线近似代替来计算叶片截面几何特性的，其区间不等分，叶型中间分得大，两端分得小，如下图所示：计算时，先将叶片图形放大10倍，以叶型进、出口联线为x 轴。

沿x 轴将叶型分为5段，根据5在表4-1中查出X i ，算出i 点的横坐标x i ，在横坐标上标出。

过分段点x i 作垂线交叶型内弧与背弧，量出各相应交点的纵坐标 ()i i x f y 11=,()i i x f y 22=, 然后按下列公式计算叶片截面的几何特性参数面积：()i i i i y y A b A 1251-=∑==15.7⨯[0.1184634⨯(7.2-1.09)+0.2393143⨯(11.41-4.35)+0.2844444⨯(11.3-5.4)+0.2393143⨯(7.45-3.55)+0.1184634⨯(1.95-0.75)]=15.7⨯5.167074142 =81.123⨯10-4m 2静矩：()2122512i i i i x y y A b S -=∑==27.15⨯[0.1186434⨯(7.22-1.092)+0.2393143⨯(11.412-4.352) +0.2844444⨯(11.32-5.42)+0.2393143⨯(7.452-3.552) +0.1184634⨯(1.952-0.752)] =3.925⨯71.3142 =559.8165()i iii iy y yX A bS 12512-=∑==15.72⨯[0.1184634⨯0.04691008⨯(7.2-1.09)+0.2393143 ⨯0.23076574⨯(11.41-4.35)+0.2844444⨯0.5⨯(11.3-5.4)+0.2393143⨯0.7692366⨯(7.45-3.55)+0.1184634⨯0.95308992⨯(1.95-0.75)]=15.72⨯2.11634=521.6566重心坐标：x c =AS y =123.816566.521=6.43y c =A S x =123.818165.559=6.9惯性矩：()3132513ii i i x y y A b I -=∑==37.15⨯[0.1184634⨯(7.23-1.093)+0.2393143⨯(11.413-4.353) +0.2844444⨯(11.33-5.43)+0.2393143⨯(7.453-3.553) +0.1184634⨯(1.953-0.753)=37.15⨯834.5636 =4367.55 ()i iii iy y yX A bI 122513-=∑==15.73⨯[0.1184634⨯0.046910082⨯(7.2-1.09) +0.2393143⨯0.230765742⨯(11.41-4.35)+0.2844444⨯0.52⨯(11.3-5.4)+0.2393143⨯0.769234662⨯(7.45-3.55)+0.1184634⨯0.953089922⨯(1.95-0.75)]=15.73⨯1.192563=4615.09 2c x xc Ay I I -==4367.55-81.123⨯6.92 =505.284 2c y yc Ax I I -==4615.09-81.123⨯6.432 =1261.0677 得：xc I I ≈min =505.284 yc I I ≈max =1261.0677(3)、s rad n /3146030002602=⨯==ππω (4)、mm d m 1100= 即：mm d r m m 550211002===(5)、整个型线部分质量的离心力： m b c r Al F 2ωρ==7.69⨯103⨯2510123.814-⨯⨯0.0311⨯3142⨯0.55 =4154.419N上式中：ρ—叶片材料的密度，kg/m 3ω—角速度，rad/sn —转速，r/min b l —叶高，mA —叶片型线部分的横截面积，m2m r —叶片的平均旋转半径，m(6)、选取围带的型式为整体式围带，围带的厚度为5mm mm l r r b m s 05.5682521.31550252=++=++= 2410478.1005.002956.0m A s -⨯=⨯= mm Z r t b s s 487.1720405.56822=⨯==ππ 则：叶片上围带产生的离心力为： s s s cs r t A F 2ωρ==7.69⨯103⨯1.478⨯10-4⨯0.017487⨯3142⨯0.56925=1116.683N上式中：s A —围带的横截面积，m 2 s t —围带的节矩，ms r —围带质心的旋转半径，m (7)、叶型根部截面拉应力为： AF F csc c +=σ =2510123.81683.1116419.41544-⨯+=1.647⨯107N/m 2f) 叶片拉弯合成应力计算与校核作用在叶片上的汽流力是分布载荷，当10≥bbl d ，可以认为汽流力是分布载荷，且叶型根部截面弯矩最大，其值为：b Fl M 21==21⨯2519.157⨯0.0311 =39.173N.m叶型根部进、出汽边缘和背部的弯曲应力最大。