第三章叶轮结构计算

第三章 转子、叶轮结构和强度计算
转子
轴、叶轮、动叶片和联轴器等 汇集各级动叶栅上得到的机械能并传给发电机（或其它机械）。 处在高温中； 高速旋转； 承受叶片、叶轮、主轴的离心力； 蒸汽作用的轴向推力； 温度分布不均匀的热应力； 巨大的扭转力矩； 轴系振动。
汽轮机结构
（2）
二、转子
1 3 3
R2 ) ra
(3-18) (3-19)
等厚度叶轮应力分析
1、等厚度叶轮应力与叶轮厚度无关； 2、叶轮切向应力比径向应力大； 3、最大应力发生在叶轮中心（实心叶轮）或内孔处
（空心叶轮）； 4、实心叶轮在中心孔处的切向应力与径向应力相同。
半径
60
80
100
120
-50应14力0 0
R2bRd
切向力 dT b
dC 2dT sin d dTd
2
R 2bRd bd
第二节 旋转薄圆环应力计算
2R
结论：
旋转圆环的切向应力（径向纵截面拉应力）与材料 密度，圆环转动半径，转速的平方成正比。
如果考虑叶片的离心力，切向应力还要大。 缺点：不适用于高转速，大直径转子； 优点：重量轻，抗弯刚度大。
鼓式转子，轮式转子；
轮式转子：整锻，套装，组合，焊接转子
整锻转子的优缺点：
优点：
整体锻造，没有热套部件，消除松动问题，启动和变工况适应性 好，适于在高温下工作；
强度和刚度好于套装转子； 结构接凑，轴向尺寸短； 机械加工和装配量少； 缺点： 锻件尺寸大工艺要求高，加工周期长，质量不易保证； 贵重材料消耗大，不利于材料合理利用。
(Ra2
Ri2
Ra2 Ri2 R2
1 3 3
R2)
Ra2 Ra2 Ri2
(1
Ri2 R2
) ra
Ri2 Ra2 Ri2
(
Ra2 R2
1) ri
(3-17)
实心等厚度叶轮：
边界条件：
1、R Ra , r ra
2、Ri 0
计算公式：
r
3
8
2 (Ra2
R2 ) ra
3
8
2 (Ra2
边界条件： 已知内孔和外缘处的径向应力
1、R Ra , r ra 2、R Ri , r ri
计算公式：
(3-16) r
2
(3 8
)
(Ra
2
Ri2
Ra2 Ri2 R2
R2)
Ra2 Ra2 Ri2
(1
Ri2 R2
)
ra
Ri2 Ra2 Ri2
( Ra2 R2
1) ri
2(3
8
)
50
100
150
200
250
实心叶轮应力曲线
空心叶轮应力曲线
切向应力----红色 径向应力----兰色
（3-16），（3-17）的转化 从已知内孔、外缘的径向应力变 为已知内孔（外缘）的径向应力和切向应力
r
2
(3 8
)
(Ra
2
Ri2
Ra2 Ri2 R2
R2)
Ra2 Ra2 Ri2
(1
Ri2 R2
(3-10)
dR2 y dR R dR Ry dR R2
E
d 2 1 d
1 AR 0
A 2 1 2
dR2 R dR R2
E
(3-11)
r
E
1 2
[(1
)C1
(1 ) C2
R2
(3
)
AR2 8
1
E
2
[(1
)C1
(1
)
C2 R2
(1 3)
AR2 8
(3-14) (3-15)
空心等厚度叶轮：
第三节 叶轮应力状态和基本计算公式
以圆盘叶轮代替圆环组成转子。 圆盘任意半径上存在径向应力和切向应力。 叶轮上应力和应变对称于轴线。 应力沿轴向（厚度方向）均匀分布。 轴向应力可以忽略不计。属于轴对称平面应力问题。
d 2 1 dy 1 d
( ) (
dy
1 ) 2 1 2 R 0
套装转子适宜中压汽轮机或高压汽轮机的低压部分。 200MW的低压转子。
焊接转子：
若干个叶轮和两个端轴拼焊而成。如图6-29. 无中心孔，可以承受很大的离心力，强度好； 结构紧凑，刚度大； 锻件尺寸小；
要求焊接工艺高，材料的焊接性能好。
汽轮机结构
（2）
组合转子： 国产200MW的中压转子
第一节 转子和叶轮结构
一、转子形式
汽轮机主要采用整锻转子，焊接转子，套装转子以及 组合转子。
燃气轮机主要采用整锻转子，焊接转子，拉杆转子。 二、叶轮结构设计
1、叶轮的工作条件和受力情况：叶轮离心力，叶片 离心力，接触应力（套装转子），热应力，振动应力。
2、套装叶轮的联结方式： 简单过盈配合---扭矩借摩擦力和键传递
缘形状和尺寸，进行轮缘强度计算，并确定轮缘 上的外载荷；选择轮面型线和轮毂尺寸。
第二节 旋转薄圆环应力计算
dC dT d / 2
d
接近空心鼓式转子：壁厚壁直径
小得多。
力学分析：圆环绕轴心旋转，离
dT 心力引起圆环变形，在圆环径向
b δ
纵截面中产生应力，应力均匀分 布。
离心力：dC R2dm
R
汽轮机结构
（2）
二、套装转子
套装转子： 优点：
锻件尺寸小，加工方便，质量容易控制； 不同部件采用不同材料，合理利用；
缺点：
高温下由于金属蠕变，过盈消失，叶轮和轴之间松动； 快速启动适应性差。
整锻转子用于高温区；高压转子； 125MW, 200MW,300MW的高压转子； 300MW,600MW的高，中，低压转子。
重载过盈配合---依靠中间环，径向键，扭矩借摩擦力和键 传递
第一节 转子和叶轮结构
3、叶轮型线设计 按给定应力曲线设计叶轮型线 先选择型线，计算应力，再修改型线 4、型线组成：轮缘，轮面，轮毂（套装转子） 轮缘一般等厚度 轮毂一般等厚度 轮面型线：等厚度，锥形，双曲线，等强度。 5、设计步骤：由叶根联结部的型式选择适当的轮
)
ra
Ri2 Ra2 Ri2
( Ra2 R2
1) ri
2
(3 8
)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(Ra2
Ri2
Ra2 Ri2 R2
1 3 R2) 3
Ra2 (1 Ra2 Ri2
Ri2 R2
)
ra
Ri2 ( Ra2 Ra2 Ri2 R2
1) ri
r
1 m2 2
ri
1 m2 2
i
2R2
8
[2(1 )m2
(1 )m4
(3
)]
1 m2
2
ri
1 m2
2
i
2R2
8
[2(1 )m2
(1 )m4
(1 3)]
m Ri R
r
1 m2 2
r
1 m2
2
2 R 2 2.69 n 2 d 2
8
T
n2d 2 10 6
c 2.69[2(1 )m2 (1 )m4 (3 )]