第三章：转子、叶轮结构和强度计算_最终

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第三章 转子、叶轮结构和强度计算
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 转子和叶轮结构 旋转薄圆环应力计算 叶轮应力状态和基本计算公式 等厚度叶轮应力分析 实际叶轮应力计算 套装叶轮按松动转速计算过盈和应力 叶轮温度应力计算 整锻转子强度计算 叶轮、转子材料和许用应力
着手设计叶轮时，先必须考虑叶轮与透平轴的联结方法。 对套装叶轮，通常是用键来联结，同时为了使叶轮与轴可靠的联结， 也就是说要保证在叶轮工作时，叶轮与轴保持对中(同心)，且相对于轴的 位置不变，还必须把叶轮红套在轴上。
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3-1 转子和叶轮结构
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3-1 转子和叶轮结构
9FA重型燃气轮机拉杆转子
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3-1 转子和叶轮结构
二、叶轮结构设计
从叶轮的工作条件和受力情况方面分析，叶轮是处在高温工质内并以高速 旋转，叶轮用来承装叶片。叶轮工作时，承受的力如下：
第三章 转子、叶轮结构和强度计算
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 转子和叶轮结构 旋转薄圆环应力计算 叶轮应力状态和基本计算公式 等厚度叶轮应力分析 实际叶轮应力计算 套装叶轮按松动转速计算过盈和应力 叶轮温度应力计算 整锻转子强度计算 叶轮、转子材料和许用应力
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3-2 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δ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dθ，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：
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3-3 叶轮应力状态和基本计算公式
为了提高转子强度，应以叶轮代替圆环组成转子，因为圆盘的 强度比圆环的强度好。圆盘的受力情况与自由圆环不同，在圆盘中的 任一圆环，外层把它向外拉，里层把它向里拉，即在径向方向存在径 向应力，此外也同样存在切向应力。 叶轮的应力状态是轴对称平面应力状态: 叶轮主平面内只有径向应力和切向应力，且同一半径上各点的 径向应力、切向应力各自相等，即叶轮任一过轴线的径向截面(子午面) 上的应力可以代表其他径向截面上的应力状态。 从叶轮中切出一块微元体，分析微元体的受力平衡。为了表示 叶轮各点的应力状态，在叶轮任意部位上，取半径相距dR的两个圆弧 面和夹角为dθ的两个径向截面所切出的无穷小微元体。
(1) 叶轮自身质量引起的离心力; (2) 叶片引起的离心力，一般称为叶轮外部径向载荷，通常包括叶片（包 括围 带、拉金）、叶根联结部分（叶根和轮缘）的离心力； (3) 由于叶轮红套在轴上的过盈产生的接触压力（对于套装叶轮而言）。 以上三项载荷引起的应力与叶轮旋转速度有关称为转动应力； (4) 在较高温度区域内以及透平起动过程中，叶轮受到温度沿径向分布不 均匀引起的温度应力； (5) 由于叶轮轴向振动将产生振动应力。
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）。
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3-1 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。
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R
d

3-2 旋转薄圆环应力计算
2 R 2 u 2
旋转圆环的应力ζθ 只与圆周速度的平方有关。当圆周速度稍有增加 时，圆环的应力将大大增加。表3-1列出不同圆周速度时，旋转圆环的应力值。
对于一般材料制成的空心鼓式转子，其圆周速度限制在150米/秒 以内。表上计算的数据还没有考虑转子上叶片的离心力，如果把它计算 进去能用的圆周速度还要低。 分析旋转圆环强度低的原因，主要是圆环和叶片径向的离心力 只靠圆环圆周方向的切向应力ζθ平衡，因此切向应力较大。由此可见， 接近旋转圆环的空心转鼓强度低，不适宜用作高转速、大直径的透平转 子。但空心转鼓也有它的优点，即重量轻，抗弯刚度大。
dC
dT
d 2 d 2
dT
b
dC R 2 dm R 2 b Rd
式中 ρ—材料密度； R—旋转圆环的平均半径； ω—旋转角速度。
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R
d

3-2 旋转薄圆环应力计算
切向力dT等于纵向截面的应力ζθ乘以面积
dT b
根据微元体径向分力平衡：
dC
dT
d 2 d 2
d dC 2dT sin dTd 2
R 2 b Rd b d
圆环的应力
dT
b
将dT与dC的值代入上式：
2 R 2 u 2
式中 u—旋转圆环圆周速度（m/s）
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3-1 转子和叶轮结构
叶轮结构设计的下一步骤是选择叶轮型线。 决定叶轮型线的方法有两种: 1. 一种是按给定应力曲线设计叶轮型线； 2. 一种方法是先选好一种叶轮型线算出它的应力，再来修改叶轮型线。 整个叶轮型线由下列几部分组成:（1）轮缘，（2）轮面，（3） 轮毂（对套装叶轮而言）。
轮缘是为了安置叶片，轮缘的形状与叶根的形状有关，一般 它是等厚度的。 轮毂的形状都是等厚度的。 轮面的型线有下述几种型式: (1)等厚度型； (2)锥形； (3)双曲线型； (4)等强度型。 实际叶轮的轮缘与轮面以及轮面与轮毂连接处均用圆弧或者 其他曲线圆滑地连接。
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3-1 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。
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3-1 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1.5－2.5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。
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。
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3-1 转子和叶轮结构
拉杆转子是用拉杆螺栓将叶轮、轴头联成一整体所组成。拉杆的 作用是:既固定每个叶轮，又保证叶轮的对中，有时还传递扭矩。 拉杆转子不但具有焊接转子的所有优点，并且可以根据需要自由 选择各个叶轮材料而不受材料可焊性的限制，重量也可以做得更轻。
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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。 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。
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3-1 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。
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3-1 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。