汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子樅樹型輪緣的強(qiáng)度評估

郭勇，趙海峰，祁乃斌，趙衛(wèi)軍，孫敏，袁永強(qiáng)

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000）

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汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子樅樹型輪緣的強(qiáng)度評估

郭勇，趙海峰，祁乃斌，趙衛(wèi)軍，孫敏，袁永強(qiáng)

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000）

文章以一種新型的樅樹型輪緣為研究對象，討論了它的強(qiáng)度評估方法。文章利用解析法表征樅樹型輪緣拉應(yīng)力、彎應(yīng)力和剪應(yīng)力，確定各應(yīng)力的校核截面位置和特征。同時還討論了在強(qiáng)度校核中的關(guān)鍵技術(shù)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的離心力計(jì)算問題，上述問題的解決為樅樹型輪緣強(qiáng)度計(jì)算的程序化奠定了基礎(chǔ)。理論分析和數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，文章給出的方法能快速準(zhǔn)確地進(jìn)行樅樹型輪緣強(qiáng)度分析，適用于汽輪機(jī)概念設(shè)計(jì)階段輪緣的選擇和設(shè)計(jì)。

汽輪機(jī)，樅樹型輪緣，強(qiáng)度

1　前言

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的輪緣連接著葉片，在傳遞載荷的同時還承受著高速轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的離心力，是最易破壞的轉(zhuǎn)子部分。特別是，隨著汽輪機(jī)單臺功率向更大的方向發(fā)展，轉(zhuǎn)子直徑越來越大，葉片也更長、更重，輪緣承受的作用力也越來越大，因此輪緣的強(qiáng)度已成為汽輪機(jī)設(shè)計(jì)者重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一。

樅樹型輪緣因其裝卸方便、承載能力高，常常用在低壓末級連接機(jī)組中最長、最重的葉片上。這種輪緣結(jié)構(gòu)一直是汽輪機(jī)技術(shù)的研究者和實(shí)踐者重點(diǎn)關(guān)注的對象。王耕學(xué)［1］、魏先英［2］通過實(shí)驗(yàn)的方法研究了樅樹型輪緣中各個齒的受力情況。而另外的一些研究者則利用有限元技術(shù)對樅樹型輪緣進(jìn)行強(qiáng)度評估［3-5］，特別是隨著有限元工具的進(jìn)步，這種評估方法也越來越多地應(yīng)用于設(shè)計(jì)實(shí)踐中。采用實(shí)驗(yàn)研究樅樹型輪緣的應(yīng)力特性雖然能準(zhǔn)確反應(yīng)樅樹型輪緣的應(yīng)力應(yīng)變特性，但是成本高、周期長。采用有限元的方法，需要專業(yè)工具，并且環(huán)節(jié)多、操作復(fù)雜、對設(shè)計(jì)者要求高。特別是在機(jī)組的設(shè)計(jì)初期，在進(jìn)行深入的分析和設(shè)計(jì)之前，需要一種快速高效的方法甄別出合適的型線結(jié)構(gòu)。利用平均應(yīng)力對輪緣強(qiáng)度進(jìn)行評估一直被作為汽輪機(jī)設(shè)計(jì)的基本方法長期應(yīng)用［6］。這種方法的優(yōu)勢在于原理直接、操作方便、反應(yīng)快速、標(biāo)準(zhǔn)完善。但由于葉根型線的發(fā)展，傳統(tǒng)的評估方法對新型樅樹型輪緣強(qiáng)度評估誤差較大。本文針對一種新型的樅樹型輪緣，以平均應(yīng)力校核為基礎(chǔ)發(fā)展了樅樹型輪緣的評估方法，同時還編制了樅樹型輪緣強(qiáng)度分析工具。

2　樅樹型輪緣的校核截面

一般來說，應(yīng)力校核截面是最危險或者最先可能遭到破壞的截面，這種截面常是最大平均應(yīng)力所在的截面。圖1為文獻(xiàn)［6］中樅樹型輪緣的應(yīng)力校核截面示意圖。圖2是一種常用的新型樅樹型輪緣的型線示意圖。圖1中樅樹型輪緣的結(jié)構(gòu)明顯異于圖2的結(jié)構(gòu)。

圖1　文獻(xiàn)［6］中樅樹型輪緣齒的受力圖

圖2　常用的樅樹型輪緣型線

對圖2所示樅樹型輪緣進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樅樹型輪緣被剪切破壞的截面并不完全和輪緣的角度線平行，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)的剪切破壞面與圖1給出的和輪緣角度線平行的應(yīng)力校核截面并不一致。因此，采用圖1的強(qiáng)度校核方法校核圖2所示輪緣將給機(jī)組運(yùn)行帶來隱患。針對這種情況，本文以圖2所示樅樹型輪緣型線為對象研究輪緣齒的剪切應(yīng)力和彎應(yīng)力。

圖3　破壞性試驗(yàn)中輪緣的破壞情況

圖4　樅樹型輪緣齒的局部圖

設(shè)在離心力的作用下，葉根對輪緣接觸面的壓強(qiáng)為P，輪緣齒的上邊緣和下邊緣相交于點(diǎn)pt1，角度為S1，見圖4。點(diǎn)pt2到pt3為葉根和輪緣的接觸區(qū)域，長度為l4。設(shè)應(yīng)力校核面過點(diǎn)pt4。令應(yīng)力校核面和接觸面的角度為S2，點(diǎn)pt1到點(diǎn)pt2的距離為l1，點(diǎn)pt1到點(diǎn)pt4的距離為l2，點(diǎn)pt3到點(diǎn)pt4的距離為l3。輪緣厚度為B。

考慮以下2種情況：

（1）若點(diǎn)pt4在點(diǎn)pt2到pt3之間（見圖4），則應(yīng)力校核面的剪應(yīng)力為:

（2）若點(diǎn)pt4在點(diǎn)pt3之后，則應(yīng)力校核面的剪應(yīng)力為:

式（1）和式（2）中l(wèi)3和S2確定了應(yīng)力校核面的位置。在輪緣和作用壓力P一定時，τ是l3和S2的函數(shù)。求式（1）和式（2）的最大值即可得到最大剪應(yīng)力所在的截面。式（1）分別對l3和S2求導(dǎo)，得：

根據(jù)函數(shù)有限域的極值判斷法則，當(dāng)l3=0，S2=90-0.5S1時，式（1）取最大值。

同理，式（2）對l3和S2求導(dǎo)，得：

則當(dāng)l3=0，S2=90-0.5S1時，式（2）取最大值。

本文采用分段的方法對樅樹型輪緣齒所受的剪應(yīng)力進(jìn)行描述。各段應(yīng)力函數(shù)的最大值是相同的，并且位置也一樣，其最大應(yīng)力的大小和位置由式（3）或式（4）確定。

采用前述對最大剪應(yīng)力分析相同的方法，對樅樹型輪緣齒所受彎應(yīng)力進(jìn)行分析。圖4所示應(yīng)力校核面的彎應(yīng)力計(jì)算公式為：

顯然，δ是l3和S2的函數(shù)。采用和剪應(yīng)力分析相同的方法，計(jì)算式（5）對l3和S2的偏導(dǎo)，以確定最大彎應(yīng)力所在的位置和大小。

分析式（6）和式（7），可知當(dāng)l3=l1，S2=90-0.5S1時，δ取最大值，其最大值為:

同時，若l3＜l1，則相應(yīng)的彎應(yīng)力最大值為：

比較式（8）、（9）和式（3）、（4）可以看出，最大剪應(yīng)力和最大彎應(yīng)力的發(fā)生截面是平行的，但所處的位置距離pt1的距離不同。另外，最大的拉應(yīng)力截面可參見文獻(xiàn)［7-8］選擇，其位置如圖2所示。

3　輪緣離心力的計(jì)算方法

樅樹型輪緣的應(yīng)力計(jì)算中，需要計(jì)算輪緣部分的離心力。以文獻(xiàn)［8］中的拉應(yīng)力計(jì)算為例，圖5中A-A截面的拉應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中，fbcos（θ）為葉片和輪緣接觸力沿輪緣中心線方向的分量；n為輪緣的齒數(shù)；fr為輪緣的離心力；SA為A-A截面面積。

圖5　樅樹型輪緣型線的拉應(yīng)力校核面

設(shè)圖5所示輪緣厚度為B，密度為ρ，A-A截面以上部分中心為（xc，yc），面積為S，轉(zhuǎn)動角速度為ω，則圖5輪緣離心力可表示為：

式（11）中（xc，yc）的坐標(biāo)原點(diǎn)為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心。

應(yīng)用式（11）的難點(diǎn)是計(jì)算A-A截面以上部分輪緣面積S及中心位置（xc，yc）。為了方便計(jì)算，采用插值的方法將弧段折線化（見圖6），再計(jì)算多邊形面積。圖6為了表示方便，將弧線段折線化的插值點(diǎn)取得較少。實(shí)際中這些插值點(diǎn)可每隔0.01弧度插一個點(diǎn)，這樣計(jì)算的面積精度就可以滿足工程校核需要。

圖6　輪緣A-A截面以上的形狀折線化

圖6所示多邊形面積的計(jì)算方法見式（12）［9］。

根據(jù)多邊形的中心定義，可以采用式（13）計(jì)算圖6輪緣部分的中心坐標(biāo)。

式（11）～（13）可以方便地編制成計(jì)算機(jī)執(zhí)行的程序代碼。

4　計(jì)算實(shí)例

采用上述方法編制了輪緣快速評估的代碼，本文給出了一個計(jì)算實(shí)例。實(shí)例的輪緣型式為新型四齒型樅樹型輪緣型線。葉片的離心力為11 000 kN，輪緣外徑為2 940 mm，輪緣的厚度為600 mm，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，根據(jù)分析輪緣的強(qiáng)度校核截面見圖7。

圖7　一種樅樹型輪緣的強(qiáng)度校核面

圖7中給出了4種應(yīng)力校核的截面。其中彎應(yīng)力截面是一個虛擬的截面，采用這個截面進(jìn)行輪緣齒的彎曲強(qiáng)度評估的結(jié)果偏安全。圖7中的T截面是按照圖1中方法給出的和輪緣角度線平行的截面。采用前述方法分析，圖7中各個截面的應(yīng)力見表1。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，采用圖1方法選擇剪應(yīng)力校核截面上的應(yīng)力較小，但兩者的差值不大，主要是2個截面的角度差別小導(dǎo)致的。在兩者角度差別大時，T截面不適宜作為剪應(yīng)力的校核截面。由于剪應(yīng)力和彎應(yīng)力的校核截面平行，因此彎應(yīng)力的校核中也存在相同的問題。

表1　應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

5　小結(jié)

本文討論了一種新型的樅樹型輪緣型線的校核方法，這種校核方法適用于概念設(shè)計(jì)階段對輪緣型線選擇的需要。這種校核的方法以平均應(yīng)力計(jì)算為基礎(chǔ)，在深入分析各截面的剪應(yīng)力、彎應(yīng)力以及拉應(yīng)力解析表達(dá)的基礎(chǔ)上，選擇最大應(yīng)力發(fā)生截面作為強(qiáng)度校核截面。同時對輪緣應(yīng)力計(jì)算中的關(guān)鍵技術(shù)問題——不規(guī)則形狀的離心力計(jì)算進(jìn)行了討論。

采用上述方法計(jì)算了一種新型樅樹型輪緣的受力情況，比較了不同截面的受力差別。本文給出的方法能快速準(zhǔn)確地進(jìn)行樅樹型輪緣強(qiáng)度分析，適用于汽輪機(jī)新型樅樹型輪緣的設(shè)計(jì)和校核。

［1］王耕學(xué).對樅樹型“葉根-輪緣”齒各齒載荷分配的分析［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，1980，（3）：40-43.

［2］魏先英，余耀.700毫米長葉片樅樹型葉根的各齒受力分布實(shí)驗(yàn)研究［J］.上海汽輪機(jī)，1989，（3）：34-39.

［3］孫雁，劉正興.末級圓弧樅樹型葉根與輪緣三維接觸強(qiáng)度研究［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2000，22（4）：315-318.

［4］沈玨銘，鄔耀宗，朱季陶.葉輪強(qiáng)度的有限元法計(jì)算［J］.杭州大學(xué)學(xué)報(bào)，1989，16（1）：21-26.

［5］鄭鑫元，曾閎.用三維有限元確定樅樹型葉根的結(jié)構(gòu)［J］.熱力透平，1986，（3）：45-48.

［6］吳厚鈺.透平零件結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度計(jì)算［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［7］中國動力工程學(xué)會.火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［8］丁有宇.汽輪機(jī)強(qiáng)度計(jì)算手冊［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［9］羅志強(qiáng)，鐘爾杰.任意多邊形面積公式的推導(dǎo)及其應(yīng)用［J］.大學(xué)數(shù)學(xué)，2005，21（1）：123-125.

Stress Evaluation Method for Fir-tree Wheel Rim of Steam Turbine Rotor

GuoYong，Zhao Haifeng，Qi Naibin，Zhao Weijun，Sun Min，Yuan Yongqiang
（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

This paper provides a stress evaluation method for a new fir-tree wheel rim.In this paper，the analysis method is used to describe the tensile stress，the bending stress and shearing stress and determine the position of check stress section.At the same time，the key technology is discussed to calculate the centrifugal force of the part of fir-tree wheel rim.This discussion is the foundation of program for a new fir-tree wheel rim stress.The theoretical analysis and numerical calculation result shows that the method will be adapted to high-effectively choose and design the fir-tree wheel rim in steam turbine concept design phase.

steam turbine，fir-tree wheel rim，stress

TH133

A

1674-9987（2016）03-0019-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.03.005

郭勇（1977-），男，高級工程師，2010年畢業(yè)于西安交通大學(xué)，現(xiàn)主要從事汽輪機(jī)軸系設(shè)計(jì)工作。