何斌，翟棟

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

1 828 mm葉片樅樹(shù)型葉根試驗(yàn)研究

何斌，翟棟

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

公司采用最先進(jìn)的全三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度振動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，開(kāi)發(fā)出用于第三代核電汽輪機(jī)的1 828 mm末級(jí)長(zhǎng)葉片。該葉片采用具有大承載能力的樅樹(shù)型葉根，文章介紹了葉根強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)的方法及試驗(yàn)結(jié)果。

葉根強(qiáng)度，應(yīng)力，電子散斑干涉技術(shù)

1 前言

長(zhǎng)葉片的開(kāi)發(fā)是核電汽輪機(jī)研制項(xiàng)目的關(guān)鍵內(nèi)容之一，使用更長(zhǎng)的末級(jí)葉片可以大幅度降低汽輪機(jī)的整體損失和機(jī)組的建設(shè)成本。末級(jí)葉片越長(zhǎng)將面臨諸如葉片材料性能、安全性設(shè)計(jì)、葉片的制造等諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。為此，公司在已積累多年的長(zhǎng)葉片設(shè)計(jì)與試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用最先進(jìn)的全三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度振動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了用于第三代核電汽輪機(jī)的1 828 mm末級(jí)長(zhǎng)葉。1 828 mm葉片是國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的末級(jí)葉片，葉根軸向?qū)挾冗_(dá)600 mm，葉片工作離心力巨大，葉根采用承載能力大的4齒樅樹(shù)型結(jié)構(gòu)。

葉根承受著近千噸的離心力以及汽流作用力，在高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中可能導(dǎo)致葉根裂紋的產(chǎn)生，甚至造成葉根斷裂，在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中時(shí)有葉根斷裂事故發(fā)生[1-2]。為驗(yàn)證1 828 mm葉片葉根強(qiáng)度，試驗(yàn)采用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)與電子散斑干涉測(cè)試技術(shù)分析了葉根應(yīng)力分布，并采用1∶2模化試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，測(cè)試葉根的實(shí)際承載能力。本文介紹了葉根的驗(yàn)證試驗(yàn)內(nèi)容。

2 試驗(yàn)方法

在工作狀態(tài)下葉片主要承受自身的離心力和蒸汽載荷作用，葉根的靜應(yīng)力主要源于葉片的徑向離心力。樅樹(shù)型葉根各齒的載荷分布與葉根、輪緣、齒的剛度相關(guān)，實(shí)際加工公差對(duì)葉根應(yīng)力分布也有明顯影響。葉根齒圓角處易出現(xiàn)應(yīng)力集中，圓角處往往也是應(yīng)力極大值位置[3]。成熟方法是采用全尺寸型線薄板試驗(yàn)驗(yàn)證型線的合理性，以實(shí)物葉根的極限載荷判斷葉根安全性[4-5]。

在型線應(yīng)力試驗(yàn)中，以往是通過(guò)光彈性試驗(yàn)獲得葉根模型的應(yīng)力分布，運(yùn)用相似原理由模型的應(yīng)力換算出實(shí)物葉根的應(yīng)力[6]；也可采用在頸截面處粘貼多個(gè)微型應(yīng)變片，分析截面的應(yīng)力分布和齒承擔(dān)的載荷[7]。因光彈性試驗(yàn)?zāi)Ｐ托璨捎铆h(huán)氧樹(shù)脂材料，與實(shí)物材料的泊松比相差較大，且不能反映實(shí)物材料的加工公差，試驗(yàn)結(jié)果不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)實(shí)物的峰值應(yīng)力；應(yīng)變片測(cè)試技術(shù)適用于測(cè)量分布均勻或者過(guò)渡平滑的應(yīng)變場(chǎng)。因此，采用這兩種方法能獲得葉根的一些應(yīng)力特征，但也有局限性。電子散斑干涉技術(shù)是綜合了激光、視頻、電子及數(shù)字圖像處理等技術(shù)的現(xiàn)代光測(cè)方法，是非接觸式全場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)，近年來(lái)，該測(cè)試技術(shù)得到了快速發(fā)展。電子散斑干涉技術(shù)通用性強(qiáng)、測(cè)量精度高，可以完成位移、應(yīng)變、表面缺陷和裂紋等多種測(cè)試[8]。采用電子散斑干涉技術(shù)測(cè)量葉根的應(yīng)力分布，試件可采用實(shí)物葉片材料，型線尺寸和公差要求與實(shí)物葉根相同，試驗(yàn)數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。

Q-100電子散斑測(cè)試與分析系統(tǒng)由激光光學(xué)探頭、PC控制器、電子裝置以及數(shù)據(jù)處理ISTRA軟件組成。采用4束照明光分別從空間不同的方向照明物體表面，在同一觀察方向上，依次用CCD記錄下物體變形前后的散斑圖，由計(jì)算機(jī)軟件處理分析后得出表征物場(chǎng)變化的散斑干涉條紋圖，并通過(guò)實(shí)時(shí)相減和相位處理，便可得到4幅不同區(qū)域上的相關(guān)條紋的相位分布圖以及相應(yīng)的相位值φ1、φ2、φ3、φ4。對(duì)于每一觀察方向，可寫(xiě)出相位與位移矢量的關(guān)系式：

根據(jù)探頭所選定的坐標(biāo)系，由式（1）變換可得式（2）所示的線性方程組：

由式（3）可得平面主應(yīng)變?yōu)椋?/p>

結(jié)合式（3）、式（4）和彈性力學(xué)原理可得平面應(yīng)力分量、剪應(yīng)力分量及主應(yīng)力分別為：

從而獲得測(cè)試部位的應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)。

葉根與輪緣試件采用全尺寸型線的簿板模型，試件材料與產(chǎn)品一致，用拉力試驗(yàn)機(jī)加載模擬葉片離心力的作用。采用電子散斑干涉測(cè)試系統(tǒng)對(duì)應(yīng)力較大區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試；試驗(yàn)中用柵距為0.5 mm×1.2 mm的應(yīng)變片實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)葉根試件頸截面上的應(yīng)力。

為了確定葉根的承載能力，考慮試驗(yàn)機(jī)噸位限制，按產(chǎn)品尺寸的1/2設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ诖笮蛪毫υ囼?yàn)機(jī)上通過(guò)專用倒向裝置加載，按相似原理從試驗(yàn)值推得葉根的屈服載荷。

3 試驗(yàn)結(jié)果

電子散斑光學(xué)探頭安裝在可移動(dòng)位置的開(kāi)孔板夾具上，夾具固定在試件基板上，通過(guò)在開(kāi)孔板上移電子散斑探頭位置即可對(duì)每個(gè)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)機(jī)加載應(yīng)力測(cè)試圖

試驗(yàn)加載采用分級(jí)加載方式，加載速度為0.5 mm/min。為了消除試驗(yàn)裝置及試件之間的間隙所帶來(lái)的剛體位移對(duì)測(cè)試的影響，試驗(yàn)采用預(yù)加載15 kN。試驗(yàn)加載過(guò)程中試件的載荷-位移曲線線性度較好。

結(jié)合電測(cè)測(cè)得的頸截面上各點(diǎn)的應(yīng)力值和電子散斑干涉系統(tǒng)測(cè)得的頸截面邊緣處的應(yīng)力值，擬合得到頸截面的應(yīng)力曲線，計(jì)算得到的頸截面的平均拉應(yīng)力為σp。葉根試件頸截面平均應(yīng)力變化曲線見(jiàn)圖2，從圖中可見(jiàn)，各頸截面平均應(yīng)力隨加載載荷呈線性變化趨勢(shì)。

圖2 葉根頸截面平均應(yīng)力隨載荷變化趨勢(shì)

電子散斑測(cè)得的應(yīng)力場(chǎng)分布圖表明，在葉根型線頸截面內(nèi)圓角處應(yīng)力集中明顯，在此區(qū)域內(nèi)應(yīng)力變化較大，各截面的應(yīng)力峰值均位于頸截面內(nèi)圓角附近。葉根試件整個(gè)型線上峰值應(yīng)力位于第1頸截面內(nèi)圓角處，等效應(yīng)力值是558.6 MPa，葉根第1頸截面應(yīng)力較大區(qū)域的應(yīng)力見(jiàn)圖3；第2、3、4頸截面內(nèi)圓角處峰值應(yīng)力分別是435 MPa、424 MPa、418 MPa，第2頸截面應(yīng)力較大區(qū)域的應(yīng)力見(jiàn)圖4。輪緣上峰值應(yīng)力在根部頸截面處，等效應(yīng)力值為466.7 MPa，見(jiàn)圖5。

圖3 葉根上峰值應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力分布圖

圖4 第2頸截面應(yīng)力較大區(qū)域的應(yīng)力

圖5 輪緣上峰值應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力分布圖

葉根與輪緣峰值應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度值，強(qiáng)度裕量較大。由峰值應(yīng)力與平均應(yīng)力計(jì)算得到葉根的應(yīng)力集中系數(shù)，第1、2、3截面處應(yīng)力集中系數(shù)分別是2.1、1.8、2.1，第4截面處應(yīng)力集中系數(shù)為3.2，表明型線過(guò)渡圓角較為合理。

葉根與輪緣的承載能力測(cè)試共加工了兩套試件，試驗(yàn)都表明：輪緣齒首先屈服，輪緣試驗(yàn)件各齒受擠壓變形明顯，而葉根齒擠壓變形微小。由加載曲線可以看出，試驗(yàn)件已達(dá)屈服狀態(tài)，試驗(yàn)機(jī)的壓力已無(wú)法繼續(xù)增大。試驗(yàn)機(jī)壓力-位移變化曲線見(jiàn)圖6。葉根與輪緣極限載荷數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，兩套試件數(shù)據(jù)僅相差4%左右，有較好的一致性。從表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，當(dāng)量破壞轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于葉片工作轉(zhuǎn)速1 500 r/min。

圖62 試件極限載荷測(cè)試的力-位移曲線

表1 半尺寸模型試件的極限載荷數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

公司開(kāi)發(fā)的1 828 mm葉片其葉根采用4齒樅樹(shù)型結(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)的電子散斑干涉技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證了葉根的應(yīng)力分布。試驗(yàn)表明：峰值應(yīng)力位于第1頸截面內(nèi)圓角處，等效應(yīng)力值是558.6 MPa；輪緣上峰值應(yīng)力在根部頸截面處，等效應(yīng)力值為466.7 MPa。葉根與輪緣峰值應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度，強(qiáng)度裕量較大，型線過(guò)渡圓角較為合理。

葉根與輪緣當(dāng)量破壞轉(zhuǎn)速達(dá)到2 654 r/min，遠(yuǎn)高于葉片工作轉(zhuǎn)速1 500 r/min。葉根、輪緣靜強(qiáng)度完全滿足要求。

[1]劉志江,袁平,蔡禮東.一臺(tái)300 MW汽輪機(jī)次末級(jí)葉片斷裂損傷原因分析[J].中國(guó)電力,2000,33(6):7-10

[2]王頂輝,王九崇,韓玉峰,趙東亮.俄制800 MW機(jī)組高壓葉片斷裂分析與處理[J].中國(guó)電力,2009,42(5):32-34

[3]謝永慧,馬丹丹,張荻,豐鎮(zhèn)平.汽輪機(jī)葉片樅樹(shù)型葉根輪緣優(yōu)化研究[J].熱力透平,2012,41(2):116-121

[4]商宇,何斌,盧中俊,等.1 200 mm末級(jí)動(dòng)葉片開(kāi)發(fā)試驗(yàn)研究[J].東方汽輪機(jī),2011,(3):1-5

[5]魏先英,余耀.905毫米長(zhǎng)葉片葉根拉斷試驗(yàn)[J].熱力透平,1993,(4):1-12

[6]張先鴻.905毫米長(zhǎng)葉片樅樹(shù)型葉根光彈性實(shí)驗(yàn)[J].熱力透平,1993,(1):29-32

[7]余耀.905毫米長(zhǎng)葉片樅樹(shù)型葉根各對(duì)齒受力分布實(shí)驗(yàn)研究[J].熱力透平,1995,(1):24-31

[8]符春渝,尹益輝,黃鵬,魏曉貞.Q-100型電子散斑測(cè)試分析系統(tǒng)及其應(yīng)用[C].第十一屆全國(guó)實(shí)驗(yàn)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文,2005

Experimental Study on 1 828 mm Fir-tree Blade Root

He Bin，Zhai Dong
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Dongfang Turbine Co.,Ltd.adopts the most advanced full three-dimensional aerodynamic design and vibration intensity design technology to develop the 1 828 mm LSB for the nuclear power steam turbine of third generation.The blade adopts the firtree blade root with large carrying capacity.This paper introduces method and test results of the blade root strength verification test.

blade root strength,stress,electronic speckle pattern interferometry

何斌（1969-），男，工程碩士，高級(jí)工程師，主要從事汽輪機(jī)強(qiáng)度、振動(dòng)方面的研究工作。

TK263

A

1674-9987（2015）04-0009-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.04.003