董強(qiáng)， 王龍清， 唐坤

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽， 618000）

1 引言

汽輪機(jī)大葉片普遍存在著在加工制造后變形問題： 一方面是加工會導(dǎo)致葉片在毛坯鍛造過程中所產(chǎn)生的內(nèi)部組織應(yīng)力變化； 另一方面是大葉片的弱剛性結(jié)構(gòu)會使葉片在加工過程中受力不均造成變形。 而關(guān)于葉片變形和殘余應(yīng)力對葉片性能影響的研究由來已久， 70 年代興起的有限元方法， 將有限元為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬技術(shù)和葉片校形過程相結(jié)合， 通過計(jì)算模擬， 以直觀的圖像和圖形信息表現(xiàn)出物理量變化， 從而預(yù)知葉片校形過程中的應(yīng)力分布和變形。

當(dāng)作用在物體上的外力取消后， 物體的變形不完全恢復(fù)， 而產(chǎn)生一部分永久變形， 這種變形就叫塑性變形。 對于塑性力學(xué)來說， 彈性力學(xué)中的大部分基本概念和處理問題的方法都可以在塑性力學(xué)中得到應(yīng)用[1]。 塑性變形的基本規(guī)律應(yīng)當(dāng)建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 即從實(shí)驗(yàn)中去找出材料超出彈性極限后的特性， 從而確定物理關(guān)系， 建立塑性力學(xué)中的基本方程， 由這些方程得到不同情況的塑性狀態(tài)下的應(yīng)力和變形。 利用這些基本規(guī)律來討論材料發(fā)生塑性變形后內(nèi)部應(yīng)力重新分布情況， 以便做出更合理的設(shè)計(jì)， 在這方面也已做了很多工作， 并且已經(jīng)解決了不少問題[2]。

本文以某型號汽輪機(jī)末級葉片為例， 使用有限元從理論分析當(dāng)前校形方式對葉片應(yīng)力變化的影響， 并且對葉片校形前后的變形量與殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測， 進(jìn)而對該葉片的校形方案進(jìn)行了探討，最終確認(rèn)一個不會對葉片安全性能造成影響的允許變形量與校型量。

2 葉片變形量與校形量

隨機(jī)選取了6 只已完成型面工序的某型號汽輪機(jī)末級動葉， 對其各檔截面進(jìn)行了變形量統(tǒng)計(jì)，其數(shù)值如圖1 所示。

圖1 葉片變形量統(tǒng)計(jì)

對該葉片采用的葉片校形方式是通過對葉片表面施加外力使其產(chǎn)生塑性變形， 校形量即校形過程中校形機(jī)壓頭所發(fā)生的位移值[3]。 通過對校形后葉片進(jìn)行測量， 要糾正變形量接近3 mm 的葉片， 需要施加的校形量在5 mm 左右。 其校形過程的葉片裝夾方式及所使用壓頭形狀如圖2 所示，根據(jù)葉片的不同變形方向， 校形力會施加于壓力面與吸力面2 個方向。

圖2 葉片校形裝夾方式

該葉片分別對3 個截面施加校形量用以糾正其變形量， 各截面高度分別為650 mm、 750 mm與830 mm， 其校形位置如圖3 所示。

圖3 校形位置示意圖

3 校形模擬分析

基于該葉片的三維實(shí)體模型， 使用ANSYS 軟件建立了三維有限元模型， 如圖4 所示， 葉片總網(wǎng)格數(shù)量為21.3 萬， 葉型部分網(wǎng)格數(shù)量為18.3萬， 約占總網(wǎng)格數(shù)量的85.9%。 葉片材料屬性是根據(jù)該葉片材料的應(yīng)變-應(yīng)力曲線設(shè)置。

圖4 葉片網(wǎng)格示意圖及局部放大

結(jié)合上一章節(jié)的實(shí)際數(shù)據(jù)， 設(shè)定在施加7 mm與5 mm 校形量前提下， 3 種校形高度下的數(shù)值模型如圖5 所示。

圖5 各校形高度下的數(shù)值模型示意圖

通過對數(shù)值模型進(jìn)行分析， 可得出該葉片3個校形高度的不同約束條件下葉片表面的殘余應(yīng)力分布情況， 壓頭處于吸力面與壓力面時的應(yīng)力分布數(shù)值數(shù)值如表1 所示與表2 所示。

表1 校形量7 mm 校形點(diǎn)附近應(yīng)力分布數(shù)據(jù)

表2 校形量5 mm 校形點(diǎn)附近應(yīng)力分布數(shù)據(jù)

同時截取了校形量7 mm 時壓頭位于吸力面750 mm 高度處的校形截面殘余應(yīng)力分布， 見圖6。

通過以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)葉片在校形過程中發(fā)生的變形行為與分析相符。 葉片的塑性變形量從校形點(diǎn)附近向四周擴(kuò)散， 變形量迅速衰減， 這意味著，在校形點(diǎn)附近將產(chǎn)生一個平滑的凹陷區(qū)域。 這個凹陷區(qū)域的邊緣與葉片表面的其他區(qū)域平滑銜接。從應(yīng)力分布圖可看出， 加載時產(chǎn)生的應(yīng)力分布和卸載后的殘余應(yīng)力都只分布在校形區(qū)域及校形區(qū)域外很小的范圍內(nèi)， 超過校形區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力大小迅速減小， 影響范圍也迅速減小。 但是殘余應(yīng)力的數(shù)值隨著校形量的加大而加大。 在校形量7 mm時加載時產(chǎn)生的最大應(yīng)力接近但不超過葉片材料的極限應(yīng)力， 最大殘余應(yīng)力分布在校形點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)， 最大殘余應(yīng)力的大小隨著校形高度的增加而減小。

4 實(shí)物殘余應(yīng)力檢測

在進(jìn)行理論分析計(jì)算的同時對6 只葉片采取X 射線檢測校形后的葉片表面殘余應(yīng)力， 測試位置如圖7 所示。

圖7 葉片殘余應(yīng)力測試位置示意圖

圖中標(biāo)明的測試點(diǎn)距進(jìn)氣邊5 mm， 實(shí)際測量位置距進(jìn)氣邊5 mm、 15 mm 和30 mm， 內(nèi)背弧的檢測位置一致。 且每個點(diǎn)都測試的是沿葉片邊長的方向。 6 只葉片各測量點(diǎn)結(jié)果數(shù)值相近且規(guī)律一致。 以1#葉片為例， 其各點(diǎn)殘余應(yīng)力結(jié)果見表3。表中正值代表拉應(yīng)力， 負(fù)值代表壓應(yīng)力。

表3 1#葉片各測量點(diǎn)殘余應(yīng)力檢測結(jié)果

從測量結(jié)果可看出葉片表面有2 處存在拉應(yīng)力， 其余均為壓應(yīng)力， 但是未超過材料的極限應(yīng)力。 表明在校形量5 mm 的情況下， 不會因校形附加的應(yīng)力而對葉片材料基體產(chǎn)生破壞影響， 但此時已經(jīng)出現(xiàn)了潛在風(fēng)險。 結(jié)合第3 章的理論分析，若校形量增大， 則校形點(diǎn)附近的應(yīng)力分布變化也會發(fā)生急劇變化， 在校形點(diǎn)附近會產(chǎn)生對葉片安全性造成影響的拉應(yīng)力， 對機(jī)組安全性造成潛在風(fēng)險。 因此在葉片加工完成后需要對其變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)， 同時對校形量進(jìn)行嚴(yán)格管控。

5 結(jié)論

文章通過對某型汽輪機(jī)末級動葉施加外力校形時的應(yīng)力分布理論分析及實(shí)際校形后的應(yīng)力分布檢測數(shù)據(jù)收集， 可得出以下結(jié)論：

（1）隨著校形量的增大， 在校形點(diǎn)附近的應(yīng)力變化會急劇變化， 越靠近校形點(diǎn)的應(yīng)力越大， 且出現(xiàn)對葉片運(yùn)行安全性能造成影響的拉應(yīng)力。

（2）針對文章研究的葉片， 其變形量在5 mm以內(nèi)時允許校形， 且最大校形量不超過7 mm， 在校形后應(yīng)該增加去應(yīng)力的方式， 減小校形點(diǎn)附近的應(yīng)力集中， 以保證葉片運(yùn)行的安全性。