1 828 mm葉片樅樹型葉根試驗研究

何斌，翟棟

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

1 828 mm葉片樅樹型葉根試驗研究

何斌，翟棟

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

公司采用最先進(jìn)的全三維氣動設(shè)計與強(qiáng)度振動設(shè)計技術(shù)，開發(fā)出用于第三代核電汽輪機(jī)的1 828 mm末級長葉片。該葉片采用具有大承載能力的樅樹型葉根，文章介紹了葉根強(qiáng)度驗證試驗的方法及試驗結(jié)果。

葉根強(qiáng)度，應(yīng)力，電子散斑干涉技術(shù)

1 前言

長葉片的開發(fā)是核電汽輪機(jī)研制項目的關(guān)鍵內(nèi)容之一，使用更長的末級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。末級葉片越長將面臨諸如葉片材料性能、安全性設(shè)計、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葉片設(shè)計與試驗經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用最先進(jìn)的全三維氣動設(shè)計與強(qiáng)度振動設(shè)計技術(shù)，開發(fā)出了用于第三代核電汽輪機(jī)的1 828 mm末級長葉。1 828 mm葉片是國內(nèi)最長的末級葉片，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)組實際運(yùn)行中時有葉根斷裂事故發(fā)生[1-2]。為驗證1 828 mm葉片葉根強(qiáng)度，試驗采用靜態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)與電子散斑干涉測試技術(shù)分析了葉根應(yīng)力分布，并采用1∶2?；囼?zāi)Ｐ?，測試葉根的實際承載能力。本文介紹了葉根的驗證試驗內(nèi)容。

2 試驗方法

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。樅樹型葉根各齒的載荷分布與葉根、輪緣、齒的剛度相關(guān)，實際加工公差對葉根應(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驗證型線的合理性，以實物葉根的極限載荷判斷葉根安全性[4-5]。

在型線應(yīng)力試驗中，以往是通過光彈性試驗獲得葉根模型的應(yīng)力分布，運(yùn)用相似原理由模型的應(yīng)力換算出實物葉根的應(yīng)力[6]；也可采用在頸截面處粘貼多個微型應(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?zāi)Ｐ托璨捎铆h(huán)氧樹脂材料，與實物材料的泊松比相差較大，且不能反映實物材料的加工公差，試驗結(jié)果不能準(zhǔn)確預(yù)測實物的峰值應(yīng)力；應(yīng)變片測試技術(shù)適用于測量分布均勻或者過渡平滑的應(yīng)變場。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)代光測方法，是非接觸式全場實時測量技術(shù)，近年來，該測試技術(shù)得到了快速發(fā)展。電子散斑干涉技術(shù)通用性強(qiáng)、測量精度高，可以完成位移、應(yīng)變、表面缺陷和裂紋等多種測試[8]。采用電子散斑干涉技術(shù)測量葉根的應(yīng)力分布，試件可采用實物葉片材料，型線尺寸和公差要求與實物葉根相同，試驗數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。

Q-100電子散斑測試與分析系統(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，由計算機(jī)軟件處理分析后得出表征物場變化的散斑干涉條紋圖，并通過實時相減和相位處理，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。對于每一觀察方向，可寫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，用拉力試驗機(jī)加載模擬葉片離心力的作用。采用電子散斑干涉測試系統(tǒng)對應(yīng)力較大區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)測試；試驗中用柵距為0.5 mm×1.2 mm的應(yīng)變片實時監(jiān)測葉根試件頸截面上的應(yīng)力。

為了確定葉根的承載能力，考慮試驗機(jī)噸位限制，按產(chǎn)品尺寸的1/2設(shè)計試驗?zāi)Ｐ?。在大型壓力試驗機(jī)上通過專用倒向裝置加載，按相似原理從試驗值推得葉根的屈服載荷。

3 試驗結(jié)果

電子散斑光學(xué)探頭安裝在可移動位置的開孔板夾具上，夾具固定在試件基板上，通過在開孔板上移電子散斑探頭位置即可對每個測量區(qū)域進(jìn)行測量，見圖1。

圖1 試驗機(jī)加載應(yīng)力測試圖

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

結(jié)合電測測得的頸截面上各點(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)力變化曲線見圖2，從圖中可見，各頸截面平均應(yīng)力隨加載載荷呈線性變化趨勢。

圖2 葉根頸截面平均應(yīng)力隨載荷變化趨勢

電子散斑測得的應(yīng)力場分布圖表明，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，表明型線過渡圓角較為合理。

葉根與輪緣的承載能力測試共加工了兩套試件，試驗都表明：輪緣齒首先屈服，輪緣試驗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，試驗件已達(dá)屈服狀態(tài)，試驗機(jī)的壓力已無法繼續(xù)增大。試驗機(jī)壓力-位移變化曲線見圖6。葉根與輪緣極限載荷數(shù)據(jù)見表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，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

公司開發(fā)的1 828 mm葉片其葉根采用4齒樅樹型結(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)的電子散斑干涉技術(shù)試驗驗證了葉根的應(yīng)力分布。試驗表明：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。

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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，高級工程師，主要從事汽輪機(jī)強(qiáng)度、振動方面的研究工作。

TK263

A

1674-9987（2015）04-0009-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.04.003