1 828 mm葉片樅樹型葉根試驗研究

何斌，翟棟

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

1 828 mm葉片樅樹型葉根試驗研究

何斌，翟棟

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

公司采用最先進的全三維氣動設計與強度振動設計技術，開發出用于第三代核電汽輪機的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，文章介紹了葉根強度驗證試驗的方法及試驗結果。

葉根強度，應力，電子散斑干涉技術

1 前言

長葉片的開發是核電汽輪機研制項目的關鍵內容之一，使用更長的末級葉片可以大幅度降低汽輪機的整體損失和機組的建設成本。末級葉片越長將面臨諸如葉片材料性能、安全性設計、葉片的制造等諸多技術挑戰。為此，公司在已積累多年的長葉片設計與試驗經驗的基礎上，采用最先進的全三維氣動設計與強度振動設計技術，開發出了用于第三代核電汽輪機的1 828 mm末級長葉。1 828 mm葉片是國內最長的末級葉片，葉根軸向寬度達600 mm，葉片工作離心力巨大，葉根采用承載能力大的4齒樅樹型結構。

葉根承受著近千噸的離心力以及汽流作用力，在高速旋轉的過程中可能導致葉根裂紋的產生，甚至造成葉根斷裂，在機組實際運行中時有葉根斷裂事故發生[1-2]。為驗證1 828 mm葉片葉根強度，試驗采用靜態應變測量技術與電子散斑干涉測試技術分析了葉根應力分布，并采用1∶2模化試驗模型，測試葉根的實際承載能力。本文介紹了葉根的驗證試驗內容。

2 試驗方法

在工作狀態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，實際加工公差對葉根應力分布也有明顯影響。葉根齒圓角處易出現應力集中，圓角處往往也是應力極大值位置[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]。

在型線應力試驗中，以往是通過光彈性試驗獲得葉根模型的應力分布，運用相似原理由模型的應力換算出實物葉根的應力[6]；也可采用在頸截面處粘貼多個微型應變片，分析截面的應力分布和齒承擔的載荷[7]。因光彈性試驗模型需采用環氧樹脂材料，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，試驗結果不能準確預測實物的峰值應力；應變片測試技術適用于測量分布均勻或者過渡平滑的應變場。因此，采用這兩種方法能獲得葉根的一些應力特征，但也有局限性。電子散斑干涉技術是綜合了激光、視頻、電子及數字圖像處理等技術的現代光測方法，是非接觸式全場實時測量技術，近年來，該測試技術得到了快速發展。電子散斑干涉技術通用性強、測量精度高，可以完成位移、應變、表面缺陷和裂紋等多種測試[8]。采用電子散斑干涉技術測量葉根的應力分布，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，試驗數據更為準確。

Q-100電子散斑測試與分析系統由激光光學探頭、PC控制器、電子裝置以及數據處理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幅不同區域上的相關條紋的相位分布圖以及相應的相位值φ1、φ2、φ3、φ4。對于每一觀察方向，可寫出相位與位移矢量的關系式：

根據探頭所選定的坐標系，由式（1）變換可得式（2）所示的線性方程組：

由式（3）可得平面主應變為：

結合式（3）、式（4）和彈性力學原理可得平面應力分量、剪應力分量及主應力分別為：

從而獲得測試部位的應力、應變參數。

葉根與輪緣試件采用全尺寸型線的簿板模型，試件材料與產品一致，用拉力試驗機加載模擬葉片離心力的作用。采用電子散斑干涉測試系統對應力較大區域進行詳細測試；試驗中用柵距為0.5 mm×1.2 mm的應變片實時監測葉根試件頸截面上的應力。

為了確定葉根的承載能力，考慮試驗機噸位限制，按產品尺寸的1/2設計試驗模型。在大型壓力試驗機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 試驗結果

電子散斑光學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域進行測量，見圖1。

圖1 試驗機加載應力測試圖

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。

結合電測測得的頸截面上各點的應力值和電子散斑干涉系統測得的頸截面邊緣處的應力值，擬合得到頸截面的應力曲線，計算得到的頸截面的平均拉應力為σp。葉根試件頸截面平均應力變化曲線見圖2，從圖中可見，各頸截面平均應力隨加載載荷呈線性變化趨勢。

圖2 葉根頸截面平均應力隨載荷變化趨勢

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

圖3 葉根上峰值應力區域的應力分布圖

圖4 第2頸截面應力較大區域的應力

圖5 輪緣上峰值應力區域的應力分布圖

葉根與輪緣峰值應力均小于材料屈服強度值，強度裕量較大。由峰值應力與平均應力計算得到葉根的應力集中系數，第1、2、3截面處應力集中系數分別是2.1、1.8、2.1，第4截面處應力集中系數為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，試驗件已達屈服狀態，試驗機的壓力已無法繼續增大。試驗機壓力-位移變化曲線見圖6。葉根與輪緣極限載荷數據見表1，兩套試件數據僅相差4%左右，有較好的一致性。從表中數據可見，當量破壞轉速遠高于葉片工作轉速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據

4 結論

公司開發的1 828 mm葉片其葉根采用4齒樅樹型結構，采用先進的電子散斑干涉技術試驗驗證了葉根的應力分布。試驗表明：峰值應力位于第1頸截面內圓角處，等效應力值是558.6 MPa；輪緣上峰值應力在根部頸截面處，等效應力值為466.7 MPa。葉根與輪緣峰值應力均小于材料屈服強度，強度裕量較大，型線過渡圓角較為合理。

葉根與輪緣當量破壞轉速達到2 654 r/min，遠高于葉片工作轉速1 500 r/min。葉根、輪緣靜強度完全滿足要求。

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

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

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

[4]商宇,何斌,盧中俊,等.1 200 mm末級動葉片開發試驗研究[J].東方汽輪機,2011,(3):1-5

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

[6]張先鴻.905毫米長葉片樅樹型葉根光彈性實驗[J].熱力透平,1993,(1):29-32

[7]余耀.905毫米長葉片樅樹型葉根各對齒受力分布實驗研究[J].熱力透平,1995,(1):24-31

[8]符春渝,尹益輝,黃鵬,魏曉貞.Q-100型電子散斑測試分析系統及其應用[C].第十一屆全國實驗力學學術會議論文,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，高級工程師，主要從事汽輪機強度、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