某汽輪機末級動葉校形研究

董強， 王龍清， 唐坤

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川德陽， 618000）

1 引言

汽輪機大葉片普遍存在著在加工制造后變形問題： 一方面是加工會導致葉片在毛坯鍛造過程中所產生的內部組織應力變化； 另一方面是大葉片的弱剛性結構會使葉片在加工過程中受力不均造成變形。 而關于葉片變形和殘余應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， 將有限元為基礎的數值模擬技術和葉片校形過程相結合， 通過計算模擬， 以直觀的圖像和圖形信息表現出物理量變化， 從而預知葉片校形過程中的應力分布和變形。

當作用在物體上的外力取消后， 物體的變形不完全恢復， 而產生一部分永久變形， 這種變形就叫塑性變形。 對于塑性力學來說， 彈性力學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中得到應用[1]。 塑性變形的基本規律應當建立在實驗的基礎上， 即從實驗中去找出材料超出彈性極限后的特性， 從而確定物理關系， 建立塑性力學中的基本方程， 由這些方程得到不同情況的塑性狀態下的應力和變形。 利用這些基本規律來討論材料發生塑性變形后內部應力重新分布情況， 以便做出更合理的設計， 在這方面也已做了很多工作， 并且已經解決了不少問題[2]。

本文以某型號汽輪機末級葉片為例， 使用有限元從理論分析當前校形方式對葉片應力變化的影響， 并且對葉片校形前后的變形量與殘余應力進行檢測， 進而對該葉片的校形方案進行了探討，最終確認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

隨機選取了6 只已完成型面工序的某型號汽輪機末級動葉， 對其各檔截面進行了變形量統計，其數值如圖1 所示。

圖1 葉片變形量統計

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生塑性變形， 校形量即校形過程中校形機壓頭所發生的位移值[3]。 通過對校形后葉片進行測量， 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， 葉片總網格數量為21.3 萬， 葉型部分網格數量為18.3萬， 約占總網格數量的85.9%。 葉片材料屬性是根據該葉片材料的應變-應力曲線設置。

圖4 葉片網格示意圖及局部放大

結合上一章節的實際數據， 設定在施加7 mm與5 mm 校形量前提下， 3 種校形高度下的數值模型如圖5 所示。

圖5 各校形高度下的數值模型示意圖

通過對數值模型進行分析， 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力分布情況， 壓頭處于吸力面與壓力面時的應力分布數值數值如表1 所示與表2 所示。

表1 校形量7 mm 校形點附近應力分布數據

表2 校形量5 mm 校形點附近應力分布數據

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力分布， 見圖6。

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

4 實物殘余應力檢測

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

圖7 葉片殘余應力測試位置示意圖

圖中標明的測試點距進氣邊5 mm， 實際測量位置距進氣邊5 mm、 15 mm 和30 mm， 內背弧的檢測位置一致。 且每個點都測試的是沿葉片邊長的方向。 6 只葉片各測量點結果數值相近且規律一致。 以1#葉片為例， 其各點殘余應力結果見表3。表中正值代表拉應力， 負值代表壓應力。

表3 1#葉片各測量點殘余應力檢測結果

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

5 結論

文章通過對某型汽輪機末級動葉施加外力校形時的應力分布理論分析及實際校形后的應力分布檢測數據收集， 可得出以下結論：

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

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