山雪峰

(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

為了配合機(jī)組運(yùn)行許可證延續(xù)工作的開展，電廠于2014年啟動(dòng)了320 MW汽輪發(fā)電機(jī)組增容改造可行性研究工作，基于汽輪機(jī)關(guān)鍵部件的剩余壽命評(píng)估，結(jié)合工程改造的經(jīng)濟(jì)性分析，制定了提效增容的改造技術(shù)路線和方案。根據(jù)技術(shù)方案，汽輪機(jī)本體改造范圍涉及了包括高壓模塊、低壓模塊在內(nèi)整個(gè)通流部件的升級(jí)更新。在項(xiàng)目的設(shè)備制造過程中，檢查發(fā)現(xiàn)低壓末級(jí)動(dòng)葉905 mm葉片的葉根加工產(chǎn)生了超差。

本文基于超差值對(duì)葉片接觸面應(yīng)力考核、葉根強(qiáng)度影響、葉根輪槽應(yīng)力考核等方面進(jìn)行了考核計(jì)算[1]，并基于安裝后的靜頻測(cè)試和動(dòng)平衡試驗(yàn)表現(xiàn)等方面數(shù)值進(jìn)行了跟蹤，采用理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量結(jié)合的方法，對(duì)動(dòng)葉葉根超差的影響值進(jìn)行了評(píng)估。本文建立的評(píng)估方法可為汽輪機(jī)各級(jí)動(dòng)葉葉根加工的影響量預(yù)測(cè)提供參考。

1 模型建立

根據(jù)汽輪機(jī)低壓模塊的改造方案，低壓末級(jí)葉片選用了905 mm長(zhǎng)葉片，葉片為雙焊拉筋結(jié)構(gòu)型式，整級(jí)葉片數(shù)為96片。在葉片生產(chǎn)制造過程中，采用了三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)葉根部位各加工尺寸進(jìn)行檢測(cè)校核。檢查結(jié)果表明，在被檢測(cè)的96只葉片當(dāng)中，共計(jì)有39只葉片存在不同程度的超差現(xiàn)象，型面超差在0.001 mm以內(nèi)的25只，型面超差在0.001～0.002 mm之間的10只，型面超差0.002～0.003 mm的共計(jì)4只。型線上最大公差值超出要求0.004 mm，主要發(fā)生在葉根中間截面靠近壓力面一側(cè)。

為了驗(yàn)證初步結(jié)論的正確性，選擇采用有限元計(jì)算的方法，分析葉根齒面超差對(duì)葉片應(yīng)力和頻率的影響。由于葉根的最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在葉根第一齒或第二齒[1]，因此選擇對(duì)葉根的第一齒及第二齒的接觸面型面施加過盈和間隙來進(jìn)行計(jì)算。

為了更真實(shí)地模擬葉根對(duì)葉片的受力影響，根據(jù)實(shí)物四片成組雙層拉筋成組的設(shè)計(jì)，形成的計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 有限元計(jì)算葉片網(wǎng)格模型

本課題中輪槽的加工在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，由于葉根的加工產(chǎn)生了超差，導(dǎo)致葉根、輪槽的接觸產(chǎn)生了過盈或者間隙配合的情況。有研究結(jié)果表明，葉根、輪槽對(duì)稱接觸時(shí)，全部接觸齒同時(shí)接觸的應(yīng)力集中系數(shù)最小且分布較均勻；而當(dāng)部分接觸齒產(chǎn)生間隙時(shí)，發(fā)生部分不均勻接觸，應(yīng)力集中系數(shù)明顯增大[2]。

為了研究加工超差的葉根產(chǎn)生的葉根與輪槽的不均勻接觸對(duì)葉根、輪槽的應(yīng)力變化狀態(tài)，同時(shí)也考慮對(duì)于長(zhǎng)葉片的葉根強(qiáng)度的影響，課題分別從接觸齒型應(yīng)力分布、葉根輪槽應(yīng)力分布和葉根強(qiáng)度校核三個(gè)角度進(jìn)行分析和論述[6]。

1.1 齒接觸面超差的應(yīng)力分布

標(biāo)準(zhǔn)葉片葉根的彈性應(yīng)力分布如圖2所示，葉片最大應(yīng)力值出現(xiàn)于葉根第二齒圓弧背弧處，峰值Mises應(yīng)力為1256 MPa，第一齒圓弧處的峰值Mises應(yīng)力值和第二齒相當(dāng)，其值為1175 MPa，第三齒圓弧處的峰值Mises應(yīng)力稍小，為982 MPa。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)葉片葉根彈性應(yīng)力分布

課題選取峰值Mises應(yīng)力超過1000 MPa的第一齒和第二齒作為重點(diǎn)研究對(duì)象，施加超差的分析。由于課題研究的最大超差在0.004 mm以內(nèi)，基于超差的最大影響值和有限元網(wǎng)格模型的精度，課題選取遠(yuǎn)比超差值惡劣得多的0.01 mm作為分析的最小單位。

葉根第一齒和第二齒超差對(duì)葉根彈性峰值應(yīng)力的影響情況如表1所示，結(jié)果顯示，若葉根第一齒接觸面存在0.01 mm的超差，影響彈性應(yīng)力峰值的變化約在50 MPa左右，葉根第二齒型面存在0.01 mm的超差，對(duì)葉根齒圓弧整體彈性峰值應(yīng)力的影響大約在40 MPa左右，相對(duì)其原有壓力值影響值較小。

表1 葉根超差對(duì)葉根彈性峰值應(yīng)力的影響

葉根第一齒和第二齒超差對(duì)葉片整體頻率的影響情況如表2所示，結(jié)果顯示，施加0.01 mm的超差對(duì)葉片組前3階頻率均無影響。

表2 葉根第一齒超差對(duì)葉片頻率(動(dòng)頻)的影響

需要說明的是，有限元模擬的超差情況遠(yuǎn)比實(shí)際超差情況惡劣得多。首先在超差尺寸上小于有限元計(jì)算采用的0.01 mm。其次，課題研究的是接觸型面?zhèn)€別點(diǎn)的超差，而有限元方法模擬的是接觸型面的整體超差。據(jù)此可以得出結(jié)論，實(shí)際存在的超差情況對(duì)葉根應(yīng)力分布的影響更小，相較其原始設(shè)計(jì)彈性峰值，可以忽略，故對(duì)葉片組的整體頻率幾乎無影響。

1.2 葉根強(qiáng)度影響分析

第一齒型面局部超差對(duì)葉根應(yīng)力的影響結(jié)果如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)葉根的最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在葉根第一齒靠近接觸面處，其值為1152 MPa；第一齒局部超差時(shí)葉根應(yīng)力最大值也出現(xiàn)在相同位置，其值為1149 MPa。對(duì)比可以看出，局部超差的確會(huì)導(dǎo)致超差部分應(yīng)力有大幅的增大，但對(duì)于超出影響區(qū)域的部分，并未呈現(xiàn)出具有明顯規(guī)律性的變化。

圖3 第一齒型面局部網(wǎng)格超差彈塑性計(jì)算應(yīng)力分布云圖

進(jìn)一步考慮應(yīng)力分量對(duì)兩者的應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比，選取最大主應(yīng)力為比較值。從圖4應(yīng)力分布可以看出，第一齒型面局部網(wǎng)格超差對(duì)葉根應(yīng)力分布的影響并不大，標(biāo)準(zhǔn)葉根的最大主應(yīng)力峰值為1171 MPa，局部超差葉根的最大主應(yīng)力峰值為1172 MPa。主要是因?yàn)槿~根接觸圓弧處這些關(guān)鍵部位的應(yīng)力主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，而局部網(wǎng)格超差造成的應(yīng)力增大主要為接觸面壓應(yīng)力的增大。

圖4 局部網(wǎng)格超差時(shí)彈塑性計(jì)算最大主應(yīng)力分布云圖

理論上分析，接觸對(duì)圓弧處拉應(yīng)力的危害比接觸面上壓應(yīng)力的危害要大得多。而試驗(yàn)結(jié)果中葉根的破壞方式也表現(xiàn)為從接觸對(duì)圓弧處開始的拉斷[3]。因此可以得出結(jié)論，葉根接觸面的局部超差會(huì)造成葉根接觸面局部應(yīng)力的變化，其表現(xiàn)為接觸面上的壓應(yīng)力，影響有限。

1.3 轉(zhuǎn)子輪槽應(yīng)力分布影響

圖5表明，標(biāo)準(zhǔn)葉根配合的輪槽最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在輪槽第一齒圓弧中心，其值為954 MPa，最大主應(yīng)力值為1097 MPa；局部超差時(shí)葉根配合的輪槽應(yīng)力最大值也出現(xiàn)在輪槽第一齒圓弧中心，其值為950 MPa，最大主應(yīng)力值為1095 MPa。

圖5 超差葉根輪槽彈塑性Mises應(yīng)力及最大主應(yīng)力云圖

表3列出了葉根第一齒型面局部超差導(dǎo)致的輪槽各齒最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)變化的數(shù)據(jù), 可以判斷，葉根的局部超差對(duì)輪槽整體的應(yīng)力分布影響較小，不會(huì)影響輪槽的安全運(yùn)行。

表3 第一齒局部超差對(duì)輪槽最大主應(yīng)力的影響

1.4 葉根界面應(yīng)力考核結(jié)果

根據(jù)905 mm葉片設(shè)計(jì)報(bào)告數(shù)據(jù)，以超差0.01 mm作為輸入量，得到表4的數(shù)據(jù)，A、B、C代表葉根頸部位置的考核截面，考核應(yīng)力均為截面平均應(yīng)力。根據(jù)有限元計(jì)算的結(jié)果看出,葉根頸部位置的計(jì)算應(yīng)力基本上和報(bào)告中所列的值相當(dāng)，沒有產(chǎn)生較大的變化。

表4 有限元復(fù)算各考核截面應(yīng)力值對(duì)比

從905 mm葉片設(shè)計(jì)報(bào)告中摘取葉根拉斷試驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行超差葉根的分析，表5表明，局部超差葉根葉片的靜強(qiáng)度安全系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)葉片沒有大的差異。就強(qiáng)度來考慮，雖然葉根的部分超差可能對(duì)葉根的應(yīng)力分布略有影響，但由于在設(shè)計(jì)葉片時(shí)一般葉根部分留有的強(qiáng)度余量會(huì)比較大，所以局部的微小應(yīng)力變化不影響葉片的安全運(yùn)行[5]。

表5 905 mm葉片葉根拉斷試驗(yàn)結(jié)果

2 低壓末級(jí)葉片試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 靜頻測(cè)試

經(jīng)過理論分析獲得了對(duì)超差葉片繼續(xù)使用沒有影響的結(jié)論后，在葉片安裝在轉(zhuǎn)子輪槽內(nèi)固定后，對(duì)葉片進(jìn)行了靜頻測(cè)試。

頻率測(cè)量結(jié)果顯示的頻率分布如表6所示，超差葉片通過拉筋焊接和排片調(diào)頻后，最終葉片組的一階、二階和三階頻率實(shí)測(cè)值均滿足設(shè)計(jì)值要求，葉根加工的超差對(duì)于葉片的固有特性沒有影響。

表6 905 mm葉片測(cè)量統(tǒng)計(jì)記錄匯總表

2.2 超速和動(dòng)平衡試驗(yàn)

實(shí)測(cè)中通過查看和記錄轉(zhuǎn)子超速試驗(yàn)的伯德圖，如圖6所示，工作轉(zhuǎn)速3000 r/min附近的振動(dòng)峰值約為0.85 mm/s和0.70 mm/s。無論是工作轉(zhuǎn)速，還是超速狀態(tài)下，振動(dòng)速度均<1.8 mm/s的考核值，表明葉根超差對(duì)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性沒有影響[4]。

圖6 超速試驗(yàn)伯德圖

3 結(jié)論

課題研究的葉根加工超差，經(jīng)分析，葉根齒距和型面整體滿足質(zhì)量要求，因此并不影響葉根的整體應(yīng)力分布，對(duì)葉片整體的應(yīng)力水平和頻率值影響較小。同時(shí)，由于葉根設(shè)計(jì)保留了較大的強(qiáng)度設(shè)計(jì)余量，葉根局部的微小應(yīng)力變化并不影響葉片整體的安全性。

905 mm末級(jí)葉片通過理論計(jì)算分析和相關(guān)測(cè)試驗(yàn)證，其動(dòng)、靜強(qiáng)度和振動(dòng)特性符合設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，滿足安全考核準(zhǔn)則。

經(jīng)機(jī)組滿一個(gè)燃料循環(huán)的運(yùn)行考核，結(jié)合2019年汽輪機(jī)開缸大修的實(shí)施，對(duì)低壓末級(jí)葉片進(jìn)行葉根和測(cè)頻結(jié)果進(jìn)行了跟蹤檢查和比對(duì)，確認(rèn)了葉根超差對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行不造成影響。