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1. CN102414399 - 汽轮机叶片的离心应力模拟试验方法及装置

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[ ZH ]
汽轮机叶片的离心应力模拟试验方法及装置


技术领域
本发明涉及汽轮机叶片的离心应力模拟试验方法及装置,尤其涉及能 够以简单的方法高效地对为防止汽轮机叶片的振动而设置在所述汽轮机 叶片的叶片端部的叶轮罩的、堆焊部伴随叶片的旋转而承受的离心应力进 行模拟试验的汽轮机叶片的离心应力模拟试验方法及装置。
背景技术
为了满足大输出的要求,在用于发电用等的蒸汽汽轮机的汽轮机叶片 中,其制作成如图5所示那样的超过40英寸的长大叶片。在该图5中, (A)是汽轮机的长大叶片的结构的一例的立体图,(B)、(C)是以箭 头表示运行时作用于叶轮罩52、短轴54的扭回力矩的图,(D)、(E) 是表示利用该扭回力矩而使整周的叶轮罩52、短轴54彼此抵接而成为整 周环状叶片结构的状态的图。
在这样的蒸汽汽轮机的长大叶片中,为了抑制运行中的汽轮机叶片的 振动,如图5(A)所示,在汽轮机叶片50的前端设置叶轮罩52,在中央 部设置短轴54。即,对于围绕蒸汽汽轮机的转子安装的各个汽轮机叶片 50而言,在运行中,对前端部(叶轮罩52的部分)如图5(B)那样、对 中央部附近(短轴54的附近)如图5(C)那样分别施加箭头所示的扭回 力矩。
因此,如图5(D)、图5(E)所示那样,设置有叶轮罩52、短轴54 的汽轮机叶片50利用该扭回力矩使整周的叶轮罩52、短轴54彼此抵接而 成为整周环状叶片结构。即,在蒸汽汽轮机中,利用汽轮机叶片50的扭 回力,使邻接的叶轮罩52或短轴54抵接而利用在接触面产生的摩擦力减 弱振动。需要说明的是,在该图5中,56是用于将汽轮机叶片50装配到 蒸汽汽轮机的转子上的锯齿状突起(叶片根)。
另一方面,当超过例如40英寸的长大叶片以3600rpm旋转时,叶轮 罩52的周速成为大致马赫2或超过马赫2的速度。由于其利用蒸汽旋转, 所以微小的水粒子与汽轮机叶片50发生碰撞,从而存在产生被称为锈蚀 的腐蚀的情况。因为该锈蚀对于坚硬的材料不产生侵蚀,所以,在根据汽 轮机叶片50的形状、周速等而确定的最容易受到侵蚀的部位、例如图5 (A)中以58表示的叶轮罩52与叶片部60的边界部,堆焊耐锈蚀性优越 的硬合金(Delro·stelltite holdings corporation(缔洛洛合金控股公司)注 册商标)等。
在堆焊的部分存在产生内部缺陷的情况,虽然硬合金等的耐锈蚀性优 良但是其韧性低,所以当负载离心应力时,存在显现出内部缺陷的情况。 即,当如上述那样以马赫2或超过它的周速使叶轮罩52旋转时,虽然与 叶轮罩52的质量有关,但是,存在作用于叶轮罩52的离心力超过5t的情 况,另外,在堆焊的部分58作用有这种离心力时,由于较硬的材料的韧 性更低,可能产生内部缺陷并且该内部缺陷可能会表面化。
于是,在堆焊的部分作用有离心应力的情况下,针对因内部缺陷而产 生的问题,存在如下的测试方法,即,在例如蒸汽汽轮机的转子的试验装 置中装配图5(A)所示的叶片50,并使其以相当于电动机等的额定速度 的115%的旋转速度进行旋转,并根据实际施加到转子上的离心应力的情 况,对转子整体的完整安全性进行确认,这种用于确认的方法为HSB(高 速平衡)测试方法。然后,在该测试之后,使用超音波等对堆焊部的状态 进行检查。
然而,当在蒸汽汽轮机的转子上装配汽轮机叶片时,直径为汽轮机叶 片单体形式的长度的3倍左右从而需要较大的空间。另外,由于该HSB 测试需要减轻汽轮机叶片50高速旋转时的空气阻力,所以需要用于使收 容试验装置整体的房间成为真空而进行测试的大型的真空室。而且,不但 需要用于使真空室成为真空的大容量的真空泵,而且在成为真空之前需花 费时间,从而需要花费如此大的成本。而且,这种HSB测试是在接近出 厂前的最终工序时来进行的,但是,若测试的结果中发现缺陷,则需对汽 轮机叶片50的修补,对试验装置进行装配而再次进行测试,从而可能导 致产生工序上的较大往返动作。
作为这种应力负载状态的试验装置,例如,在专利文献1中公开有如 下的应力负载耐环境性评价装置,即,为了提供能够在维持规定的弯曲应 力负载的状态下来评价耐环境性的应力负载耐环境性评价法,该应力负载 耐环境性评价装置带有对试料施加弯曲负载的工具和能够将工具收容在 内部的容器,并且具有能够调整容器内气氛的温度、压力及组成的疑似环 境再现装置、对工具施加载荷的载荷装置。
另外,在专利文献2中公开如下的叶片的振动测定方法,即,该振动 测定法涉及汽轮机叶片的振动的测定方法,所述汽轮机具有前端的叶轮罩 这样的叶片的连结结构物、以及长度方向的一部分通过因离心力而被压抵 到密封销槽的密封销而使邻接的叶片连结的叶片的连结结构部,并且该方 法包括:第一工序,通过将锯齿状突起(叶片根)固定的工具将叶片的根 部固定成规定的状态;第二工序,利用设置有:从两侧以大致相等的力对 叶轮罩进行夹压并固定的工具、及以相当于离心力的力(朝向叶片的长度 方向前端侧的力)将密封销向密封销槽压抵并固定的工具、对这些工具施 加载荷的载荷施加机构、该载荷的检测器的装置,利用规定的束缚力进行 束缚;第三工序,对叶片的金体的振动进行测定。
然而,专利文献1所示的应力负载耐环境性评价装置是用于在维持规 定的弯曲应力负载的状态下评价耐环境性的装置,其无法如所述那样利用 离心应力对覆盖在汽轮机叶片50、叶轮罩52的基材上的硬合金等的堆焊 的部分58的界面部分的内部缺陷进行测试。
另外,在专利文献2所示的叶片的振动测定方法中,虽然通过固定叶 片的根部的工具、固定叶轮罩的工具、以相当于离心力的力将密封销向密 封销槽按压固定的工具来固定叶片,但是,该专利文献2是叶片的振动测 定方法,其与专利文献1同样,无法应用于对在叶片50、叶轮罩52的基 材堆焊有硬合金等的部分58的界面部分的内部缺陷进行测试。
【专利文献1】日本特开平10-185798号公报
【专利文献2】日本特开平2-297037号公报
发明内容
因此,在本发明中,其目的在于提供一种如下的汽轮机叶片的离心应 力模拟试验方法及装置,即,在无需如以往的HSB测试那样的大型的真 空室或大容量的真空泵并且也无需使所述真空室成为真空而花费长时间 的情况下,就能够使用静态的方法利用汽轮机叶片单体形式对汽轮机叶片 与叶轮罩的边界部的堆焊的部位中的离心应力进行模拟测试。
为了解决上述问题,本发明的汽轮机叶片的离心应力模拟试验方法,
在汽轮机叶片的端部具有叶轮罩,在向汽轮机转子的装配侧具有叶片 根,所述汽轮机叶片的离心应力模拟试验方法用于模拟对在所述叶轮罩与 所述汽轮机叶片的端部的边界部设置有堆焊部的汽轮机叶片中的、向所述 堆焊部的离心力的影响,其特征在于,
将所述汽轮机叶片的所述叶片根装填于叶片根保持部,从所述叶片根 保持部外向所述叶片根施加离心力方向上的力,而在排除了所述叶片根向 所述叶片根保持部的嵌合松动的状态下,对所述叶轮罩中的设置有所述堆 焊部的一侧施加相当于汽轮机运行中的离心力和由运行所产生的汽轮机 叶片的扭回力的合成按压力,并且将所述叶轮罩中的与所述按压力的施加 部位对置的部位固定,从而实施所述堆焊部的离心应力模拟试验。
此外,实施该方法的汽轮机叶片的离心应力模拟试验装置,
在汽轮机叶片的叶片端部具有叶轮罩,在向汽轮机转子的装配侧具有 叶片根,所述汽轮机叶片的离心应力模拟试验装置用于模拟对在所述叶轮 罩与所述汽轮机叶片的叶片端部的边界部设置有堆焊部的汽轮机叶片中 的、向所述堆焊部的离心力的影响,其特征在于,包括:
叶片根保持部,其装填所述叶片根;第一液压装置,其从该叶片根保 持部外对所述叶片根施加作用于所述汽轮机叶片的离心力方向上的力,而 排除所述叶片根与所述叶片根保持部的嵌合松动;第二液压装置,其对所 述叶轮罩中的设置有所述堆焊部的一侧施加相当于运行中的离心力和由 运行所产生的汽轮机叶片的扭回力的合成按压力;第一固定装置,其将所 述叶轮罩中的与由所述第二液压装置施加按压力的部位对置的部位固定; 第一支柱和第二支柱,其与装填在所述叶片根保持部的所述汽轮机叶片平 行设置,且分别支承所述第二液压装置和第一固定装置,在由所述第二液 压装置施加的按压力的作用下,对通过蒸汽汽轮机的运行而作用于所述堆 焊部的应力进行模拟。
以这种方式将汽轮机叶片的叶片根装填于叶片根保持部而向离心力 方向按压,并对排除了嵌合松动的状态下的叶轮罩施加相当于离心力和运 行产生的汽轮机叶片的扭回力的合成按压力而将对置的部位固定,由此, 能够对设置在叶轮罩与所述汽轮机叶片的叶片端部的边界部的堆焊部施 加准确模拟了对汽轮机叶片施加的扭回力和离心力的按压力。因此,能够 在静态的方法下以汽轮机叶片单体形式精度良好地模拟对堆焊有硬合金 等耐锈蚀性优越而韧性低的材料的部分施加有何种应力。
另外,在本发明中,无需如以往的HSB测试那样的大型的真空室和大 容量的真空泵,另外,也无需使所述真空室成为真空而花费长时间,从而 能够简单地实施模拟试验,因此,在该模拟试验之后,通过利用超声波等 检查堆焊部,能够容易且准确地对堆焊的部位中的界面部分的内部缺陷进 行检查。
此外,所述堆焊部设置在所述叶轮罩的工作流体入口侧,并且对所述 入口侧施加有相当于汽轮机运行中的离心力和运行产生的所述汽轮机叶 片的扭回力的合成按压力,将所述叶轮罩的工作流体出口侧固定,因此, 所述第一固定装置设置在所述叶轮罩的工作流体出口侧,所述第二液压装 置设置在所述叶轮罩的工作流体入口侧,所述第二液压装置配置成向所述 汽轮机叶片的离心力方向且向所述汽轮机叶片的扭回力方向按压所述叶 轮罩,从而能够准确模拟运行中作用于堆焊部的应力。
而且,在本发明的模拟试验装置中,利用第一液压装置从汽轮机叶片 的叶片根的底面施加液压按压力,利用运行中作用于汽轮机叶片的离心力 模拟叶片根部与汽轮机转子的叶片槽间没有嵌合松动的状态,利用第一固 定装置固定保持叶轮罩的工作流体出口侧(后缘侧)抵接部,利用第二液 压装置以相当于汽轮机运行中作用于叶轮罩的离心力和扭回力的合成力 来按压叶轮罩的工作流体入口侧(前缘侧)抵接部,从而通过这种简单的 装置就能够模拟运行中在堆焊部产生的应力。
另外,所述汽轮机叶片在叶片的长度方向中央部的表背具有利用运行 中的扭回力与邻接的叶片相互抵接的短轴,在固定所述短轴的状态下对所 述叶轮罩施加按压力,因此,通过所述第一支柱和第二支柱具有固定所述 短轴的第二固定装置,从而能够提供精度更高的汽轮机叶片的离心应力模 拟试验方法及装置。
发明效果
如以上记载的那样,本发明的汽轮机叶片的离心应力模拟试验方法及 装置能够在静态的方法下以汽轮机叶片单体形式实施用于发现在汽轮机 叶片的叶片部与叶轮罩的边界部的锈蚀防止用堆焊的部分中的、各材料的 界面的部分的内部缺陷的离心应力模拟试验。因此,在无需以往的HSB 测试那样需要大型的真空室和大容量的真空泵且也无需使所述真空室成 为真空而花费长时间的情况下,就能够高效率且精度良好地实施汽轮机叶 片的离心应力模拟试验。
附图说明
图1是表示在本发明的汽轮机叶片的离心应力模拟试验装置中安装有 汽轮机叶片的状态的简要侧视图。
图2是本发明的汽轮机叶片的离心应力模拟试验装置的简要俯视图。
图3是实施本发明的汽轮机叶片的离心应力模拟试验方法的、具有堆 焊部的汽轮机叶片的一例,(A)、(B)是汽轮机叶片的立面图,(C) 是俯视图,(D)是表示叶轮罩12的根部的叶片型前缘侧部的堆焊部124 的图。
图4是汽轮机叶片10的堆焊部124的利用FEM解析(有限要素 法:Finite Element Method)得到的应力分布图。
图5是表示汽轮机叶片的構成的一例的图,(A)是立体图,(B)是 表示邻接的叶片的叶轮罩因运行中的扭回力而连结的状态的图,(C)是 表示短轴连结的状态的图,而(D)(E)是分别表示整个叶片的叶轮罩、 短轴连结后的状态的图。
具体实施方式
以下,参照附图对本发明的适宜的实施例进行例示而进行详细的说 明。其中,只要对该实施例所记载的构成部件的尺寸、材质、形状、其相 对的配置等没有特定的记载,则本发明的范围就不局限于此,仅简单地作 为说明例。
【实施例】
图3是实施本发明的汽轮机叶片的离心应力模拟试验方法的汽轮机叶 片的(A)的一例的立体图,(B)是其侧视图,(C)是用于说明在各个 汽轮机叶片上设置的叶轮罩在运行中抵接的状态的图,(D)是叶轮罩的 堆焊部的立体图。
如所述图3中说明的那样,汽轮机叶片10在所述汽轮机叶片的端部 具有叶轮罩12,在向未图示的汽轮机转子的装配侧具有叶片根(锯齿状突 起)18,此外在叶片的长度方向中央部具有短轴14、16。叶片根(锯齿状 突起)18形成为倒三角形状且在侧面具有凹凸。另一方面,在未图示的汽 轮机转子上形成有与叶片根18的形状对应的叶片槽,当装填到所述叶片 槽内时,汽轮机叶片10成为不因离心力而脱离的状态。另外,汽轮机叶 片10从该叶片根18如图3所示那样螺入而竖立设置。
此外,如图3(C)所示那样,对于设置在各汽轮机叶片10上的叶轮 罩12而言,因蒸汽汽轮机的运行而产生汽轮机叶片10的扭回力使抵接部 120、122相互抵接,而整周的叶轮罩12彼此也抵接,从而所述叶轮罩12 成为整周环状叶片结构。需要说明的是,这对于短轴14、16也是同样的。 另外,为防止如上述那样因锈蚀造成的侵蚀,如图3(D)所示那样,在 各叶轮罩12的作为工作流体的蒸汽的入口侧施加有124所示的堆焊。
对这种结构的汽轮机叶片10中的、堆焊部124进行的离心应力的模 拟试验装置的一例的简要侧视图为图1,简要俯视图为图2。需要说明的 是,图1是从图2中以B-B’表示的位置观察得到的侧视图,图2(A)是 该汽轮机叶片固定装置的简要俯视图,(B)是从图1中以A-A’示出的位 置观察得到的汽轮机叶片的短轴固定结构。在图1、图2中,10为以图3 说明的汽轮机叶片,12为叶轮罩,14、16为短轴,18为叶片根,20为用 于固定叶片根18的叶片根保持部,22为该叶片根18的装填部,24为装 置的基台,汽轮机叶片10装配于叶片根保持部20。叶片根保持部20的叶 片根装填部22具有与设置在叶片根18的侧面的凹凸对应的凹凸,装填的 叶片根18经由设置于叶片根保持部20的孔26而以来自未图示的液压装 置(第一液压装置)的按压力来施加从图上至下、即施加到汽轮机叶片10 的离心力方向的力,从而排除叶片根18与叶片根保持部20的嵌合松动。
28、30由H型钢等形成,是与在叶片根保持部20配置有叶片根18 的汽轮机叶片10平行设置的支柱。为了按压叶轮罩12,在设置于支柱28 的横梁29上设置有液压装置(第二液压装置)32,该液压装置32部分地 设置有叶轮罩12的抵接部120的形状且具有叶轮罩架34。另外,在支柱 30上,设置有将叶轮罩12的与利用液压装置(第二液压装置)32按压的 部位对置的部位固定的叶轮罩固定装置(第一固定装置)36。38、40为利 用L型钢42、44安装在支柱28、30上而将汽轮机叶片10的短轴14、16 固定的固定装置(第二固定装置)。
叶轮罩固定装置(第一固定装置)36、短轴固定装置(第二固定装置) 38、40具有从三个方向分别与例如叶轮罩12、短轴14、16接触的螺栓等, 即使装填于叶片根保持部20的汽轮机叶片10的叶轮罩12、短轴14、16 的位置稍发生位移,也能够通过抽出这些螺栓进行接触,从而无论位移方 向如何都能够固定叶轮罩12、短轴14、16。
对于如此构成的汽轮机叶片的离心应力模拟试验装置而言,首先将汽 轮机叶片10的叶片根18装配到叶片根保持部20,并利用未图示的第一液 压装置从孔26向该叶片根18施加离心力方向(图1中为图下、上方向) 的力,从而排除叶片根18向叶片根保持部20的嵌合松动。然后,利用图 1、图2所示的叶轮罩固定装置(第一固定装置)36将叶轮罩12的按压侧 的相反侧、即图3(C)所示的抵接部122固定。另外,利用短轴固定装 置(第二固定装置)38、40将图1、图2中以14、16表示的短轴固定。
于是,将叶片根18向叶片根保持部20的嵌合松动排除,在将叶轮罩 12的进行按压的一侧的相反侧及短轴14、16固定后,最后使叶轮罩架34 与叶轮罩12的图3(C)所示的(前缘侧)抵接部120相抵,并通过液压 装置(第二液压装置)32以与(运行中)作用于汽轮机叶片10的叶轮罩 12的离心力及运行产生的汽轮机叶片的扭回力相当的合成按压力对叶轮 罩12的抵接部120(参照图3)进行按压。
于是,由于在叶轮罩12的抵接部120的位置施加有离心力及与运行 产生的汽轮机叶片的扭回力相当的力,在汽轮机叶片10上施加有图2中 以“扭曲方向”示出的这种方向的扭回力。因此,在图3(D)所示的堆 焊部124施加有由作用在这些汽轮机叶片10上的扭回力、相当于叶轮罩 12向抵接部120的位置的离心力的力产生的应力。因此,与以静态的方法 且以汽轮机叶片单体形式对汽轮机叶片10装配在蒸汽汽轮机的转子上来 实施的HSB测试同样,能够以良好的精度实施汽轮机叶片的离心应力模 拟试验。
图4是表示根据在汽轮机叶片10的叶片端部和叶轮罩12的边界部施 加的堆焊部124(参照图3(D))的FEM解析(有限要素法:Finite Element  Method)而得到的应力分布图,记为示例0的是HSB测试(即对叶轮罩 12施加有基于离心力的应力的情况)情况下的模拟,示例1是对叶轮罩 12的作为工作流体的蒸汽的入口侧(背侧、图3(C)的抵接部120侧) 进行按压(施加)而将出口侧(腹侧、图3(C)的抵接部122侧)固定 的情况,示例2是将叶轮罩12的蒸汽入口侧(背侧)固定而按压出口侧 (腹侧)的情况,示例3是将蒸汽入口侧(背侧)和出口侧(腹侧)两方 按压的情况。
首先,根据记作示例0的HSB测试的情况下的模拟结果可知,离心应 力均等地作用于叶轮罩12,最高的应力作用在腹侧以62表示的部位、背 侧以64表示的部分。在按压示例1的叶轮罩12的蒸汽入口侧而将出口侧 固定的情况下,在腹侧没有较高的应力分布,在背侧的从68所表示的位 置起向叶轮罩12的抵接部120方向、即图3(D)所示的堆焊部124中的、 叶轮罩12侧产生较高的应力分布。
在示例2的将叶轮罩12的蒸汽入口侧(背侧)固定而按压出口侧(腹 侧)的情况下,在与腹侧的叶轮罩12离得较开的70的部分产生较高的应 力,背侧在比叶轮罩12的突起120靠腹侧较近的72所示的位置产生出较 高的应力分布。根据作为最后的示例3示出的模拟结果可知,在按压蒸汽 入口侧(背侧)、出口侧(腹侧)两方的情况下,腹侧在74所示的位置 产生较高的应力分布,背侧在76所示的位置产生较高的应力分布。
根据这些模拟结果可知,对于针对叶轮罩12的堆焊部124的应力分 布而言,与按压示例3的蒸汽入口侧(背侧)、出口侧(腹侧)两方的情 况相比,按压示例1的叶轮罩12的蒸汽入口侧而固定出口侧的情况与记 为示例0的HSB测试的情况最接近,从而可获得与HSB测试同样的结果。
【产业上的可利用性】
根据本发明,在无需大型的真空室和大容量的真空泵且无需花费使所 述真空室成为真空的长时间的情况下,就能够以汽轮机叶片单体形式和静 态的方法高效地对汽轮机叶片10的设置有锈蚀防止用堆焊部的部位的离 心应力进行精度良好地良的模拟试验,因此能够容易发现堆焊部的内部缺 陷,从而能够提供无缺陷的汽轮机叶片。