CN109724727B - 燃气轮机曲面叶片残余应力测量方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种燃气轮机曲面叶片残余应力测试方法，包括：制作标定样品；标定应力，利用弯曲夹具弯曲所述标定样品，使其最大挠度处达到与待测曲面叶片待测点相近的弯曲状态，测量应变，由应变得到应力；测量波速，测量超声波在所述标定样品的最大挠度处的波速；建立超声波在待测曲面叶片待测点相近的弯曲形态下，应力与超声波传播速度的关系式；测量超声波在待测曲面叶片待测点的波速，利用标定得到的关系式，得到待测曲面叶片的残余应力分布，最后进行测量确认。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机技术领域，尤其涉及一种燃气轮机曲面叶片残余应力的测试方法与装置。
背景技术
燃气轮机叶片在制造和使用过程中，其结构往往会产生变形的不均匀，局部微小区域会产生弹塑性变形，最终会在叶片局部区域产生残余应力，工程师们希望获知该残余应力的大小和分布。现有的残余应力检测技术包括机械测定法和物理测定法两类，机械测定法对试件带有一定的破坏性，物理测定法中的X射线衍射法使用较为广泛，但由于X射线的辐射性，难以实现直接将X射线检测方法应用于现场构件的测量。
超声波测量残余应力作为一种无损检测技术，目前被很多工程技术人员关注。其测量原理为超声波的“声弹效应”，即超声波的在待测样中的传播速度和待测样中的残余应力基本呈现线性关系。根据超声波与待测样残余应力之间的关系，可以对待测样的残余应力进行测试。
目前的测量实际中，使用最为广泛的超声波为临界折射纵波，当纵波探头以一定角度斜射入测试平面时，会折射出平行于测试平面的纵波，该纵波称为临界折射纵波。目前临界折射纵波多用于对平面工件的残余应力测试，而在曲面测量中，对于临界折射纵波不能沿着平行表面传播，实际传播路径较难精确控制，并且，对于曲面件的残余应力测量，现有的标定步骤一般采用标准拉伸试样机对平板标准件进行标定。由于超声波的在曲面的传播路径也受到曲面结构本身的影响，因此，采用临界折射纵波的测量方法和标准拉伸试样机对平板件标定的测量方法，都会导致现有的燃气轮机叶片的曲面残余应力测量的结果往往不够精确。
因此，本领域需要一种能够无损、准确地检测燃气轮机曲面叶片残余应力大小和分布的方法与装置。
发明内容
本发明的目的提出一种能够无损、准确地检测燃气轮机曲面叶片残余应力大小和分布的方法与装置。
一种燃气轮机曲面叶片残余应力测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，制作标定样品，标定样品为平板状，与被测曲面叶片材料相同，厚度相近，且所述标定样品已进行去应力退火，视为无残余应力；
步骤二，标定应力，利用弯曲夹具弯曲所述标定样品，使其最大挠度处达到与待测曲面叶片待测点相近的弯曲状态，测量应变，由应变得到应力；
步骤三，测量标定样品波速，测量超声波在所述标定样品的最大挠度处的波速；
步骤四，建立应力-波速关系，重复所述步骤二、步骤三，测量不同应力值对应的波速，建立超声波在待测曲面叶片待测点相近的弯曲形态下，应力与超声波速的关系式；
步骤五，测量曲面叶片波速，测量超声波在曲面叶片待测点的波速，利用步骤四标定得到的关系式，得到待测曲面叶片的残余应力分布；
步骤六，测量确认，利用弯曲夹具弯曲另一标定样品，使该另一标定样品的最大挠度处具有所述步骤五测量得到的应力，然后测量该另一标定样品的最大挠度处的实际超声波波速，将测得的该实际超声波波速与步骤五得到的曲面叶片波速进行比较，判断测量结果是否有效。
所述的燃气轮机曲面叶片残余应力测试方法，其进一步特征在于，在步骤二中，采用应变片校核挠度计的测量结果的方法，包括在弯曲后的标定样品上粘贴应变计，应变计测量结果与试验标定挠度计测量弯曲应变力的结果相比较，若两者偏差小于5％，即表明测量结果可信；根据挠度计测量结果计算应变公式如下：
ε：最大拉伸应变，
t：试样厚度，
y：最大的挠度，
H：外支撑间距，
A：外支撑和内支撑间距，
标定样品的受力形式与待测曲面叶片的待测点相近，并确保该应力值在材料的屈服强度以下，根据测量得到的应变，以及应力计算公式：
σ＝εE
σ：最大拉伸应力，
E：试样的弹性模量，
获得所述一定应力的值。
所述的燃气轮机曲面叶片残余应力测试方法，其进一步特征在于，在步骤三中，测量超声波在所述标定样品的波速的方法为，超声换能器向所述标定样品发射超声表面波，改变超声换能器与所述标定样品的距离z，得到周期起伏的V(z)曲线，根据V(z)曲线中的振荡周期距离Δz，根据如下公式：
νR：被测固体中的波速，
νw：水中的波速，
f：超声换能器激发的超声波频率，
Δz：V(z)曲线中的振荡周期距离，
得到超声波在所述标定样品的波速。
所述的燃气轮机曲面叶片残余应力测试方法，其进一步特征在于，在步骤四中，至少测量五组所述应力值与对应的所述波速。
所述的燃气轮机曲面叶片残余应力测试方法，其进一步特征在于，在步骤六中，当测量结果与所述步骤五的结果误差在5％以内时，则表明所述步骤五的测量结果有效。
一种燃气轮机曲面叶片残余应力测试装置，其特征在于，所述测试装置包括弯曲夹具和超声波测速系统，所述弯曲夹具用于弯曲标定样品，所述超声波测速系统用于测定对弯曲后的所述标定样品的最大挠度处的超声波波速。
所述的燃气轮机曲面叶片残余应力测试装置，其进一步特征在于，所述弯曲夹具包含至少四处支点、内支撑部、外支撑部，其中至少两处支点在内支撑部、至少两处支点分布在外支撑部，分布在内支撑部的至少两处支点、分布在外支撑部的至少两处支点，均相对于夹具的中心轴线对称。
所述的燃气轮机曲面叶片残余应力测试装置，其进一步特征在于，所述超声波测速系统还包括超声换能器、步进电机，所述超声换能器与所述步进电机相连，通过所述步进电机精确控制所述超声换能器在所述标定样品或所述待测曲面叶片待测点竖直方向上的位置。
本发明的进步效果在于，针对现有测量方法中采用临界折射纵波方法对于测量曲面叶片不精确的缺点，根据波的干涉原理，因试样直接反射的反射波与不断散发能量的表面波相互干涉，产生输出信号的强度随超声波换能装置垂直位置的变化而产生周期性的变化，即为输出的电压V随超声波换能装置位置z的变化曲线称为V(z)曲线的原理进行测量，同时，针对现有技术中采用拉伸试样机对平板件进行标定，导致标定结果无法精确匹配曲面测量的缺点，提出了对标定件进行弯曲标定的标定方法，其标定和校验方法与测量叶片时的操作方法一致，避免不同方法标定的误差。综上，本发明从测量原理、标定方法两方面创新，实现了燃气轮机曲面叶片残余应力大小和分布的无损、精确测量。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1为本发明的测量方法的流程图。
图2为本发明一实施例的标定样品初始状态的主视图与剖视图。
图3为本发明一实施例的标定样品弯曲状态示意图。
图4为本发明一实施例的标定样品弯曲状态应力标定示意图。
图5为本发明一实施例的测量装置示意图。
图6为本发明一实施例得到的周期起伏的V(z)曲线。
图7为本发明一实施例得到的应力和声速的关系曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
需要注意的是，附图仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
图1示出了测量燃气轮机曲面叶片的流程图，如图1所示，包括以下步骤：
(1)制作标定样品
如图2所示的样品1采用采用与被测叶片相同工艺的材料，经过去应力退火处理，使样品初始状态无残余应力，样品形状为平板，厚度与被测叶片材料相近，排除了标定样品与被测叶片厚度不同对测量结果的影响。
(2)标定应力
如图3所示，制作能够将样品1弯曲的夹具2，与常用的拉伸试样机不同，夹具2包含至少四处支点21，其中至少两处支点在内支撑部22、至少两处支点分布在外支撑部23，分布在内支撑部22的至少两处支点、分布在外支撑部23的至少两处支点均相对于夹具的中心轴线对称。本实施例中夹具2包含四处支点21，分别有两处分布在外支撑部22、两处分布在内支撑部23，支点的对称分布，使得标定样品的应力分布对称，简化了标定步骤。
如图4所示，在弯曲后的标定样品上粘贴应变片(未图示)，利用弯曲夹具2，向所述标定样品1施加一定应力，使其最大挠度处达到与待测曲面叶片待测点相近的弯曲状态，用应变片测量应变的方法，校核挠度计的测量结果，应变片测量结果与试验标定挠度计3测量结果相比较，若两者偏差小于5％，即表明测量结果可信。挠度计计算应变公式如下：
ε：最大拉伸应变，
t：试样厚度，单位：m
y：最大挠度，单位：m
H：外支撑间距，单位：m
A：外支撑和内支撑间距，单位：m
根据测量得到的应变，获得应力的大小，标定样品的受力形式与待测曲面叶片的待测点相近，并确保该应力值在材料的屈服强度以下。应力的计算公式如下：
σ＝εE
σ：最大拉伸应力，单位：Pa
E：试样的弹性模量，单位：Pa
(3)测量波速
如图5所示，V(z)曲线的超声波残余应力测试装置主要包括：超声换能器5、步进电机6以及水槽7、超声换能器对应的控制系统，包含计算机51、示波器52、超声发生器53，步进电机对应的控制系统，计算机单片机61，计算机62。
标定过程中，弯曲夹具2夹持标定样品1置于水槽7中，水槽7的水至少浸没标定样品1，将超声换能器5与步进电机6相连，通过步进电机6控制超声换能器5在标定样品的竖直方向上的位置。由超声换能器5向金属表面发射超声表面波，通过步进电机6控制超声换能器5与标定样品的距离z，得到如图6所示的周期起伏的V(z)曲线，据此得到振荡周期距离Δz。根据V(z)曲线理论，V(z)曲线是反射波与不断散发能量的表面波相互干涉的结果，周期与波速的关系如下：
νR：被测固体中的波速，单位：m/s
νw：水中的波速，单位：m/s
f：超声换能器激发的超声波频率，单位：1/s
Δz：V(z)曲线中的振荡周期距离，单位：m
由Δz即可以获得标定样品中弯曲状态对应的超声波波速。
(4)建立应力-波速关系
重复步骤(2)、(3)的测量步骤，获得多组应力值以及对应的超声波波速，建立在待测曲面叶片待测点相近的弯曲形态下，应力与超声波速的关系式，如图7所示，为保证测量结果的精确，测量至少五组应力值与对应的波速。
(5)测量曲面叶片波速
基于步骤(3)的方法，测量超声波在待测曲面叶片待测点的波速，利用步骤(4)标定得到的关系式，得到待测曲面叶片的残余应力分布
(6)测量确认
利用弯曲夹具弯曲另一标定样品，使该另一标定样品的最大挠度处具有所述步骤(5)测量得到的应力，然后测量该另一标定样品的最大挠度处的实际超声波波速，将测得的该实际超声波波速与步骤(5)得到的曲面叶片波速进行比较，当测量结果与步骤(5)的结果误差在5％以内时，则表明步骤(5)的测量结果有效。
综上，针对现有测量方法中采用临界折射纵波方法对于测量曲面叶片不精确的缺点，根据波的干涉原理，因试样直接反射的反射波与不断散发能量的表面波相互干涉，产生输出信号的强度随超声波换能装置垂直位置的变化而产生周期性的变化，即为输出的电压V随超声波换能装置位置z的变化曲线称为V(z)曲线的原理进行测量，同时，针对现有技术中采用拉伸试样机对平板件进行标定，导致标定结果无法精确匹配曲面测量的缺点，提出了对标定件进行弯曲标定的标定方法，其标定和校验方法与测量叶片时的操作方法一致，避免不同方法标定的误差。综上，本发明从测量原理、标定方法两方面创新，实现了燃气轮机曲面叶片残余应力大小和分布的无损、精确测量。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种燃气轮机曲面叶片残余应力测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，制作标定样品，标定样品为平板状，与被测曲面叶片材料相同，厚度相近，且所述标定样品已进行去应力退火，视为无残余应力；
步骤二，标定应力，利用弯曲夹具弯曲所述标定样品，使其最大挠度处达到与待测曲面叶片待测点相近的弯曲状态，测量应变，由应变得到应力；其中，所述弯曲夹具包含至少四处支点、内支撑部、外支撑部，其中至少两处支点在内支撑部、至少两处支点分布在外支撑部，分布在内支撑部的至少两处支点、分布在外支撑部的至少两处支点，均相对于夹具的中心轴线对称；
步骤三，测量标定样品波速，测量超声波在所述标定样品的最大挠度处的波速，其中，测量超声波在所述标定样品的波速的方法为，超声换能器向所述标定样品发射超声表面波，改变超声换能器与所述标定样品的距离z，得到周期起伏的V(z)曲线；
步骤四，建立应力-波速关系，重复所述步骤二、步骤三，测量不同应力值对应的波速，建立超声波在待测曲面叶片待测点相近的弯曲形态下，应力与超声波速的关系式；
步骤五，测量曲面叶片波速，测量超声波在曲面叶片待测点的波速，利用步骤四标定得到的关系式，得到待测曲面叶片的残余应力分布；
步骤六，测量确认，利用弯曲夹具弯曲另一标定样品，使该另一标定样品的最大挠度处具有所述步骤五测量得到的应力，然后测量该另一标定样品的最大挠度处的实际超声波波速，将测得的该实际超声波波速与步骤五得到的曲面叶片波速进行比较，判断测量结果是否有效。
2.如权利要求1所述的燃气轮机曲面叶片残余应力测试方法，其特征在于，在步骤二中，采用应变片校核挠度计的测量结果的方法，包括在弯曲后的标定样品上粘贴应变计，应变计测量结果与试验标定挠度计测量弯曲应变力的结果相比较，若两者偏差小于5％，即表明测量结果可信；根据挠度计测量结果计算应变公式如下：
ε：最大拉伸应变，
t：试样厚度，
y：最大的挠度，
H：外支撑间距，
A：外支撑和内支撑间距
标定样品的受力形式与待测曲面叶片的待测点相近，并确保该应力值在材料的屈服强度以下，根据测量得到的应变，以及应力计算公式：
σ＝εE
σ：最大拉伸应力，
E：试样的弹性模量，
获得所述应力的值。
3.如权利要求1所述的燃气轮机曲面叶片残余应力测试方法，其特征在于，在步骤三中，根据V(z)曲线中的振荡周期距离Δz，根据如下公式：
νR：被测固体中的波速，
νw：水中的波速，
f：超声换能器激发的超声波频率，
Δz：V(z)曲线中的振荡周期距离，
得到超声波在所述标定样品的波速。
4.如权利要求1所述的燃气轮机曲面叶片残余应力测试方法，其特征在于，在步骤四中，至少测量五组所述应力值与对应的所述波速。
5.如权利要求1所述的燃气轮机曲面叶片残余应力测试方法，其特征在于，在步骤六中，当测量结果与所述步骤五的结果误差在5％以内时，则表明所述步骤五的测量结果有效。
6.一种燃气轮机曲面叶片残余应力测试装置，其特征在于，所述测试装置包括弯曲夹具和超声波测速系统，所述弯曲夹具用于弯曲标定样品，所述超声波测速系统用于测定对弯曲后的所述标定样品的最大挠度处的超声波波速，所述超声波测速系统还包括超声换能器、步进电机，所述超声换能器与所述步进电机相连，通过所述步进电机精确控制所述超声换能器在所述标定样品以及待测曲面叶片待测点竖直方向上的位置；其中，所述弯曲夹具包含至少四处支点、内支撑部、外支撑部，其中至少两处支点在内支撑部、至少两处支点分布在外支撑部，分布在内支撑部的至少两处支点、分布在外支撑部的至少两处支点，均相对于夹具的中心轴线对称。
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