摘 要

汽轮机是一种利用水蒸汽推动叶片旋转对外做功的机械设备，叶片是它的关键部件。汽轮机运转时，叶片往往工作于高温高压、巨大离心力等恶劣条件下，在此过程中必然产生较大的应变，当汽轮机叶片产生的应变超过其承受能力时，则很容易造成叶片损坏事故。为了保障汽轮机的安全高效运行，实现对叶片应变的监测有着极其重要的意义。

本文研究的目的是实现对汽轮机叶片的静态应变监测。由于汽轮机工作在高温环境，产生的是大应变，采用普通的应变计很难满足其测量要求，故选择光纤F-P传感器作为应变测量设备。本文采用等强度悬臂梁代替汽轮机叶片作为研究对象，利用高温炉模拟叶片工作的高温环境，通过加载砝码模拟汽轮机叶片工作时承受应力的过程，搭建了光纤F-P传感器测试系统平台，实现了对等强度悬臂梁在常温加载下的应变测量和高温空载下的热应变测量，证明了利用光纤F-P传感器测量高温大应变的可行性。

关键词：汽轮机叶片；高温大应变；光纤F-P传感器

Abstract

Steam turbine is a kind of mechanical equipment which USES water steam to push the blade to rotate, and the blade is its key component. When steam turbine is in operation, the blades often work under harsh conditions such as high temperature, high pressure and huge centrifugal force. In this process, large strain is bound to occur, thus easily causing blade damage accidents. In order to ensure the safe and efficient operation of steam turbine, it is very important to monitor the blade strain.

The purpose of this paper is to monitor the static strain of turbine blade. As the steam turbine works in a high temperature environment, it produces large strain, and it is difficult to meet the measurement requirements with ordinary strain gauge, so the fiber optic F-P sensor is chosen as the strain measurement equipment. This paper USES such as strength cantilever beam instead of turbine blade as the research object, using the blade working environment of high temperature, high temperature furnace simulation by loading weight simulation process of turbine blade under stress at work, set up a platform fiber F - P sensor test system, realized the equivalent strength cantilever beam under the load of the strain measurement and high temperature thermal strain measurement under no-load, proved that the use of optical fiber F - P sensor measuring the feasibility of high temperature and large strain.

Key Words: Turbine blades; High temperature and large strain; Fiber optic F-P sensor

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文研究内容 4

第2章 传感器原理 5

2.1 光纤F-P应变传感器 5

2.2 光纤F-P传感器的解调 8

2.2.1 强度解调法 8

2.2.2 相位解调法 10

2.2.2.1 条纹峰值解调法 10

2.2.2.2 傅里叶变换解调法 13

第3章 F-P传感器的设计与制备 14

3.1 实验原理 14

3.2 实际汽轮机叶片应变计算 16

3.3 F-P传感器的结构设计 17

3.4 F-P传感器的尺寸分析 18

3.4.1 初始腔长L 18

3.4.2 测量标距L₀ 19

3.5 F-P传感器的制备 20

第4章 传感器的应变测量 23

4.1 常温应变传感特性 23

4.2 高温热应变传感特性 29

4.3 传感器的静态特性分析 37

4.3.1 线性度 37

4.3.2 迟滞 37

4.3.3 重复性 38

4.3.4 灵敏度 39

第5章 总结与展望 40

5.1 总结 40

5.2 展望 40

参考文献 41

致谢 43

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

在航空航天领域，高温环境下的应变测量一直都是研究的热点。应变测试系统通常要在1250K的高温条件下工作 ，并且测量误差不得超过±10% 。随着科技的发展，航空发动机的热力循环参数逐渐提高，高温应变测量的条件也越来越严苛。例如：美国的F119涡轮风扇发动机的温度可以达到1977K，当发动机的推重比大于15时，涡轮进口温度甚至高达 2473K^[1]。此前电阻应变计是国内高温应变测量的首选设备^[2]，但是它一般只能在600℃以内的温度环境中测量，在温度过高的条件下则难以发挥作用。而且电阻类传感器之间无法实现串联组网，应变片也容易受到电磁干扰的影响，难以应用在航空航天领域。因此，航空航天领域的应变测量需要一种新型测量装置。

汽轮机是一种应用范围比较广泛的旋转机械，常与发电机结合构成火力发电厂的发电机组。它以蒸汽为动力，工作时高温高压的蒸汽由喷嘴喷出，进入汽轮机静叶栅的蒸汽通道并发生膨胀，蒸汽的压力和温度下降，而流速大大提升，其热能转化为动能。然后，高速流动的蒸汽进入动叶栅，推动叶片旋转并对外做功，完成动能向机械能的转化。此后蒸汽进入下一级叶片中，重复上述过程，直到通过末级叶片后从排气口排出。在汽轮机的整个工作过程之中，叶片起到了关键性的作用。由于汽轮机叶片工作在高温高压、巨大的离心力和水滴冲蚀等特殊条件下，叶片裂纹、水蚀、断裂的现象时有发生。据统计，叶片损坏占据汽轮机事故的40%甚至更多，给汽轮机的正常运转带来了极其不利的影响^[3]。近年来，随着汽轮机容量和单机功率的增大以及超临界机组的发展，汽轮机叶片的工作环境也越来越恶劣，其安全可靠性和高效率的保持就显得更加重要。提高汽轮机叶片应变的检测精度, 对保障汽轮机的安全运行有重要意义。但是与航空航天领域类似，汽轮机叶片的工作温度也比较高。超大功率汽轮机第一级叶片温度可达630℃，未来的汽轮机组温度将在700℃以上^[4]，超过了普通应变计的温度极限，因此汽轮机叶片的应变测量也需要一种新型设备。

研制光学应变测量系统来替代传统应变计，是解决高温应变测量领域难题的一个方向。光纤传感技术是一种新兴的传感技术，其材料一般是是熔融SiO₂，具有天然的耐高温性能。石英光纤应变传感器能够长期使用在1000℃的高温环境下，蓝宝石光纤应变传感器甚至能够应用于1600℃的环境。光纤的密度一般为2.32g/cm³，只有金属铜的四分之一，其直径一般为125μm，故利用光纤制作的应变传感器具有体积小、重量轻的特点^[5]。它可以放入待测物体内部，或是粘贴、点焊在待测物结构的表面，实现对应变的长期监测。此外，光纤应变传感器还有耐腐蚀、抗电磁干扰、远距离实时在线传感等优势，在实验室中所测结果的跟随性、平滑性也要优于普通电阻应变计，所以光纤应变测量比起传统的高温应变测量方法更加准确和稳定。不过由于SiO₂材料质地比较脆，机械强度不高，光纤传感器也有抗外力能力弱的缺点，使用时需要通过增加其机械强度起到保护作用^[6]。