抽汽式汽輪機中間調節級末葉片彈-塑性分析研究

韓方亮，邱平，胡利民

（中國長江動力集團有限公司供熱汽輪機研究所，武漢 430074）

1 問題的提出

圖1

汽輪機是火力發電廠三大主機之一，它的安全性直接影響電廠的運行。汽輪機動葉片承擔能量轉換的工作，且處于高溫、高壓、高轉速的惡劣工作狀態，必須對其進行全面的強度校核。整圈安裝的葉輪上，有兩片末葉片，又稱封口葉片。末葉片結構如圖1（a）所示，葉根和葉輪通過兩根銷釘緊固。由于這種特殊的結構，葉根、葉輪、銷釘的連接處極易產生應力集中，有時候峰值應力會大大超出材料的屈服極限。傳統的強度計算方法只能求關鍵截面的平均應力值，無法真實反映構件的峰值應力，所以要取很高的安全系數，造成了材料的浪費并提高了成本。

式中，σeqmax-應力集中部件的最大等效應力；-汽輪機材料工作溫度下的屈服極限。

筆者認為上述方法是不全面的，當構件應力超出材料的屈服極限后會發生局部塑性變形，載荷會在構件內重新分布，應力值并不會達到彈性分析時的σeqmax，且發生塑性變形的區域對材料的疲勞壽命有很大的影響。所以，有必要將塑性分析引入應力集中區域的強度校核，為精細化設計提供可靠的依據。本文選取我公司某型抽汽式汽輪機中間調節級末葉片進行彈-塑性分析，通過分析結果得出一些結論，指導實際工作。

2 模型前處理及相關參數

2.1 模型及材料參數

分析模型如圖1 所示，依據圣維蘭原理，葉輪周向上取一個葉片對應的扇區，徑向上截取輪緣的部分。葉輪、葉片、銷釘的材料參數見表1。

表1 葉輪、葉片、銷釘材料參數

2.2 分網及邊界條件

有限元模型采用全六面體網格劃分，如圖1（b）。葉輪和葉根周向對稱約束，葉輪底部法向約束，葉輪與銷釘、葉根與銷釘連接部分定義為摩擦接觸，摩擦系數取0.15，載荷為3000r/min。

3 彈性計算及結果分析

（1）彈性分析結果如圖2 所示，銷釘的應力遠遠小于其屈服極限，在此不列出。

圖2

（2）從圖3 可以看出輪緣下銷釘孔和葉根兩個銷釘孔邊緣配合區域應力值已超出材料屈服極限。可以預測，這些區域將發生塑性變性。

4 塑性計算

4.1 材料的本構曲線

塑性分析的難點在于確定材料的本構曲線，材料真實的應力應變關系很難獲得。依據實際產品的運行統計情況，以材料的σ0.2、σb作為本構曲線的臨界點，建立葉輪、葉片、銷釘應力應變曲線如圖4。

4.2 塑性分析結果

（1）圖5 顯示的塑性變形區域與前文預測的一致。

（2）圖6 列出了葉根、葉輪銷釘孔長度方向上應力、塑性區域的分布。可以看出，在葉輪、葉根的邊緣發生塑性變形，載荷在構件間重新分布。塑性變形使承載面積增加，葉輪和葉根最大應力值顯著下降。

圖4 葉輪－葉片－銷釘本構曲線

圖5

（3）由于塑性硬化的作用，塑性區域的承載能力加大，在一定范圍內，應力超出屈服極限時塑性區不再擴大。

（4）圖6（b）、（d）表明，葉根上下銷釘孔均發生塑性變形，葉輪只有下銷釘孔發生塑性變形。發生塑性變形的區域占整個承載區域的比例很小，設計過程中可以采取倒角去掉應力集中區域。若塑性區過大，無法倒角去除，應按照ASME 規范和國內壓力容器分析設計方法標準，嚴格校核構件的安全性。

（5）通過塑性分析結果，在末葉片檢修時，應密切關注塑性區的狀態，檢查有無宏觀裂紋。如有宏觀裂紋，應及時更換。如沒有宏觀裂紋，不要打磨塑性區域，以免引起新的不可預測的塑性擴展。

5 結論

圖6

將塑性分析引入汽輪機末葉片應力集中區域的有限元分析中，利用工程實踐建立了材料的本構曲線。通過計算，比較真實地反映了構件的實際應力水平，并得出結論：當材料應力超過屈服極限時，塑性應變發生，載荷重新分布，構件受力趨于平均，承載能力加大，構件在此工作狀態下是安全可靠的，并為設計和檢修提供了理論依據。

［1］史進淵，等.汽輪機部件強度有限元分析的設計判據［C］//中國動力工程學會透平專業委員會2010 年學術研討會論文集，2010.

［2］吳厚鈺.透平零件結構和強度計算［M］.北京：機械工業出版社，1980.

［3］丁有宇.汽輪機強度計算［M］.北京：水利電力出版社，1985.