混流式水輪機葉片性能熱處理變形的數值模擬預測

戚彩夢，葛光男，鄭吉偉，丁軍鋒，劉 毅，盧從義，張東東

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混流式水輪機葉片性能熱處理變形的數值模擬預測

戚彩夢1，葛光男1，鄭吉偉2，丁軍鋒1，劉 毅1，盧從義1，張東東1

（1. 哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱電氣動力裝備有限公司，哈爾濱 150046）

本文建立了ZG06Cr13Ni5Mo不銹鋼熱處理過程的三維有限元模型，模擬了混流式水輪機葉片正火+回火熱處理后的應變場分布，并將模擬的應變場分布結果與測量結果進行了比較，二者吻合較好，證明所建模型的有效性。在此基礎上，得到了混流式水輪機葉片熱處理后等效應變分布規律及各部位變形量分布。結果表明：混流式水輪機X型葉片一正兩回熱處理后，沿Z向出水邊到進水邊及進水邊與上冠連接處與下環連接處變形量先減小后增大，呈V型變化規律。其中與下環連接處比與上冠連接處變形大，進水邊比出水邊變形大。本文提供了一種可用于預測復雜形狀大尺寸葉片鑄件性能熱處理變形的數值模擬仿真預測方法，為混流式水輪機葉片制定合理的熱處理工藝及設計提供理論依據。

混流式水輪機葉片；等效應變；變形；數值模擬

0 前言

水輪機轉輪作為水輪機組的核心部件，其制造質量及型面的準確性對水電站機組的安全、可靠、經濟運行有巨大的影響。因此對其材質、形線及尺寸精度等要求十分嚴格[1]。由于Cr13Ni4鋼種具有良好的焊接性、抗腐蝕性、抗氣蝕性、抗泥沙沖蝕和強韌性等優點[2-4]，目前國內大型水電站（如溪洛渡、向家壩電站等）的水輪機葉片普遍采用ZG06Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼[5-7]。作為過流部件的葉片是公認的形狀復雜、扭曲度比較大、變形嚴重且很難預測的鑄件，大多采用增加加工余量的方法來保證最終葉片各部位的加工尺寸，易造成葉片出品率低，焊補量大等缺點[8]。目前，研究者已對Cr13-Ni系列不銹鋼合金的設計思想、主要元素作用、微觀組織結構及性能、熱處理制度進行了廣泛的研究[9-13]，但對Cr13-Ni系列不銹鋼變形研究較少。因此研究混流式水輪機葉片熱處理過程中等效應變及變形量分布規律對防止及減少葉片加工余量不足、降低葉片變形量有很大意義。

本文通過建立ZG06Cr13Ni5Mo熱處理過程有限元模型，模擬了混流式水輪機葉片熱處理過程中應變場與變形量的變化，進而得到混流式水輪機葉片等效應變及變形量的變化規律，為復雜曲面葉片制定合理的熱處理工藝及設計提供重要的理論依據。

1 實驗材料與方法

選用X型葉片為研究對象，該葉片最大厚度約為280mm，最小厚度約為60mm，葉片的投影面積約為7.8m2，材料為ZG06Cr13Ni5Mo，三維模型如圖1所示。采用RAC-MET-8000直讀光譜儀進行化學成分測試，結果見表1。將X型葉片進行1030℃下保溫10h空冷+620℃下保溫12h空冷+590℃下保溫12h空冷熱處理（一正+兩回）。

表1 ZG06Cr13Ni5Mo不銹鋼的化學成分（wt%）

采用拓普康DT202三坐標測量儀采集葉片背面熱處理前后80個點的坐標，如圖2所示。

圖1 X型葉片三維模型

圖2 X型葉片實體

2 有限元模型的建立

采用有限元模擬軟件DEFORM建立三維有限元模型，選用四面體單元類型，劃分網格數為139200，節點數為14541，如圖3所示。應變場模擬采用直接耦合法，葉片材料視為彈塑性材料，模擬所用ZG06Cr13Ni4Mo隨溫度變化的熱物理性能參數，見表2。

表2 ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼的熱物理性能和熱力學性能參數[14]

圖3 X型葉片網格劃分

3 葉片應變場模擬結果和變形量實測值

3.1 葉片等效應變場模擬結果分析

圖4為葉片背面一正兩回數值模擬后各部位Z向（垂直葉片表面方向）等效應變分布云圖。由圖可知，葉片從出水邊到進水邊及與上冠連接處到與下環連接處等效應變先減小后增大，呈V型變化規律。在Z向主要是扭曲變形，葉片由彎曲向平直方向變形，其中與上冠連接處比與下環連接處變形大，進水邊比出水邊變形大。在進水邊與上冠連接處變形最大，約為23mm，在心部變形量最小，約為1.56mm。變形量沿對角線呈現先減小后增大的V型變化規律。由于葉片正火過程中發生組織間的轉變，受溫度不均勻性的影響，不同位置組織轉變具有不同時性，產生組織應力，進而導致葉片變形。此外，葉片不同溫度的熱膨脹系數不同，正火及回火過程的升溫及冷卻過程中，不同位置受溫度不同時性的影響，產生熱應力。當組織應力和熱應力產生的內應力超過材料抗拉強度時，使材料晶格畸變，導致材料變形。中間部位受周邊材料約束較大，導致變形較小。葉片邊角部位受周邊材料約束較小，且較薄，導致變形較大。受等效應力分布不均勻及結構影響，葉片背面各部位Z向等效應變分布不均勻。

圖4 X型葉片熱處理后模擬各部位Z向變形量分布云圖

3.2 葉片變形量實測值

圖5為利用三坐標測量方法采集的熱處理前后坐標數值繪制的葉片背面Z向三維葉形圖。由圖5（a）、（b）可知，X型葉片熱處理前后葉形基本相似。在A、B、C、D、E五個區有不同程度的變形，在A區變形較大，B區、C區、D區次之，E區變形最小。

圖5 X型葉片熱處理前后背面Z向三維葉形圖

圖6為X型葉片熱處理前后Z向等值線云圖。由圖可知，葉片扭曲較大，熱處理后不同部位等值線數值有所變化，A區、B區、C區、D區、E區變形程度與模擬基本一致。圖7為X型葉片熱處理前后各部位Z向變形量分布圖。由圖可知，實測得到的最大變形量在進水邊與下環連接處取得，約為26mm。最小變形量在X型葉片的中間部位取得，約為0.7mm。沿葉片兩條對角線方向呈先減小后增大的V型變化規律。由此可知，實測得到的葉片變形規律與數值模擬基本一致，驗證了模型的準確性。

圖6 熱處理前后實測X型葉片Z向等值線云圖

圖7 葉片一正兩回后實測各部位Z向變形量分布云圖

4 討論

上述分析可知，X型葉片熱處理后各部位變形不均勻，楔型形狀零件也如此[15]。正火冷卻過程中，Cr13Ni4鋼平均線膨脹系數先由12×10-6℃降到-1.9×10-6℃，后升到11×10-6℃，其屈服強度由850MPa降到40MPa[16]，受熱應力影響較大。組織由馬氏體轉變為奧氏體，后轉變為馬氏體，產生較大的組織應力。正火過程中，變形量受熱應力和組織應力影響較大。回火過程中，不發生組織轉變，受熱應力的影響較大。而組織應力和熱應力受溫度不均勻性影響較大，所以冷卻速率及冷卻均勻性對葉片變形及應力有很大影響[8]。對于大型零件，熱處理過程中受自身重力影響很大，熱處理過程可通過合理擺放，在較厚部位采取噴霧冷卻或風冷來降低溫度不均勻性，從而降低內應力和變形。

5 結論

（1）建立了06Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼應變場的有限元分析模型，獲得了一正兩回熱處理后的應變場。與測量結果進行了對比，模擬與試驗吻合較好，表明了所建模型的有效性。

（2）X型葉片一正兩回熱處理后，沿Z向進水邊到出水邊及與上冠連接處到與下環連接處變形量先增大后減小，呈V型變化規律。其中進水邊與下環連接處比與上冠連接處變形大，進水邊比出水邊變形大。

（3）X型葉片熱處理后有變平的趨勢，設計時需加入反變形量，冷卻較慢部位采取噴霧冷卻或風冷以防止后續加工余量不足。

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Prediction of Deformation of Large Hydraulic Turbine Blade Casting with Complex Surface During Heat Treatment Process by Numerical Simulation

QI Caimeng1, GE Guangnan1, ZHENG Jiwei2, DING Junfeng1, LIU Yi1, LU Congyi1, ZHANG Dongdong1

(1. Harbin Research Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China;2. Harbin Electric Power Equipment Co., Ltd, Harbin 150046, China)

A three dimensional finite element model of the heat treatment process of ZG06Cr13Ni5Mo stainless steel was established in this paper. The deformation distribution of Francis turbine blade during normalizing plus tempering was simulated. By comparing the measured deformation of the blade with the simulated value, it was closed to each other very well, which indicates this model is effective. Based on the results above, the distribution law of deformation of Francis turbine blade after the heat treatment was got. The results show that the deformation distribution of the X type blade shows V type law after normalizing from the trailing edge to leading edge. The deformation at leading edge is larger than trailing edge, and band side is larger than crown side. In this paper, a numerical simulation method to predict the heat treatment deformation of large complex blade was used, which provided a theoretical basis for complex surface blade designing and formulating a reasonable heat treatment process.

mixed flow turbine blade; equivalent strain; deformation; numerical simulation

TK733+.1

A

1000-3983(2018)03-0033-04

2017-11-25

戚彩夢（1978-），2009年畢業于哈爾濱理工大學，主要研究方向為金屬材料組織及熱處理數值模擬，工程師。