輪盤蠕變引起的組合轉子性能退化研究

劉偉達 畢世英 劉愛萍

摘要：本文系統地研究了質量協調及質量失諧條件下，組合轉子的輪盤蠕變特性及性能退化機理。該研究在一定程度上是對燃氣輪機組合轉子性能退化研究理論和方法的發展和完善，在工程上對于組合轉子的優化設計及健康診斷等具有一定的指導意義。

Abstract： This paper systematically studies the creep characteristics and performance degradation mechanism of the combined rotor disc under mass coordination and mass mistuning conditions. To a certain extent， this research is the development and improvement of the theory and method of the performance degradation of gas turbine combined rotor， and has certain guiding significance for the optimization design and health diagnosis of the combined rotor in engineering.

關鍵詞：組合轉子;輪盤蠕變;性能退化

Key words： combined rotor;discs creep;performance degradation

中圖分類號：TK267? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）17-0220-03

0? 引言

本文主要以某重型燃氣輪機組合轉子（即周向拉桿轉子）為研究對象該組合轉子，如圖1所示，其組成部分主要有燃燒室、透平端和壓氣機端，透平端有4級輪盤通過12根拉桿緊密連接為一個整體，壓氣機端由17級輪盤通過12根拉桿緊密結合在一起。

隨著燃氣輪機技術的發展，燃氣輪機組合轉子的運行溫度不斷升高，在組合轉子承受的高溫及高速旋轉產生的巨大內應力的作用下，組合轉子輪盤會發生蠕變行為，這會導致輪盤變薄，拉桿預緊力降低，組合轉子剛度降低，使得組合轉子性能產生退化;且當組合轉子承受諸如偏心質量或初始彎曲所產生的不均衡離心應力時，組合轉子將發生蠕變彎曲，而彎曲是導致轉子振動加劇的最重要原因之一，且極易引發重大事故。因此，研究組合轉子的輪盤蠕變及蠕變彎曲行為如圖2所示，及其引起組合轉子性能退化的機理，從源頭上找到組合轉子退化、彎曲及振動加劇的原因，從而保證機組的正常運行，具有十分重要理論意義和工程應用價值。

目前針對組合轉子性能退化的研究主要集中在螺紋自松弛、裂紋及拉桿松弛等方面，而組合轉子長期在高轉速、高溫環境下工作，組合轉子輪盤會發生蠕變，引起其性能退化，且由于質量失諧組合轉子將產生不平衡離心力，引起蠕變彎曲，對組合轉子的振動特性有較大影響，但目前并沒有進行相關研究。

1? 組合轉子輪盤蠕變理論分析

在高溫構件中，蠕變引起的材料損傷占到了20%以上，應力、溫度和時間是三個產生蠕變現象必不可少的原因[74]，特別是當材料溫度達到其融化溫度的30%時，其蠕變效應對材料的影響將不容忽視。從1910年，Andrade第一次進行蠕變試驗，首次提出蠕變這一名詞，人們開始密切關注蠕變這一現象，到現在，針對蠕變的研究已經進行了100多年，積累了大量的研究方法與手段，目前關于蠕變的研究方法大致可以分為兩類：一類是著眼于微觀，重點研究材料的冶煉對于其蠕變特性的影響及提高材料抗蠕變能力的冶煉方法;而另一類以宏觀實驗為切入點，注重試驗的結果與分析，進而建立能反應材料蠕變特性的理論模型，這種方法得到了廣泛運用，且形成了堅實的理論基礎。根據蠕變的宏觀模型，如圖3所示，可以將蠕變變形分為三個階段：①蠕變初始階段，在該階段，材料發生硬化，在恒定溫度及載荷條件下材料的蠕變速率逐漸減小;②蠕變穩定階段，在該階段，材料蠕變速率基本穩定，且持續時間最長，所以又可以將其稱為穩定蠕變階段;③蠕變破壞階段，該階段材料蠕變速率迅速增加，直到材料被破壞。

燃氣輪機是一種將燃料燃燒產生的熱能轉化為組合轉子旋轉機械能的內燃式動力機械，這使得組合轉子長期在高溫環境下工作，特別是隨著工業的發展，組合轉子渦輪盤工作環境日益增高，渦輪盤的蠕變失效問題愈加受到重視。而且由于組合轉子的轉速較高，因此渦輪盤也產生了較大的離心應力，在高溫環境與離心應力的共同作用下，組合轉子輪盤將產生蠕變效應。 組合轉子輪盤在高溫、高轉速環境下運行時，輪盤有限元熱彈塑性分析中的總應變由彈性應變、熱應變及塑形應變三部分組成：

式中，？著total為總應變，？著el為彈性應變，？著pl為塑形應變，？著th為熱應變。本文中主要研究輪盤蠕變效應，組合轉子在恒定溫度環境下工作，不考慮熱應變對其影響。且本文研究的組合轉子在額定工況下運行時（轉速3000r/min），輪盤并未發生屈服，因此可以用蠕變應變？著cr代替塑形應變？著pl，因此可得：

因為燃氣輪機組合轉子蠕變時間長，大部分時間處于蠕變穩定階段，且由于Norton蠕變模型結構形式較為簡單，所需參數也較易通過測試獲得，在工程上被廣泛使用，同時其也被嵌入Ansys等分析軟件中，使用較為方便，因此本文采用Norton蠕變模型：

參考相關試驗數據，選用最小二乘法，計算Norton模型參數得出如表1結論。

2? 組合轉子輪盤蠕變仿真分析

根據組合轉子各部分溫度分布規律及應力分布情況，進而對其蠕變特性進行分析。

對組合轉子施加溫度載荷時，考慮工程實際，對組合轉子進行熱分析，得到組合轉子運行過程中的溫度場分布云圖如圖4，由圖可知：組合轉子燃燒室部分溫度最高，溫度最高點為566℃，并從燃燒部分向兩端（透平端、壓氣機端）溫度逐漸降低，透平部分的溫度整體較壓氣機部分高，組合轉子徑向及周向溫度變化較小。根據工程上不同溫度下輪盤材料的彈性模量E的大小，采用二次插值的方式得到組合轉子各溫度下的彈性模量的具體數值，從而進行蠕變分析。

組合轉子由于輪盤蠕變發生頂心事故或其它故障，主要是由輪盤最外緣引起，因此選取蠕變數據采集點在輪盤伸長量最大的輪盤最外緣位置，圖5給出了蠕變數據采集點的位置。

實際工況中，組合轉子輪盤內應力主要由組合轉子徑向溫度不均產生的熱應力、旋轉產生的離心應力及葉片對輪盤產生的附加應力共同組成，本文主要研究組合轉子離心應力對于輪盤蠕變的影響，因此以組合轉子運行轉速為3000r/min為例計算，利用Ansys對輪盤進行靜應力分析，運行時應力分布如圖6，輪盤運行時應力最大點集中出現在燃燒室部分，且輪盤軸心部分應力較大，離心應力隨著徑向半徑的增大而減小，在具有凹槽處有應力集中現象。

利用Ansys有限元分析軟件，針對組合轉子模型，在上述給定溫度環境及應力條件下，進行蠕變分析，計算組合轉子蠕變應變值，如圖7所示為組合轉子輪盤蠕變應變圖，如圖8為各采集點蠕變伸長量曲線。

由圖7及圖8可以看出：

①組合轉子發生蠕變的主要區域為燃燒室大部分區域及與之相鄰的透平端及壓氣機端部分區域，原因是該區域溫度較高;②組合轉子各采集點蠕變量均隨時間緩慢增加，且各觀測點蠕變速率隨著時間的增加有緩慢減小趨勢，且前10000h蠕變速率降低較快，這是因為隨著輪盤蠕變的發生，其應力會有松弛，前10000h應力松弛速率較快;③透平端第一級蠕變速率最快，在80000h時蠕變量達到了0.5mm，結論可以為燃氣輪機組合轉子與外殼間隙值提供設計據。

3? 結論

組合轉子長期處于高溫、高轉速的復雜工況下，其輪盤將發生蠕變，進而會導致組合轉子性能退化。本文針對組合轉子具有接觸界面這一特殊結構，研究了組合轉子輪盤蠕變特性，研究了輪盤蠕變引起質量協調及失諧組合轉子性能退化的機理，可以為燃氣輪機組合轉子的結構設計、健康檢測及故障預測提供重要參考依據，具有極其重要的工程應用和理論價值。

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作者簡介：劉偉達（1981-），男，湖南漣源人，高級工程師，碩士研究生，從事機械設計方向的研究;畢世英（1978-），女，山東濰坊人，講師，從事機械設計方向的研究。