某型透平葉片葉根疲勞試驗?zāi)M件設(shè)計

丁繼偉 李 巖 姜東坡

（哈爾濱電氣股份有限公司，黑龍江 哈爾濱150028）

由于透平葉片工作在高轉(zhuǎn)速、高溫、高壓的環(huán)境中，在機組的反復(fù)啟停機過程中，極易發(fā)生疲勞破壞[1-3]。整支葉片開展疲勞試驗研究，成本過高，目前國內(nèi)針對葉根疲勞試驗?zāi)M件進行了大量的研究[4，5]。對某型燃壓透平葉片的葉根，設(shè)計了一種帶冷卻通道的疲勞試驗?zāi)M件，通過拉伸機的拉力來模擬旋轉(zhuǎn)離心力，并利用有限元工具，對該疲勞試驗?zāi)M件進行了應(yīng)力場的分析，經(jīng)對比，該疲勞試驗?zāi)M件的應(yīng)力場與真實該型燃壓透平葉片葉根的應(yīng)力場趨勢相同、大小接近。

1 葉根疲勞試驗?zāi)M件設(shè)計

由于燃燒室的出口溫度過高，燃?xì)廨啓C的透平葉片往往具有內(nèi)部冷卻的通道，某型燃壓機組透平葉片的葉根底部共有四個冷卻通道的入口，這些冷卻通道的入口將影響到葉根的應(yīng)力分布及疲勞壽命。所以在葉根疲勞試驗?zāi)M件的設(shè)計中，考慮了冷卻通道的影響。

圖1 某燃壓透平葉片葉根疲勞試驗?zāi)M件實體圖

某型燃壓機組透平葉片葉根疲勞試驗?zāi)M件的三維設(shè)計圖如圖1 所示。以真實葉根的一個冷卻通道入口為疲勞試驗?zāi)M件的主體，為了裝配方便，采用雙頭葉根形式，為了保證冷卻通道位置的應(yīng)力場分布準(zhǔn)確，保留了部分兩側(cè)冷卻通道入口的結(jié)構(gòu)。

2 數(shù)值仿真模型

2.1 幾何建模

所建立的夾具與模擬件裝配模型如圖2 所示。為了能夠模擬葉根疲勞試驗?zāi)M件在拉伸機上的應(yīng)力狀態(tài)，建立了與疲勞試驗?zāi)M件相適應(yīng)的夾具。

2.2 網(wǎng)格劃分

以結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格為主，五面體網(wǎng)格作為過渡，并且在夾具與葉根接觸的位置，采用了三層網(wǎng)格加密，以保證接觸位置的收斂及結(jié)果的準(zhǔn)確?？ň叩目偩W(wǎng)格數(shù)為10.6 萬個，其中六面體網(wǎng)格10.5 萬個，五面體網(wǎng)格1000 個；試驗?zāi)M件的總網(wǎng)格數(shù)為4.5 萬個，六面體網(wǎng)格4.39 萬個，五面體網(wǎng)格1000 個。網(wǎng)格模型如圖3、4 所示。

圖2 夾具與疲勞試驗?zāi)M件裝配模型

圖3 夾具的網(wǎng)格模型模型

圖4 葉根疲勞試驗?zāi)M件的網(wǎng)格模型模型

2.3 材料

葉片所使用的材料為K444，在900℃以下使用。該金屬具有良好的高溫強度和耐腐蝕性能，主要用于精密鑄造葉片。材料屬性如表所示。

K444 的材料屬性

2.4 邊界條件及載荷

在卡具與葉根疲勞試驗?zāi)M件之間建立接觸，法向為硬接觸，切向為摩擦系數(shù)0.1 的接觸，設(shè)置一個卡具底面為剛體約束。接觸、邊界的設(shè)置如圖5 所示。在未設(shè)置剛體約束的另一個卡具底面施加全位移約束，在施加剛體約束的底面施加9100 牛的集中力，該力為估算得出。所施加的邊界及載荷如圖6 所示。

圖5 接觸設(shè)置

圖6 邊界條件及載荷

3 數(shù)值仿真結(jié)果分析

卡具、試驗?zāi)M件的計算結(jié)果如圖7、8 所示。從圖7 可以看出：卡具的應(yīng)力場分布較為均勻，最大應(yīng)力位置發(fā)生在第四齒的縮頸處，大小為820Mpa，安全系數(shù)為1.27，其余位置的應(yīng)力普遍在300-400Mpa 之間，卡具的強度滿足要求。

由圖8 可知，葉根疲勞試驗?zāi)M件的葉齒縮頸位置處的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力發(fā)生在葉根疲勞試驗?zāi)M件的第一縮頸處，大小約為940Mpa，該葉根疲勞試驗?zāi)M件的應(yīng)力場分布與整支葉片計算時葉根的應(yīng)力分布及機組實際測量的應(yīng)力場分布基本相同。所以該葉根疲勞試驗?zāi)M件可以作為某型燃壓機組透平葉片的葉根疲勞試驗件。

圖7 卡具的應(yīng)力場分布

圖8 葉根疲勞試驗?zāi)M件的應(yīng)力場分布

4 結(jié)論

本文首先設(shè)計了一種用于某型燃壓機組透平葉片疲勞試驗的模擬件，然后對該模擬件進行了應(yīng)力場的分析，可得到如下結(jié)論：

（1）卡具的應(yīng)力場較為均勻合理，且滿足強度要求。

（2）葉根疲勞試驗?zāi)M件的應(yīng)力場分布與真實葉根的應(yīng)力場分布基本相同。

（3）該葉根疲勞試驗?zāi)M件可以用于某型燃壓機組透平葉片的疲勞試驗。