劉偉達(dá) 畢世英 劉愛(ài)萍

摘要：本文系統(tǒng)地研究了質(zhì)量協(xié)調(diào)及質(zhì)量失諧條件下，組合轉(zhuǎn)子的輪盤(pán)蠕變特性及性能退化機(jī)理。該研究在一定程度上是對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)組合轉(zhuǎn)子性能退化研究理論和方法的發(fā)展和完善，在工程上對(duì)于組合轉(zhuǎn)子的優(yōu)化設(shè)計(jì)及健康診斷等具有一定的指導(dǎo)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(guān)鍵詞：組合轉(zhuǎn)子;輪盤(pán)蠕變;性能退化

Key words： combined rotor;discs creep;performance degradation

中圖分類(lèi)號(hào)：TK267? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）17-0220-03

0? 引言

本文主要以某重型燃?xì)廨啓C(jī)組合轉(zhuǎn)子（即周向拉桿轉(zhuǎn)子）為研究對(duì)象該組合轉(zhuǎn)子，如圖1所示，其組成部分主要有燃燒室、透平端和壓氣機(jī)端，透平端有4級(jí)輪盤(pán)通過(guò)12根拉桿緊密連接為一個(gè)整體，壓氣機(jī)端由17級(jí)輪盤(pán)通過(guò)12根拉桿緊密結(jié)合在一起。

隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)組合轉(zhuǎn)子的運(yùn)行溫度不斷升高，在組合轉(zhuǎn)子承受的高溫及高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大內(nèi)應(yīng)力的作用下，組合轉(zhuǎn)子輪盤(pán)會(huì)發(fā)生蠕變行為，這會(huì)導(dǎo)致輪盤(pán)變薄，拉桿預(yù)緊力降低，組合轉(zhuǎn)子剛度降低，使得組合轉(zhuǎn)子性能產(chǎn)生退化;且當(dāng)組合轉(zhuǎn)子承受諸如偏心質(zhì)量或初始彎曲所產(chǎn)生的不均衡離心應(yīng)力時(shí)，組合轉(zhuǎn)子將發(fā)生蠕變彎曲，而彎曲是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)加劇的最重要原因之一，且極易引發(fā)重大事故。因此，研究組合轉(zhuǎn)子的輪盤(pán)蠕變及蠕變彎曲行為如圖2所示，及其引起組合轉(zhuǎn)子性能退化的機(jī)理，從源頭上找到組合轉(zhuǎn)子退化、彎曲及振動(dòng)加劇的原因，從而保證機(jī)組的正常運(yùn)行，具有十分重要理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

目前針對(duì)組合轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子長(zhǎng)期在高轉(zhuǎn)速、高溫環(huán)境下工作，組合轉(zhuǎn)子輪盤(pán)會(huì)發(fā)生蠕變，引起其性能退化，且由于質(zhì)量失諧組合轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生不平衡離心力，引起蠕變彎曲，對(duì)組合轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性有較大影響，但目前并沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)研究。

1? 組合轉(zhuǎn)子輪盤(pán)蠕變理論分析

在高溫構(gòu)件中，蠕變引起的材料損傷占到了20%以上，應(yīng)力、溫度和時(shí)間是三個(gè)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象必不可少的原因[74]，特別是當(dāng)材料溫度達(dá)到其融化溫度的30%時(shí)，其蠕變效應(yīng)對(duì)材料的影響將不容忽視。從1910年，Andrade第一次進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，首次提出蠕變這一名詞，人們開(kāi)始密切關(guān)注蠕變這一現(xiàn)象，到現(xiàn)在，針對(duì)蠕變的研究已經(jīng)進(jìn)行了100多年，積累了大量的研究方法與手段，目前關(guān)于蠕變的研究方法大致可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是著眼于微觀，重點(diǎn)研究材料的冶煉對(duì)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(lèi)以宏觀實(shí)驗(yàn)為切入點(diǎn)，注重試驗(yàn)的結(jié)果與分析，進(jìn)而建立能反應(yīng)材料蠕變特性的理論模型，這種方法得到了廣泛運(yùn)用，且形成了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。根據(jù)蠕變的宏觀模型，如圖3所示，可以將蠕變變形分為三個(gè)階段：①蠕變初始階段，在該階段，材料發(fā)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(wěn)定階段，在該階段，材料蠕變速率基本穩(wěn)定，且持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，所以又可以將其稱(chēng)為穩(wěn)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?xì)廨啓C(jī)是一種將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為組合轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的內(nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械，這使得組合轉(zhuǎn)子長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下工作，特別是隨著工業(yè)的發(fā)展，組合轉(zhuǎn)子渦輪盤(pán)工作環(huán)境日益增高，渦輪盤(pán)的蠕變失效問(wèn)題愈加受到重視。而且由于組合轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速較高，因此渦輪盤(pán)也產(chǎn)生了較大的離心應(yīng)力，在高溫環(huán)境與離心應(yīng)力的共同作用下，組合轉(zhuǎn)子輪盤(pán)將產(chǎn)生蠕變效應(yīng)。 組合轉(zhuǎn)子輪盤(pán)在高溫、高轉(zhuǎn)速環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，輪盤(pán)有限元熱彈塑性分析中的總應(yīng)變由彈性應(yīng)變、熱應(yīng)變及塑形應(yīng)變?nèi)糠纸M成：

式中，？著total為總應(yīng)變，？著el為彈性應(yīng)變，？著pl為塑形應(yīng)變，？著th為熱應(yīng)變。本文中主要研究輪盤(pán)蠕變效應(yīng)，組合轉(zhuǎn)子在恒定溫度環(huán)境下工作，不考慮熱應(yīng)變對(duì)其影響。且本文研究的組合轉(zhuǎn)子在額定工況下運(yùn)行時(shí)（轉(zhuǎn)速3000r/min），輪盤(pán)并未發(fā)生屈服，因此可以用蠕變應(yīng)變？著cr代替塑形應(yīng)變？著pl，因此可得：

因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)組合轉(zhuǎn)子蠕變時(shí)間長(zhǎng)，大部分時(shí)間處于蠕變穩(wěn)定階段，且由于Norton蠕變模型結(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)單，所需參數(shù)也較易通過(guò)測(cè)試獲得，在工程上被廣泛使用，同時(shí)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(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選用最小二乘法，計(jì)算Norton模型參數(shù)得出如表1結(jié)論。

2? 組合轉(zhuǎn)子輪盤(pán)蠕變仿真分析

根據(jù)組合轉(zhuǎn)子各部分溫度分布規(guī)律及應(yīng)力分布情況，進(jìn)而對(duì)其蠕變特性進(jìn)行分析。

對(duì)組合轉(zhuǎn)子施加溫度載荷時(shí)，考慮工程實(shí)際，對(duì)組合轉(zhuǎn)子進(jìn)行熱分析，得到組合轉(zhuǎn)子運(yùn)行過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布云圖如圖4，由圖可知：組合轉(zhuǎn)子燃燒室部分溫度最高，溫度最高點(diǎn)為566℃，并從燃燒部分向兩端（透平端、壓氣機(jī)端）溫度逐漸降低，透平部分的溫度整體較壓氣機(jī)部分高，組合轉(zhuǎn)子徑向及周向溫度變化較小。根據(jù)工程上不同溫度下輪盤(pán)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(zhuǎn)子各溫度下的彈性模量的具體數(shù)值，從而進(jìn)行蠕變分析。

組合轉(zhuǎn)子由于輪盤(pán)蠕變發(fā)生頂心事故或其它故障，主要是由輪盤(pán)最外緣引起，因此選取蠕變數(shù)據(jù)采集點(diǎn)在輪盤(pán)伸長(zhǎng)量最大的輪盤(pán)最外緣位置，圖5給出了蠕變數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的位置。

實(shí)際工況中，組合轉(zhuǎn)子輪盤(pán)內(nèi)應(yīng)力主要由組合轉(zhuǎn)子徑向溫度不均產(chǎn)生的熱應(yīng)力、旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心應(yīng)力及葉片對(duì)輪盤(pán)產(chǎn)生的附加應(yīng)力共同組成，本文主要研究組合轉(zhuǎn)子離心應(yīng)力對(duì)于輪盤(pán)蠕變的影響，因此以組合轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速為3000r/min為例計(jì)算，利用Ansys對(duì)輪盤(pán)進(jìn)行靜應(yīng)力分析，運(yùn)行時(shí)應(yīng)力分布如圖6，輪盤(pán)運(yùn)行時(shí)應(yīng)力最大點(diǎn)集中出現(xiàn)在燃燒室部分，且輪盤(pán)軸心部分應(yīng)力較大，離心應(yīng)力隨著徑向半徑的增大而減小，在具有凹槽處有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

利用Ansys有限元分析軟件，針對(duì)組合轉(zhuǎn)子模型，在上述給定溫度環(huán)境及應(yīng)力條件下，進(jìn)行蠕變分析，計(jì)算組合轉(zhuǎn)子蠕變應(yīng)變值，如圖7所示為組合轉(zhuǎn)子輪盤(pán)蠕變應(yīng)變圖，如圖8為各采集點(diǎn)蠕變伸長(zhǎng)量曲線(xiàn)。

由圖7及圖8可以看出：

①組合轉(zhuǎn)子發(fā)生蠕變的主要區(qū)域?yàn)槿紵掖蟛糠謪^(qū)域及與之相鄰的透平端及壓氣機(jī)端部分區(qū)域，原因是該區(qū)域溫度較高;②組合轉(zhuǎn)子各采集點(diǎn)蠕變量均隨時(shí)間緩慢增加，且各觀測(cè)點(diǎn)蠕變速率隨著時(shí)間的增加有緩慢減小趨勢(shì)，且前10000h蠕變速率降低較快，這是因?yàn)殡S著輪盤(pán)蠕變的發(fā)生，其應(yīng)力會(huì)有松弛，前10000h應(yīng)力松弛速率較快;③透平端第一級(jí)蠕變速率最快，在80000h時(shí)蠕變量達(dá)到了0.5mm，結(jié)論可以為燃?xì)廨啓C(jī)組合轉(zhuǎn)子與外殼間隙值提供設(shè)計(jì)據(jù)。

3? 結(jié)論

組合轉(zhuǎn)子長(zhǎng)期處于高溫、高轉(zhuǎn)速的復(fù)雜工況下，其輪盤(pán)將發(fā)生蠕變，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致組合轉(zhuǎn)子性能退化。本文針對(duì)組合轉(zhuǎn)子具有接觸界面這一特殊結(jié)構(gòu)，研究了組合轉(zhuǎn)子輪盤(pán)蠕變特性，研究了輪盤(pán)蠕變引起質(zhì)量協(xié)調(diào)及失諧組合轉(zhuǎn)子性能退化的機(jī)理，可以為燃?xì)廨啓C(jī)組合轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、健康檢測(cè)及故障預(yù)測(cè)提供重要參考依據(jù)，具有極其重要的工程應(yīng)用和理論價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：劉偉達(dá)（1981-），男，湖南漣源人，高級(jí)工程師，碩士研究生，從事機(jī)械設(shè)計(jì)方向的研究;畢世英（1978-），女，山東濰坊人，講師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)方向的研究。