茍小平 范志飛 蒲守武

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000）

0 引言

隨著國家對電力行業(yè)節(jié)能環(huán)保的要求， 現(xiàn)在的火電站汽輪機(jī)已經(jīng)朝著高參數(shù)、 大功率方向發(fā)展。 汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)的提高， 有利于提高循環(huán)效率， 降低熱耗等。 但蒸汽參數(shù)的提高也導(dǎo)致高溫級次動葉片的工作環(huán)境更加惡劣。 傳統(tǒng)的動葉片材料已不能滿足汽輪機(jī)動葉片長期安全運(yùn)行的要求。

N80A 是一種高溫鎳基合金， 具有強(qiáng)度高、 耐腐蝕性能和抗氧化性能優(yōu)異的特點， 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。 但N80A 材料也有一個特點， 線膨脹系數(shù)比常規(guī)的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料高很多，對N80A 高溫級次動葉片的設(shè)計需要考慮如何解決葉片和葉輪線膨脹系數(shù)差異較大， 變形不協(xié)調(diào)的問題。

另外， 動葉片的工作溫度已經(jīng)超過了600 ℃。葉片和葉輪材料的高溫蠕變特性也需要考慮。 目前學(xué)者們對汽輪機(jī)高溫葉片的蠕變特性也做了大量研究。 謝永慧等提出了采用有限元法對動葉片進(jìn)行蠕變分析的研究思路。 張紅梅采用最小二乘法擬合了不同溫度下N80A 材料的蠕變參數(shù)并初步建立了高溫葉片的蠕變分析流程。

本文將以大功率汽輪機(jī)高壓第1 級動葉為例，介紹了N80A 材料動葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點， 并利用諾頓冪律公式結(jié)合有限元法對N80A 葉片和葉輪的蠕變特性進(jìn)行分析。 本文中采用的蠕變特性分析方法以及葉根輪槽型線的設(shè)計理念對后續(xù)高溫葉片的研制具有一定指導(dǎo)意義。

1 N80A 葉片結(jié)構(gòu)特點

汽輪機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要考慮葉片本身的常規(guī)強(qiáng)度， 同時也要兼顧葉輪的強(qiáng)度是否滿足設(shè)計要求。 由于N80A 葉片的工作溫度較高， 綜合葉片和葉輪的常規(guī)強(qiáng)度， 葉根輪槽型線選取具有大承載能力的雙T 型葉根， 其輪槽型線如圖1所示， 圖2 為圖1 中葉根輪槽型線從上往下第1工作齒的局部放大圖（紅色區(qū)域）。

圖1 雙T 型葉根輪槽型線

圖2 葉根輪槽第1 工作齒局部放大圖

由于N80A 材料的線膨脹系數(shù)比葉輪材料的高很多。 因此雙T 型葉根需要特殊設(shè)計， 以避免汽輪機(jī)運(yùn)行過程中葉根膨脹太快， 導(dǎo)致葉根輪槽工作齒接觸部位產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)。 解決的方法是在葉根輪槽第1 工作齒處設(shè)計名義間隙S（見圖2），S的計算見式（1）。

式中：L為葉根上下2 個工作齒之間的豎直距離；a1和a2分別為N80A 葉片材料和轉(zhuǎn)子材料工作溫度下的線膨脹系數(shù)；T為工作溫度。

2 高溫蠕變分析

材料在高溫下的蠕變特性一般分為3 個階段。第1 階段的蠕變速率逐漸降低， 第2 階段也是時間跨度最長的1 個階段， 材料的蠕變速率保持不變， 第3 個階段材料的蠕變速率迅速增加并最終導(dǎo)致材料失效。

運(yùn)用諾頓冪律公式計算蠕變應(yīng)變， 見式（2）。

式中：ε˙c為第2 階段蠕變速率，σ為Von Mises 應(yīng)力，A和n為材料相關(guān)常數(shù)， 這2 個常數(shù)可通過2組實驗蠕變速率和應(yīng)力值聯(lián)立方程求得。

蠕變速率遵循諾頓冪律公式的材料其蠕變斷裂時間t與應(yīng)力σ的關(guān)系通?？捎肕onkman-Grant 冪律公式來模擬， 見式（3）。

通過2 組材料的持久強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以聯(lián)立求得式（3）的常數(shù)A和B。

N80A 葉片和葉輪的蠕變特性分析在ABAQUS中完成。 計算只選取1 只葉片和對應(yīng)葉輪扇區(qū)，模型施加循環(huán)對稱邊界條件， 并對葉片和葉輪進(jìn)行了30 年的蠕變模擬， 得到了高溫蠕變后葉片和葉輪的等效應(yīng)力分布， 如圖3～4 所示。 其中， 葉片的最大等效應(yīng)力位于葉根出汽側(cè)第2 工作齒靠近背弧側(cè)， 應(yīng)力值為163.6 MPa； 葉輪最大等效應(yīng)力位于葉輪出汽側(cè)第2 工作齒上， 應(yīng)力值為95.4 MPa。

圖3 葉片經(jīng)過30 年蠕變后的Von Mises 應(yīng)力分布

圖4 葉輪30 年蠕變后的Von Mises 應(yīng)力分布

圖5 為葉片和葉輪在蠕變時期內(nèi)的最高Von Mises 應(yīng)力和其對應(yīng)材料的蠕變斷裂時間曲線。 可以看出， 葉片和葉輪的實際最大應(yīng)力在整個蠕變時期內(nèi)均低于各自材料的蠕變斷裂極限應(yīng)力。 這表明N80A 葉片和葉輪在工作溫度下連續(xù)工作的壽命超過30 年。

圖5 葉片和葉輪在工作溫度下的蠕變斷裂曲線和實際應(yīng)力

3 結(jié)論

通過對葉根輪槽型線的特殊設(shè)計， 解決了N80A 葉片材料與轉(zhuǎn)子材料線膨脹系數(shù)差異較大導(dǎo)致的高溫膨脹變形不協(xié)調(diào)問題。

采用有限元法分析了N80A 葉片和葉輪的高溫蠕變特性， 結(jié)果表明N80A 葉片和葉輪的高溫蠕變壽命超過30 年。