謝阿萌，龍毅

(湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410007)

水輪機(jī)葉片葉型是空間變截面的曲面形狀，厚薄截面相差非常大?；炝魇睫D(zhuǎn)輪葉片通常采用鑄造成型，再經(jīng)過(guò)高維數(shù)控車(chē)床精密加工，繼而將葉片與上冠、下環(huán)通過(guò)焊接方式連接為一體。近年來(lái)，很多大中型混流式水輪機(jī)組在運(yùn)行較短的時(shí)間內(nèi)，其轉(zhuǎn)輪的上冠、下環(huán)與葉片焊縫及熱影響區(qū)出水邊附近出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象非常普遍〔1-2〕，如國(guó)外的俄羅斯布拉茲格、美國(guó)大古力水電廠，國(guó)內(nèi)的巖灘、小浪底、天生橋等水電廠，再如湖南省的大東江、鳳灘、柘溪水電廠，有些機(jī)組甚至出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片同一位置反復(fù)修補(bǔ)反復(fù)開(kāi)裂的嚴(yán)重情況。

大量資料顯示，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)其開(kāi)裂有很大的影響，應(yīng)力來(lái)源主要有內(nèi)應(yīng)力和工作應(yīng)力2種〔3〕。內(nèi)應(yīng)力主要來(lái)源于焊接殘余應(yīng)力，它是在轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中產(chǎn)生的，殘余拉應(yīng)力會(huì)大大降低轉(zhuǎn)輪的抗疲勞強(qiáng)度;工作應(yīng)力主要與水輪機(jī)的工作環(huán)境有關(guān)。因此，利用ANSYS有限元軟件對(duì)混流式水輪機(jī)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)和動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)防止葉片裂紋的產(chǎn)生具有重要的指導(dǎo)意義。

1 有限元模型的建立

混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的實(shí)際結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，它由多片葉片組成，葉片既彎又扭，但由于葉片均勻分布，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，取1片葉片作為研究對(duì)象，圖1是轉(zhuǎn)輪模型的有限元網(wǎng)格劃分。由于葉片與上冠或葉片與下環(huán)用焊接方法連接，為提高計(jì)算精度，焊縫區(qū)附近網(wǎng)格劃分較密，而遠(yuǎn)離此區(qū)域的葉片部分實(shí)體單元較大。

圖1 轉(zhuǎn)輪模型的網(wǎng)格劃分

2 材料參數(shù)的設(shè)定

混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的材料主要是低碳馬氏體鑄造不銹鋼，其常用鋼材牌號(hào)為0Cr13Ni5Mo，由于該材料高溫物理性能和力學(xué)性能參數(shù)不詳，故選用與之成分接近的馬氏體不銹鋼1Cr12NiWMoNb代替，其物理性能參數(shù)見(jiàn)表1。由于焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)是瞬態(tài)非線性的，因此模型中所用到的材料特性參數(shù)選取在不同的溫度下對(duì)應(yīng)不同的數(shù)值，利用插值法進(jìn)行數(shù)學(xué)逼近，擬合成隨溫度變化的關(guān)聯(lián)參數(shù)。另外，由于材料的密度隨溫度變化的趨勢(shì)不明顯，因此取其室溫下的數(shù)值 (7.8×103kg/m3)作為常數(shù)項(xiàng)。

表11 Cr12NiWMoNb材料物理性能

3 焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值分析

為實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)輪拼裝焊接過(guò)程的模擬分析，定義其初始條件和邊界條件為:

(1)依據(jù)焊接工藝評(píng)定及規(guī)范，對(duì)施焊焊縫預(yù)熱至150℃，通過(guò)節(jié)點(diǎn)施加于焊縫上，其余部分取室溫20℃。

(2)焊接材料與轉(zhuǎn)輪本體材料相同，故分析過(guò)程中不考慮相變引起的焊接殘余應(yīng)力，主要分析焊接過(guò)程中熱變形引起的焊接殘余應(yīng)力。

(3)焊接過(guò)程中，工件表面與周?chē)h(huán)境存在溫差，故工件表面發(fā)生對(duì)流換熱現(xiàn)象，考慮總的換熱系數(shù)α，邊界換熱損失q可表示為q=ΔT，ΔT為工件表面與周?chē)鷼怏w的溫度差。計(jì)算時(shí)，由于該模型為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，設(shè)置其對(duì)稱(chēng)面為絕熱邊界條件，其它各面則按上式施加對(duì)流邊界條件。

圖2 轉(zhuǎn)輪焊后殘余應(yīng)力分布

圖2為轉(zhuǎn)輪焊接后的殘余應(yīng)力分布圖，退火后殘余應(yīng)力最大值為317 MPa，沿焊縫方向上，殘余應(yīng)力基本保持在300 MPa左右，而在稍微遠(yuǎn)離焊縫的母材區(qū)域，應(yīng)力迅速下降至50 MPa以下。

4 動(dòng)應(yīng)力數(shù)值分析

使用有限元方法計(jì)算固定部件振動(dòng)耦合問(wèn)題時(shí)，由于在流-固耦合面上，結(jié)構(gòu)振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生流體負(fù)載，且同時(shí)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)附加力，因此必須同時(shí)從動(dòng)力學(xué)方程和流體域的波動(dòng)方程〔4-5〕來(lái)加以計(jì)算。為便于分析，本文假定:

(l)流體介質(zhì)粘性系數(shù)為0，即介質(zhì)無(wú)粘性，無(wú)粘性能量耗散。

(2)流體介質(zhì)為微可壓縮理想流體，即波動(dòng)介質(zhì)密度隨著壓力的改變而改變。

(3)在聲波傳播過(guò)程中，流體狀態(tài)變化過(guò)程是絕熱的，無(wú)熱量損失。

(4)在沒(méi)有擾動(dòng)時(shí)，即初速度為零，同時(shí)流體是均勻的，故流體中靜態(tài)壓強(qiáng)P0、靜態(tài)密度都是常數(shù)ρ0。

動(dòng)應(yīng)力的計(jì)算，實(shí)際上屬于水動(dòng)力學(xué)與彈性力學(xué)交叉的復(fù)雜問(wèn)題，為盡可能地確保流固耦合分析的精確性，在對(duì)工作應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，定義邊界條件如下:

(1)進(jìn)口條件:進(jìn)口壓力按靜壓給定，即按水輪機(jī)的額定水頭高度對(duì)水輪機(jī)所施加的壓強(qiáng)給定。

(2)出口條件:出口速度分量按第二類(lèi)邊界條件;出口壓力按靜壓給定，即按尾水壓力給定;出口流量按出口的平均值給定。

(3)固壁條件:固壁面的流動(dòng)速度為零。

圖3 轉(zhuǎn)輪葉片動(dòng)應(yīng)力分布

圖3為轉(zhuǎn)輪工作應(yīng)力應(yīng)力分布圖，葉片最大工作應(yīng)力為442 MPa，位于進(jìn)水邊葉片與下環(huán)的接頭處。另外，在葉片出水邊與下環(huán)、上冠的連接部位也出現(xiàn)較大的應(yīng)力，其值分別達(dá)到380 MPa和240 MPa。

5 結(jié)論

(1)轉(zhuǎn)輪的焊接殘余應(yīng)力和額定工況運(yùn)行時(shí)葉片的應(yīng)力有限元計(jì)算結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)輪焊縫附近確實(shí)存在著很大的殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力，最大值分別為317 MPa和442 MPa，出現(xiàn)在接近出水邊的焊縫上，與實(shí)際葉片裂紋出現(xiàn)的位置相比較，兩者基本相符。

(2)0Cr13Ni5Mo馬氏體鑄造不銹鋼的屈服強(qiáng)度σs在800 MPa以上〔6〕，故殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力都尚未達(dá)到材料的屈服極限，轉(zhuǎn)輪開(kāi)裂基本屬于疲勞開(kāi)裂，分析結(jié)果較好地解釋水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展失效行為。

(3)計(jì)算結(jié)果為轉(zhuǎn)輪在設(shè)計(jì)時(shí)考慮焊接殘余應(yīng)力對(duì)轉(zhuǎn)輪壽命的影響提供了參考;另外，也為轉(zhuǎn)輪葉片動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)提供了理論依據(jù)。

〔1〕王遠(yuǎn)江．鹽灘與李家峽水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋的原因和處理〔J〕．水力發(fā)電．1999，(5):43-45．

〔2〕錢(qián)勤，陳喜陽(yáng)，劉倫洪，等．李家峽1號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)及機(jī)理分析〔J〕．水力發(fā)電學(xué)報(bào)．2006，25(4):131-134．

〔3〕姬書(shū)得，方洪淵，劉雪松．混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪簡(jiǎn)化模型焊接應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬〔J〕．焊接學(xué)報(bào)．2004，25， (4):108-110．

〔4〕張建強(qiáng)，趙海燕，等．焊接過(guò)程三維應(yīng)力變形數(shù)值模擬研究進(jìn)展〔J〕．焊接學(xué)報(bào)．2003，24(5):91-96．

〔5〕羅偉文，陳遠(yuǎn)玲，王小純．基于流固耦合振動(dòng)分析的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋及制造過(guò)程研究〔J〕．機(jī)械制造．2007，45(5):46-49．

〔6〕郭紅梅．水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋成因及對(duì)策〔J〕．小水電．2005，(6):12-13．

〔7〕程良駿．水輪機(jī)〔M〕．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1981．