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1、湖南電力第3l卷第4期HUNANEICTRICPOWER2011年8月doi：10．3969／j．issn．1008-0198．2011．04．005混流式水輪機(jī)不銹鋼轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力有限元分析謝阿萌。龍毅(湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)摘要：針對(duì)混流式水輪機(jī)組不銹鋼轉(zhuǎn)輪葉片反復(fù)開(kāi)裂的嚴(yán)重問(wèn)題，通過(guò)ANSYS有限元模擬分析轉(zhuǎn)輪葉片制造過(guò)程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力和額定工況運(yùn)行時(shí)葉片的應(yīng)力分布。仿真計(jì)算結(jié)果表明，出水邊焊縫附近是應(yīng)力的峰值區(qū)域，殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力的綜合作用是導(dǎo)致葉片產(chǎn)生疲勞裂紋的根本原因，計(jì)算結(jié)果為設(shè)計(jì)、制造階段焊接殘余應(yīng)力和運(yùn)行階段轉(zhuǎn)輪應(yīng)力測(cè)試提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：
2、混流式水輪機(jī)；葉片裂紋；焊接殘余應(yīng)力；工作應(yīng)力中圖分類號(hào)：TV131．4，TC,404文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008—0198(2011)04-0014．03FiniteelementanalysisofstainlesssteelrunnerbladeinfrancisturbineXIEA-mengLONGYi(HunanElectricPowerCorporationResearchInstitute，Changsha410007，China)Abstract：Therepeatedcrackingofsbdn1esssteelrunnerbladewasaseriousprobl
3、eminfrancisturbine．ThegeneralfiniteelementmethodcodeANSYSwasemployedtosimulateandanalyseweldingresidual8~3"essinrunnerblademanufacturingprocessesandstressdistributioninnominaloperatingconditions．Simulationresultsshowedthatweldareanearthewater'sedgewasinthepeakstressregion．Thecombinedefectofresidua
4、l8trlsandworkstresswastherootcause8offatiguecracks．Thecalculationresultsprovidedabasisfordesign，weldingresidual8tret~testatmanufacturingphaseandwheelstresstestatoperationpha8e．Keywords：francisturbine；bladecracks；weldingresidualstress；workstress水輪機(jī)葉片葉型是空間變截面的曲面形狀，厚大大降低轉(zhuǎn)輪的抗疲勞強(qiáng)度；工作應(yīng)力主要與水輪薄截面相差非常大?；炝魇?/p>
5、轉(zhuǎn)輪葉片通常采用鑄造機(jī)的工作環(huán)境有關(guān)。因此，利用ANSYS有限元軟成型，再經(jīng)過(guò)高維數(shù)控車床精密加工，繼而將葉片件對(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)行與上冠、下環(huán)通過(guò)焊接方式連接為一體。近年來(lái)，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)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)，意義。其轉(zhuǎn)輪的上冠、下環(huán)與葉片焊縫及熱影響區(qū)出水邊1有限元模型的建立附近出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象非常普遍¨】，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，它由浪底、天生橋等水電廠，再如湖南省的大東江、鳳多片葉片組成，葉片既彎又扭，但由于葉片均勻分灘、柘溪水電廠，有些機(jī)組甚
6、至出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片同一布，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，取1片葉片作為研究對(duì)象，圖位置反復(fù)修補(bǔ)反復(fù)開(kāi)裂的嚴(yán)重情況。1是轉(zhuǎn)輪模型的有限元網(wǎng)格劃分。由于葉片與上冠大量資料顯示，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)或葉片與下環(huán)用焊接方法連接，為提高計(jì)算精度，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)域的葉片部作應(yīng)力2種J。內(nèi)應(yīng)力主要來(lái)源于焊接殘余應(yīng)力，分實(shí)體單元較大。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)收稿日期：2011．08．16·14·第31卷第4期謝阿萌等：混流式水輪機(jī)不銹鋼轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力有限元分析2011年8月型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，設(shè)置其對(duì)稱面為絕熱邊界條件，其它各面則按上式施加對(duì)流
7、邊界條件。圖1轉(zhuǎn)輪模型的網(wǎng)格劃分2材料參數(shù)的設(shè)定圖2轉(zhuǎn)輪焊后殘余應(yīng)力分布混流式水輪機(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0Crl3Ni5Mo，由于圖2為轉(zhuǎn)輪焊接后的殘余應(yīng)力分布圖，退火后該材料高溫物理性能和力學(xué)性能參數(shù)不詳，故選用殘余應(yīng)力最大值為317MPa，沿焊縫方向上，殘余與之成分接近的馬氏體不銹鋼1Crl2NiWMoNb代應(yīng)力基本保持在300MPa左右，而在稍微遠(yuǎn)離焊縫替，其物理性能參數(shù)見(jiàn)表1。由
