混流式水轮机不锈钢转轮叶片应力有限元分析

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1、湖南电力第3l卷第4期HUNANEICTRICPOWER2011年8月doi：10．3969／j．issn．1008-0198．2011．04．005混流式水轮机不锈钢转轮叶片应力有限元分析谢阿萌。龙毅(湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙410007)摘要：针对混流式水轮机组不锈钢转轮叶片反复开裂的严重问题，通过ANSYS有限元模拟分析转轮叶片制造过程中产生的焊接残余应力和额定工况运行时叶片的应力分布。仿真计算结果表明，出水边焊缝附近是应力的峰值区域，残余应力和工作应力的综合作用是导致叶片产生疲劳裂纹的根本原因，计算结果为设计、制造阶段焊接残余应力和运行阶段转轮应力测试提供了依据。关键词：

2、混流式水轮机；叶片裂纹；焊接残余应力；工作应力中图分类号：TV131．4，TC,404文献标识码：A文章编号：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水轮机叶片叶型是空间变截面的曲面形状，厚大大降低转轮的抗疲劳强度；工作应力主要与水轮薄截面相差非常大。混流式

5、转轮叶片通常采用铸造机的工作环境有关。因此，利用ANSYS有限元软成型，再经过高维数控车床精密加工，继而将叶片件对混流式水轮机焊接残余应力场和动应力场进行与上冠、下环通过焊接方式连接为一体。近年来，数值模拟，对防止叶片裂纹的产生具有重要的指导很多大中型混流式水轮机组在运行较短的时间内，意义。其转轮的上冠、下环与叶片焊缝及热影响区出水边1有限元模型的建立附近出现裂纹的现象非常普遍¨】，如国外的俄罗斯布拉兹格、美国大古力水电厂，国内的岩滩、小混流式水轮机转轮的实际结构非常复杂，它由浪底、天生桥等水电厂，再如湖南省的大东江、凤多片叶片组成，叶片既弯又扭，但由于叶片均匀分滩、柘溪水电厂，有些机组甚

6、至出现转轮叶片同一布，为了简化计算，取1片叶片作为研究对象，图位置反复修补反复开裂的严重情况。1是转轮模型的有限元网格划分。由于叶片与上冠大量资料显示，水轮机转轮叶片的应力状态对或叶片与下环用焊接方法连接，为提高计算精度，其开裂有很大的影响，应力来源主要有内应力和工焊缝区附近网格划分较密，而远离此区域的叶片部作应力2种J。内应力主要来源于焊接残余应力，分实体单元较大。它是在转轮结构制造过程中产生的，残余拉应力会收稿日期：2011．08．16·14·第31卷第4期谢阿萌等：混流式水轮机不锈钢转轮叶片应力有限元分析2011年8月型为对称结构，设置其对称面为绝热边界条件，其它各面则按上式施加对流

7、边界条件。图1转轮模型的网格划分2材料参数的设定图2转轮焊后残余应力分布混流式水轮机转轮的材料主要是低碳马氏体铸造不锈钢，其常用钢材牌号为0Crl3Ni5Mo，由于图2为转轮焊接后的残余应力分布图，退火后该材料高温物理性能和力学性能参数不详，故选用残余应力最大值为317MPa，沿焊缝方向上，残余与之成分接近的马氏体不锈钢1Crl2NiWMoNb代应力基本保持在300MPa左右，而在稍微远离焊缝替，其物理性能参数见表1。由