超速预应力技术在透平机械中的应用

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第17卷第1期《燃气轮机技术》Vo1．17No．121304年3月GASTUI~INETECHNOLOGYMar．，2OO4超速预应力技术在透平机械中的应用郑捷简，蒋本浩2，顾建刚2(1．南京燃气轮机研究所，江苏南京210037；2．南京林业大学，江苏南京210000)摘要：简述了超速预应力技术在透平机械中的应用与发展，并以美国GE公司燃气轮机的透平为例叙述了它的试验过程、工作机理和所得的好处。根据作者的实践叙述了超速试验设备轴系的结构特点、经验和体会。最后对该项技术和设备的

2、应用及发展作了探讨。关键词：透平机械；预应力技术；超速试验机中图分类号：TK477；TH114文献标识码：B文章编号：1009—2889{2004}01—0030一o4介绍美国GE公司用于燃气轮机的超速预应力技0前言术。超速预应力技术在透平机械上的应用始于二十1GE公司燃气轮机轮盘的超速试验世纪五十年代。美国GE公司在机车燃气轮机的透过程平出现二次爆炸后，采用该技术有效地防止了该事故的再次发生。与此同时，前苏联的卡鲁加透平工超速预应力试验如图1所示，试验是在专用的厂也应用了此类技术生产五万千瓦以下的各种类型超速试验机内进行

3、。试件需进行热试验和冷试验，汽轮机轮盘，不但使轮盘的工作应力大幅度下降，而并在真空环境中进行。且可使用强度匕较低、塑性较好的钢材，轮盘可做得1．1热试验程序较薄较轻，其制造费用几乎降低了一半。转子工作转子先在100～200转／分的低速下进行加热，更为可靠，寿命也更长。以后该技术又在型号K一温度升到l77℃后再升高转速到规定的热超速转速1200—240百万千瓦的超高压大功率的汽轮机转子以产生塑性变形区。在该转速下停留十分钟以保证上应用。充分的塑性变形并消除存在的内应力，即所谓的机自该项技术出现至今已有五十年，在透平机械械除应

4、力方法。升速中转速达50％热超速转速以行业中，应用的企业愈来愈多。美国有GE公司，上时要求轮缘和轮孑L内壁的温度差不大于5℃。以ExcelloTuxbfineProducts，IngersollandCo．等，英国有后再降低转速到100～200转／分，进行降温冷却。R．R公司，法国有Alstom公司，意大利有Nuovo在这一阶段即为热试验。Pignone公司，瑞士有ABB公司，日本有日立、三菱重1．2冷试验程序工业等公司，俄罗斯有卡鲁加透平工厂，捷克有Sko—转子在低速下的冷却分为二步。第一步用氮气da工厂。冷却转子到正常

5、温度后，再喷入液氮以冷却到低温。这种方法不但用在汽轮机和燃气轮机上，并且按要求这个低温可以是一18~C、一30~C或一40qC。推广到其他透平行业，如压缩机、泵、增压器、膨胀当冷却到所要求的低温时，抽真空。此后转子再度机、空调叶轮等以及非透平行业的旋转件，如离心升速。在到达冷超速转速后，停留1分钟，再降速到机、飞轮、离合器、锯片、砂轮、高速电机转子等。低速，最后加热转子到环境温度，然后破坏真空后停从目前的趋势来看，涉及的产品不断增加，前景机。整个过程约为6～20小时。完全由计算机控看好。为了使大家了解该项技术的具体内容，下

6、面制，按设定的程序进行。收稿日期：2003-．08—19维普资讯http://www.cqvip.com第1期超速预应力技术在透平机械中的应用3l图1GE公司燃气轮机超速预应力试验过程2工作原理仍具6-：：：1．93的安全系数。当缺陷前端建立起微观塑性区后，裂纹尖端的2．1热试验——增强试验(Autofrettage)锐角变钝，应力集中的程度减轻，而且由于周围材料热试验的目的是在透平轮盘内孔建立宏观的环的弹性收缩形成的压应力又使裂纹的扩张受到限形塑性区和在缺陷前端建立微观的塑性区(图2)。制。同时由于塑性变形强化了材料，?

7、肖除了部分内这些缺陷可以在环形塑性区内或外存在，加热的温应力；特别是环形塑性变形区内的缺陷，由于应力的减少，裂纹更是不易扩张或发展。GE公司的实验指出：在热态时，对有裂纹试件加载，它们在低温时材一雾(Nm一)图2宏观和微观塑性区度必须大于材料的全塑性温度。在这个温度下材料有最大塑性，不致产生裂纹或扩张裂纹。当试验结束后塑性区外弹性区材料的弹性恢复(收缩)在塑性区内产生压应力。这个压应力可以抵消一大部分工J全脆性温度2全塑性温度温厦T℃作转速时孔内产生的拉伸应力，例如GE公司5000图3断裂分析FAD系列燃机的轮盘原来轮孔边

8、按弹性计算的拉伸应力料变脆的条件下的破坏应力随热态时的加载程度而为660MPa，超速变形后孔边产生350MPa的残余压变化(图3)。加载程度愈高，破坏应力也愈大。因应力，相互抵消后就只剩下310MPa的拉应力。这样此，热试验可以提高裂纹冷态时的破坏应力。就可使用屈服强度0"02为600MPa的1％CrM