某型透平葉片葉根疲勞試驗模擬件設計

丁繼偉 李 巖 姜東坡

（哈爾濱電氣股份有限公司，黑龍江 哈爾濱150028）

由于透平葉片工作在高轉速、高溫、高壓的環境中，在機組的反復啟停機過程中，極易發生疲勞破壞[1-3]。整支葉片開展疲勞試驗研究，成本過高，目前國內針對葉根疲勞試驗模擬件進行了大量的研究[4，5]。對某型燃壓透平葉片的葉根，設計了一種帶冷卻通道的疲勞試驗模擬件，通過拉伸機的拉力來模擬旋轉離心力，并利用有限元工具，對該疲勞試驗模擬件進行了應力場的分析，經對比，該疲勞試驗模擬件的應力場與真實該型燃壓透平葉片葉根的應力場趨勢相同、大小接近。

1 葉根疲勞試驗模擬件設計

由于燃燒室的出口溫度過高，燃氣輪機的透平葉片往往具有內部冷卻的通道，某型燃壓機組透平葉片的葉根底部共有四個冷卻通道的入口，這些冷卻通道的入口將影響到葉根的應力分布及疲勞壽命。所以在葉根疲勞試驗模擬件的設計中，考慮了冷卻通道的影響。

圖1 某燃壓透平葉片葉根疲勞試驗模擬件實體圖

某型燃壓機組透平葉片葉根疲勞試驗模擬件的三維設計圖如圖1 所示。以真實葉根的一個冷卻通道入口為疲勞試驗模擬件的主體，為了裝配方便，采用雙頭葉根形式，為了保證冷卻通道位置的應力場分布準確，保留了部分兩側冷卻通道入口的結構。

2 數值仿真模型

2.1 幾何建模

所建立的夾具與模擬件裝配模型如圖2 所示。為了能夠模擬葉根疲勞試驗模擬件在拉伸機上的應力狀態，建立了與疲勞試驗模擬件相適應的夾具。

2.2 網格劃分

以結構化的六面體網格為主，五面體網格作為過渡，并且在夾具與葉根接觸的位置，采用了三層網格加密，以保證接觸位置的收斂及結果的準確?？ň叩目偩W格數為10.6 萬個，其中六面體網格10.5 萬個，五面體網格1000 個；試驗模擬件的總網格數為4.5 萬個，六面體網格4.39 萬個，五面體網格1000 個。網格模型如圖3、4 所示。

圖2 夾具與疲勞試驗模擬件裝配模型

圖3 夾具的網格模型模型

圖4 葉根疲勞試驗模擬件的網格模型模型

2.3 材料

葉片所使用的材料為K444，在900℃以下使用。該金屬具有良好的高溫強度和耐腐蝕性能，主要用于精密鑄造葉片。材料屬性如表所示。

K444 的材料屬性

2.4 邊界條件及載荷

在卡具與葉根疲勞試驗模擬件之間建立接觸，法向為硬接觸，切向為摩擦系數0.1 的接觸，設置一個卡具底面為剛體約束。接觸、邊界的設置如圖5 所示。在未設置剛體約束的另一個卡具底面施加全位移約束，在施加剛體約束的底面施加9100 牛的集中力，該力為估算得出。所施加的邊界及載荷如圖6 所示。

圖5 接觸設置

圖6 邊界條件及載荷

3 數值仿真結果分析

卡具、試驗模擬件的計算結果如圖7、8 所示。從圖7 可以看出：卡具的應力場分布較為均勻，最大應力位置發生在第四齒的縮頸處，大小為820Mpa，安全系數為1.27，其余位置的應力普遍在300-400Mpa 之間，卡具的強度滿足要求。

由圖8 可知，葉根疲勞試驗模擬件的葉齒縮頸位置處的應力較大，最大應力發生在葉根疲勞試驗模擬件的第一縮頸處，大小約為940Mpa，該葉根疲勞試驗模擬件的應力場分布與整支葉片計算時葉根的應力分布及機組實際測量的應力場分布基本相同。所以該葉根疲勞試驗模擬件可以作為某型燃壓機組透平葉片的葉根疲勞試驗件。

圖7 卡具的應力場分布

圖8 葉根疲勞試驗模擬件的應力場分布

4 結論

本文首先設計了一種用于某型燃壓機組透平葉片疲勞試驗的模擬件，然后對該模擬件進行了應力場的分析，可得到如下結論：

（1）卡具的應力場較為均勻合理，且滿足強度要求。

（2）葉根疲勞試驗模擬件的應力場分布與真實葉根的應力場分布基本相同。

（3）該葉根疲勞試驗模擬件可以用于某型燃壓機組透平葉片的疲勞試驗。