N80A 鎳基高溫葉片的研制

茍小平 范志飛 蒲守武

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

0 引言

隨著國家對電力行業節能環保的要求， 現在的火電站汽輪機已經朝著高參數、 大功率方向發展。 汽輪機蒸汽參數的提高， 有利于提高循環效率， 降低熱耗等。 但蒸汽參數的提高也導致高溫級次動葉片的工作環境更加惡劣。 傳統的動葉片材料已不能滿足汽輪機動葉片長期安全運行的要求。

N80A 是一種高溫鎳基合金， 具有強度高、 耐腐蝕性能和抗氧化性能優異的特點， 已經廣泛應用于航空航天等領域。 但N80A 材料也有一個特點， 線膨脹系數比常規的汽輪機轉子材料高很多，對N80A 高溫級次動葉片的設計需要考慮如何解決葉片和葉輪線膨脹系數差異較大， 變形不協調的問題。

另外， 動葉片的工作溫度已經超過了600 ℃。葉片和葉輪材料的高溫蠕變特性也需要考慮。 目前學者們對汽輪機高溫葉片的蠕變特性也做了大量研究。 謝永慧等提出了采用有限元法對動葉片進行蠕變分析的研究思路。 張紅梅采用最小二乘法擬合了不同溫度下N80A 材料的蠕變參數并初步建立了高溫葉片的蠕變分析流程。

本文將以大功率汽輪機高壓第1 級動葉為例，介紹了N80A 材料動葉片的結構設計特點， 并利用諾頓冪律公式結合有限元法對N80A 葉片和葉輪的蠕變特性進行分析。 本文中采用的蠕變特性分析方法以及葉根輪槽型線的設計理念對后續高溫葉片的研制具有一定指導意義。

1 N80A 葉片結構特點

汽輪機葉片的結構設計不僅要考慮葉片本身的常規強度， 同時也要兼顧葉輪的強度是否滿足設計要求。 由于N80A 葉片的工作溫度較高， 綜合葉片和葉輪的常規強度， 葉根輪槽型線選取具有大承載能力的雙T 型葉根， 其輪槽型線如圖1所示， 圖2 為圖1 中葉根輪槽型線從上往下第1工作齒的局部放大圖（紅色區域）。

圖1 雙T 型葉根輪槽型線

圖2 葉根輪槽第1 工作齒局部放大圖

由于N80A 材料的線膨脹系數比葉輪材料的高很多。 因此雙T 型葉根需要特殊設計， 以避免汽輪機運行過程中葉根膨脹太快， 導致葉根輪槽工作齒接觸部位產生高應力區。 解決的方法是在葉根輪槽第1 工作齒處設計名義間隙S（見圖2），S的計算見式（1）。

式中：L為葉根上下2 個工作齒之間的豎直距離；a1和a2分別為N80A 葉片材料和轉子材料工作溫度下的線膨脹系數；T為工作溫度。

2 高溫蠕變分析

材料在高溫下的蠕變特性一般分為3 個階段。第1 階段的蠕變速率逐漸降低， 第2 階段也是時間跨度最長的1 個階段， 材料的蠕變速率保持不變， 第3 個階段材料的蠕變速率迅速增加并最終導致材料失效。

運用諾頓冪律公式計算蠕變應變， 見式（2）。

式中：ε˙c為第2 階段蠕變速率，σ為Von Mises 應力，A和n為材料相關常數， 這2 個常數可通過2組實驗蠕變速率和應力值聯立方程求得。

蠕變速率遵循諾頓冪律公式的材料其蠕變斷裂時間t與應力σ的關系通常可用Monkman-Grant 冪律公式來模擬， 見式（3）。

通過2 組材料的持久強度數據可以聯立求得式（3）的常數A和B。

N80A 葉片和葉輪的蠕變特性分析在ABAQUS中完成。 計算只選取1 只葉片和對應葉輪扇區，模型施加循環對稱邊界條件， 并對葉片和葉輪進行了30 年的蠕變模擬， 得到了高溫蠕變后葉片和葉輪的等效應力分布， 如圖3～4 所示。 其中， 葉片的最大等效應力位于葉根出汽側第2 工作齒靠近背弧側， 應力值為163.6 MPa； 葉輪最大等效應力位于葉輪出汽側第2 工作齒上， 應力值為95.4 MPa。

圖3 葉片經過30 年蠕變后的Von Mises 應力分布

圖4 葉輪30 年蠕變后的Von Mises 應力分布

圖5 為葉片和葉輪在蠕變時期內的最高Von Mises 應力和其對應材料的蠕變斷裂時間曲線。 可以看出， 葉片和葉輪的實際最大應力在整個蠕變時期內均低于各自材料的蠕變斷裂極限應力。 這表明N80A 葉片和葉輪在工作溫度下連續工作的壽命超過30 年。

圖5 葉片和葉輪在工作溫度下的蠕變斷裂曲線和實際應力

3 結論

通過對葉根輪槽型線的特殊設計， 解決了N80A 葉片材料與轉子材料線膨脹系數差異較大導致的高溫膨脹變形不協調問題。

采用有限元法分析了N80A 葉片和葉輪的高溫蠕變特性， 結果表明N80A 葉片和葉輪的高溫蠕變壽命超過30 年。