打开文本图片集

摘要：本文系统地研究了质量协调及质量失谐条件下，组合转子的轮盘蠕变特性及性能退化机理。该研究在一定程度上是对燃气轮机组合转子性能退化研究理论和方法的发展和完善，在工程上对于组合转子的优化设计及健康诊断等具有一定的指导意义。

Abstract： This paper systematically studies the creep characteristics and performance degradation mechanism of the combined rotor disc under mass coordination and mass mistuning conditions. To a certain extent， this research is the development and improvement of the theory and method of the performance degradation of gas turbine combined rotor， and has certain guiding significance for the optimization design and health diagnosis of the combined rotor in engineering.

关键词：组合转子;轮盘蠕变;性能退化

Key words： combined rotor;discs creep;performance degradation

中图分类号：TK267                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）17-0220-03

0  引言

本文主要以某重型燃气轮机组合转子（即周向拉杆转子）为研究对象该组合转子，如图1所示，其组成部分主要有燃烧室、透平端和压气机端，透平端有4级轮盘通过12根拉杆紧密连接为一个整体，压气机端由17级轮盘通过12根拉杆紧密结合在一起。

随着燃气轮机技术的发展，燃气轮机组合转子的运行温度不断升高，在组合转子承受的高温及高速旋转产生的巨大内应力的作用下，组合转子轮盘会发生蠕变行为，这会导致轮盘变薄，拉杆预紧力降低，组合转子刚度降低，使得组合转子性能产生退化;且当组合转子承受诸如偏心质量或初始弯曲所产生的不均衡离心应力时，组合转子将发生蠕变弯曲，而弯曲是导致转子振动加剧的最重要原因之一，且极易引发重大事故。因此，研究组合转子的轮盘蠕变及蠕变弯曲行为如图2所示，及其引起组合转子性能退化的机理，从源头上找到组合转子退化、弯曲及振动加剧的原因，从而保证机组的正常运行，具有十分重要理论意义和工程应用价值。

目前针对组合转子性能退化的研究主要集中在螺纹自松弛、裂纹及拉杆松弛等方面，而组合转子长期在高转速、高温环境下工作，组合转子轮盘会发生蠕变，引起其性能退化，且由于质量失谐组合转子将产生不平衡离心力，引起蠕变弯曲，对组合转子的振动特性有较大影响，但目前并没有进行相关研究。

1  组合转子轮盘蠕变理论分析

在高温构件中，蠕变引起的材料损伤占到了20%以上，应力、温度和时间是三个产生蠕变现象必不可少的原因[74]，特别是当材料温度达到其融化温度的30%时，其蠕变效应对材料的影响将不容忽视。从1910年，Andrade第一次進行蠕变试验，首次提出蠕变这一名词，人们开始密切关注蠕变这一现象，到现在，针对蠕变的研究已经进行了100多年，积累了大量的研究方法与手段，目前关于蠕变的研究方法大致可以分为两类：一类是着眼于微观，重点研究材料的冶炼对于其蠕变特性的影响及提高材料抗蠕变能力的冶炼方法;而另一类以宏观实验为切入点，注重试验的结果与分析，进而建立能反应材料蠕变特性的理论模型，这种方法得到了广泛运用，且形成了坚实的理论基础。根据蠕变的宏观模型，如图3所示，可以将蠕变变形分为三个阶段：①蠕变初始阶段，在该阶段，材料发生硬化，在恒定温度及载荷条件下材料的蠕变速率逐渐减小;②蠕变稳定阶段，在该阶段，材料蠕变速率基本稳定，且持续时间最长，所以又可以将其称为稳定蠕变阶段;③蠕变破坏阶段，该阶段材料蠕变速率迅速增加，直到材料被破坏。

燃气轮机是一种将燃料燃烧产生的热能转化为组合转子旋转机械能的内燃式动力机械，这使得组合转子长期在高温环境下工作，特别是随着工业的发展，组合转子涡轮盘工作环境日益增高，涡轮盘的蠕变失效问题愈加受到重视。而且由于组合转子的转速较高，因此涡轮盘也产生了较大的离心应力，在高温环境与离心应力的共同作用下，组合转子轮盘将产生蠕变效应。 组合转子轮盘在高温、高转速环境下运行时，轮盘有限元热弹塑性分析中的总应变由弹性应变、热应变及塑形应变三部分组成：

式中，？着total为总应变，？着el为弹性应变，？着pl为塑形应变，？着th为热应变。本文中主要研究轮盘蠕变效应，组合转子在恒定温度环境下工作，不考虑热应变对其影响。且本文研究的组合转子在额定工况下运行时（转速3000r/min），轮盘并未发生屈服，因此可以用蠕变应变？着cr代替塑形应变？着pl，因此可得：

因为燃气轮机组合转子蠕变时间长，大部分时间处于蠕变稳定阶段，且由于Norton蠕变模型结构形式较为简单，所需参数也较易通过测试获得，在工程上被广泛使用，同时其也被嵌入Ansys等分析软件中，使用较为方便，因此本文采用Norton蠕变模型：

参考相关试验数据，选用最小二乘法，计算Norton模型参数得出如表1结论。

2  组合转子轮盘蠕变仿真分析

根据组合转子各部分温度分布规律及应力分布情况，进而对其蠕变特性进行分析。

对组合转子施加温度载荷时，考虑工程实际，对组合转子进行热分析，得到组合转子运行过程中的温度场分布云图如图4，由图可知：组合转子燃烧室部分温度最高，温度最高点为566℃，并从燃烧部分向两端（透平端、压气机端）温度逐渐降低，透平部分的温度整体较压气机部分高，组合转子径向及周向温度变化较小。根据工程上不同温度下轮盘材料的弹性模量E的大小，采用二次插值的方式得到组合转子各温度下的弹性模量的具体数值，从而进行蠕变分析。

组合转子由于轮盘蠕变发生顶心事故或其它故障，主要是由轮盘最外缘引起，因此选取蠕变数据采集点在轮盘伸长量最大的轮盘最外缘位置，图5给出了蠕变数据采集点的位置。

实际工况中，组合转子轮盘内应力主要由组合转子径向温度不均产生的热应力、旋转产生的离心应力及叶片对轮盘产生的附加应力共同组成，本文主要研究组合转子离心应力对于轮盘蠕变的影响，因此以组合转子运行转速为3000r/min为例计算，利用Ansys对轮盘进行静应力分析，运行时应力分布如图6，轮盘运行时应力最大点集中出现在燃烧室部分，且轮盘轴心部分应力较大，离心应力随着径向半径的增大而减小，在具有凹槽处有应力集中现象。

利用Ansys有限元分析软件，针对组合转子模型，在上述给定温度环境及应力条件下，进行蠕变分析，计算组合转子蠕变应变值，如图7所示为组合转子轮盘蠕变应变图，如图8为各采集点蠕变伸长量曲线。

由图7及图8可以看出：

①组合转子发生蠕变的主要区域为燃烧室大部分区域及与之相邻的透平端及压气机端部分区域，原因是该区域温度较高;②组合转子各采集点蠕变量均随时间缓慢增加，且各观测点蠕变速率随着时间的增加有缓慢减小趋势，且前10000h蠕变速率降低较快，这是因为随着轮盘蠕变的发生，其应力会有松弛，前10000h应力松弛速率较快;③透平端第一级蠕变速率最快，在80000h时蠕变量达到了0.5mm，结论可以为燃气轮机组合转子与外壳间隙值提供设计据。

3  结论

组合转子长期处于高温、高转速的复杂工况下，其轮盘将发生蠕变，进而会导致组合转子性能退化。本文针对组合转子具有接触界面这一特殊结构，研究了组合转子轮盘蠕变特性，研究了轮盘蠕变引起质量协调及失谐组合转子性能退化的机理，可以为燃气轮机组合转子的结构设计、健康检测及故障预测提供重要参考依据，具有极其重要的工程应用和理论价值。

参考文献：

[1]李全通，景小宁，吕文林.基于人工神经网络的涡轮盘蠕变可靠性分析方法[J].航空动力学报，2003，18（2）：211-215.

[2]Lagneborg R，Attrmo R.The effect of combined low-cycle fatigue and creep on the life of Austenitic stainless steels[J].Meta1Trans.1971，2：1821-1827.

[3]曾攀.蠕变-疲劳交互作用下的结构分析[J].固体力学学报，1994，15（1）：65-70.

[4]孙燕平，庞春凤.弯曲残余应力对转子蠕变性能的影响研究[J].机械工程学报，2014，50（10）：162-165.

[5]崔亚辉，张俊杰，蒋东翔.超临界600MW机组汽轮机转子蠕变特性分析[J].热力发电，2013，42（12）：69-71.

[6]郑月珍.旋转机械振动监测与分析[J].燃气轮机技术，2010，3（1）：40-44.

[7]Si Qing Liu，Xiu Juan Li，Min Zhang，Wan Ping Wang.Degradation Characteristics of Combined Rotor for TurbineConsidering Stress Relaxation of Rod[J]. Applied Mechanics and Materials. 2013 （387）.

[8]刘锦南，何立東.单平面主动平衡技术消除弯曲转子振动故障的研究[J].热能动力工程，2006，21（2）：166-169.

[9]袁淑霞，张优云，蒋翔俊，朱永生.拉杆失谐模型及其对端面弧齿应力分布的影响[J].哈尔滨工业大学学报，2013（05）.

[10]魏毓华.汽轮机转轴的弯曲及校直[J].中国电机工程学报，1992，7（4）：28-33.

[11]刘恒，陈丽.周向均布拉杆柔性组合转子轴承系统的非线性动力特性[J].机械工程学报，2010（19）.

[12]Igor Sevostianov，Mark Kachanov. Normal and tangential compliances of interface of rough surfaces with contacts of elliptic shape[J]. International Journal of Solids and Structures . 2008 （9）.

[13]Yanchun Zhang，Zhaogang Du，Liming Shi. Determination of Contact Stiffness of Rod-Fastened Rotors Based on Modal Test and Finite Element Analysis. JOURNAL OF ENGINEERING FOR GAS TURBINES AND POWER-TRANSACTIONS OF THE ASME . 2010.

[14]庄景菁.转子热弯曲引起汽轮机振动的分析和处理[J].华东电力，2002（7）：61-64.

[15]艾延廷，翟学，王志，乔永利.法向接触刚度对装配体振动模态影响的研究[J].振动与冲击，2012（06）.

作者简介：刘伟达（1981-），男，湖南涟源人，高级工程师，硕士研究生，从事机械设计方向的研究;毕世英（1978-），女，山东潍坊人，讲师，从事机械设计方向的研究。