戚彩夢，葛光男，鄭吉偉，丁軍鋒，劉 毅，盧從義，張東東

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混流式水輪機(jī)葉片性能熱處理變形的數(shù)值模擬預(yù)測

戚彩夢1，葛光男1，鄭吉偉2，丁軍鋒1，劉 毅1，盧從義1，張東東1

（1. 哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱電氣動力裝備有限公司，哈爾濱 150046）

本文建立了ZG06Cr13Ni5Mo不銹鋼熱處理過程的三維有限元模型，模擬了混流式水輪機(jī)葉片正火+回火熱處理后的應(yīng)變場分布，并將模擬的應(yīng)變場分布結(jié)果與測量結(jié)果進(jìn)行了比較，二者吻合較好，證明所建模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，得到了混流式水輪機(jī)葉片熱處理后等效應(yīng)變分布規(guī)律及各部位變形量分布。結(jié)果表明：混流式水輪機(jī)X型葉片一正兩回?zé)崽幚砗?，沿Z向出水邊到進(jìn)水邊及進(jìn)水邊與上冠連接處與下環(huán)連接處變形量先減小后增大，呈V型變化規(guī)律。其中與下環(huán)連接處比與上冠連接處變形大，進(jìn)水邊比出水邊變形大。本文提供了一種可用于預(yù)測復(fù)雜形狀大尺寸葉片鑄件性能熱處理變形的數(shù)值模擬仿真預(yù)測方法，為混流式水輪機(jī)葉片制定合理的熱處理工藝及設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

混流式水輪機(jī)葉片；等效應(yīng)變；變形；數(shù)值模擬

0 前言

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪作為水輪機(jī)組的核心部件，其制造質(zhì)量及型面的準(zhǔn)確性對水電站機(jī)組的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有巨大的影響。因此對其材質(zhì)、形線及尺寸精度等要求十分嚴(yán)格[1]。由于Cr13Ni4鋼種具有良好的焊接性、抗腐蝕性、抗氣蝕性、抗泥沙沖蝕和強(qiáng)韌性等優(yōu)點(diǎn)[2-4]，目前國內(nèi)大型水電站（如溪洛渡、向家壩電站等）的水輪機(jī)葉片普遍采用ZG06Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼[5-7]。作為過流部件的葉片是公認(rèn)的形狀復(fù)雜、扭曲度比較大、變形嚴(yán)重且很難預(yù)測的鑄件，大多采用增加加工余量的方法來保證最終葉片各部位的加工尺寸，易造成葉片出品率低，焊補(bǔ)量大等缺點(diǎn)[8]。目前，研究者已對Cr13-Ni系列不銹鋼合金的設(shè)計(jì)思想、主要元素作用、微觀組織結(jié)構(gòu)及性能、熱處理制度進(jìn)行了廣泛的研究[9-13]，但對Cr13-Ni系列不銹鋼變形研究較少。因此研究混流式水輪機(jī)葉片熱處理過程中等效應(yīng)變及變形量分布規(guī)律對防止及減少葉片加工余量不足、降低葉片變形量有很大意義。

本文通過建立ZG06Cr13Ni5Mo熱處理過程有限元模型，模擬了混流式水輪機(jī)葉片熱處理過程中應(yīng)變場與變形量的變化，進(jìn)而得到混流式水輪機(jī)葉片等效應(yīng)變及變形量的變化規(guī)律，為復(fù)雜曲面葉片制定合理的熱處理工藝及設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

選用X型葉片為研究對象，該葉片最大厚度約為280mm，最小厚度約為60mm，葉片的投影面積約為7.8m2，材料為ZG06Cr13Ni5Mo，三維模型如圖1所示。采用RAC-MET-8000直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分測試，結(jié)果見表1。將X型葉片進(jìn)行1030℃下保溫10h空冷+620℃下保溫12h空冷+590℃下保溫12h空冷熱處理（一正+兩回）。

表1 ZG06Cr13Ni5Mo不銹鋼的化學(xué)成分（wt%）

采用拓普康DT202三坐標(biāo)測量儀采集葉片背面熱處理前后80個點(diǎn)的坐標(biāo)，如圖2所示。

圖1 X型葉片三維模型

圖2 X型葉片實(shí)體

2 有限元模型的建立

采用有限元模擬軟件DEFORM建立三維有限元模型，選用四面體單元類型，劃分網(wǎng)格數(shù)為139200，節(jié)點(diǎn)數(shù)為14541，如圖3所示。應(yīng)變場模擬采用直接耦合法，葉片材料視為彈塑性材料，模擬所用ZG06Cr13Ni4Mo隨溫度變化的熱物理性能參數(shù)，見表2。

表2 ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼的熱物理性能和熱力學(xué)性能參數(shù)[14]

圖3 X型葉片網(wǎng)格劃分

3 葉片應(yīng)變場模擬結(jié)果和變形量實(shí)測值

3.1 葉片等效應(yīng)變場模擬結(jié)果分析

圖4為葉片背面一正兩回?cái)?shù)值模擬后各部位Z向（垂直葉片表面方向）等效應(yīng)變分布云圖。由圖可知，葉片從出水邊到進(jìn)水邊及與上冠連接處到與下環(huán)連接處等效應(yīng)變先減小后增大，呈V型變化規(guī)律。在Z向主要是扭曲變形，葉片由彎曲向平直方向變形，其中與上冠連接處比與下環(huán)連接處變形大，進(jìn)水邊比出水邊變形大。在進(jìn)水邊與上冠連接處變形最大，約為23mm，在心部變形量最小，約為1.56mm。變形量沿對角線呈現(xiàn)先減小后增大的V型變化規(guī)律。由于葉片正火過程中發(fā)生組織間的轉(zhuǎn)變，受溫度不均勻性的影響，不同位置組織轉(zhuǎn)變具有不同時性，產(chǎn)生組織應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致葉片變形。此外，葉片不同溫度的熱膨脹系數(shù)不同，正火及回火過程的升溫及冷卻過程中，不同位置受溫度不同時性的影響，產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)組織應(yīng)力和熱應(yīng)力產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過材料抗拉強(qiáng)度時，使材料晶格畸變，導(dǎo)致材料變形。中間部位受周邊材料約束較大，導(dǎo)致變形較小。葉片邊角部位受周邊材料約束較小，且較薄，導(dǎo)致變形較大。受等效應(yīng)力分布不均勻及結(jié)構(gòu)影響，葉片背面各部位Z向等效應(yīng)變分布不均勻。

圖4 X型葉片熱處理后模擬各部位Z向變形量分布云圖

3.2 葉片變形量實(shí)測值

圖5為利用三坐標(biāo)測量方法采集的熱處理前后坐標(biāo)數(shù)值繪制的葉片背面Z向三維葉形圖。由圖5（a）、（b）可知，X型葉片熱處理前后葉形基本相似。在A、B、C、D、E五個區(qū)有不同程度的變形，在A區(qū)變形較大，B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)次之，E區(qū)變形最小。

圖5 X型葉片熱處理前后背面Z向三維葉形圖

圖6為X型葉片熱處理前后Z向等值線云圖。由圖可知，葉片扭曲較大，熱處理后不同部位等值線數(shù)值有所變化，A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)、E區(qū)變形程度與模擬基本一致。圖7為X型葉片熱處理前后各部位Z向變形量分布圖。由圖可知，實(shí)測得到的最大變形量在進(jìn)水邊與下環(huán)連接處取得，約為26mm。最小變形量在X型葉片的中間部位取得，約為0.7mm。沿葉片兩條對角線方向呈先減小后增大的V型變化規(guī)律。由此可知，實(shí)測得到的葉片變形規(guī)律與數(shù)值模擬基本一致，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

圖6 熱處理前后實(shí)測X型葉片Z向等值線云圖

圖7 葉片一正兩回后實(shí)測各部位Z向變形量分布云圖

4 討論

上述分析可知，X型葉片熱處理后各部位變形不均勻，楔型形狀零件也如此[15]。正火冷卻過程中，Cr13Ni4鋼平均線膨脹系數(shù)先由12×10-6℃降到-1.9×10-6℃，后升到11×10-6℃，其屈服強(qiáng)度由850MPa降到40MPa[16]，受熱應(yīng)力影響較大。組織由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力。正火過程中，變形量受熱應(yīng)力和組織應(yīng)力影響較大?；鼗疬^程中，不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，受熱應(yīng)力的影響較大。而組織應(yīng)力和熱應(yīng)力受溫度不均勻性影響較大，所以冷卻速率及冷卻均勻性對葉片變形及應(yīng)力有很大影響[8]。對于大型零件，熱處理過程中受自身重力影響很大，熱處理過程可通過合理擺放，在較厚部位采取噴霧冷卻或風(fēng)冷來降低溫度不均勻性，從而降低內(nèi)應(yīng)力和變形。

5 結(jié)論

（1）建立了06Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼應(yīng)變場的有限元分析模型，獲得了一正兩回?zé)崽幚砗蟮膽?yīng)變場。與測量結(jié)果進(jìn)行了對比，模擬與試驗(yàn)吻合較好，表明了所建模型的有效性。

（2）X型葉片一正兩回?zé)崽幚砗螅豘向進(jìn)水邊到出水邊及與上冠連接處到與下環(huán)連接處變形量先增大后減小，呈V型變化規(guī)律。其中進(jìn)水邊與下環(huán)連接處比與上冠連接處變形大，進(jìn)水邊比出水邊變形大。

（3）X型葉片熱處理后有變平的趨勢，設(shè)計(jì)時需加入反變形量，冷卻較慢部位采取噴霧冷卻或風(fēng)冷以防止后續(xù)加工余量不足。

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Prediction of Deformation of Large Hydraulic Turbine Blade Casting with Complex Surface During Heat Treatment Process by Numerical Simulation

QI Caimeng1, GE Guangnan1, ZHENG Jiwei2, DING Junfeng1, LIU Yi1, LU Congyi1, ZHANG Dongdong1

(1. Harbin Research Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China;2. Harbin Electric Power Equipment Co., Ltd, Harbin 150046, China)

A three dimensional finite element model of the heat treatment process of ZG06Cr13Ni5Mo stainless steel was established in this paper. The deformation distribution of Francis turbine blade during normalizing plus tempering was simulated. By comparing the measured deformation of the blade with the simulated value, it was closed to each other very well, which indicates this model is effective. Based on the results above, the distribution law of deformation of Francis turbine blade after the heat treatment was got. The results show that the deformation distribution of the X type blade shows V type law after normalizing from the trailing edge to leading edge. The deformation at leading edge is larger than trailing edge, and band side is larger than crown side. In this paper, a numerical simulation method to predict the heat treatment deformation of large complex blade was used, which provided a theoretical basis for complex surface blade designing and formulating a reasonable heat treatment process.

mixed flow turbine blade; equivalent strain; deformation; numerical simulation

TK733+.1

A

1000-3983(2018)03-0033-04

2017-11-25

戚彩夢（1978-），2009年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧辖M織及熱處理數(shù)值模擬，工程師。