隔板静叶栅焊接有限元分析

隔板静叶栅焊接有限元分析

唐绍军

东方汽轮机有限公司四川德阳618000

摘要：隔板静叶叶片之间的焊接会使叶栅发生变形，本文通过研究分析找到叶栅焊接变形机理，优化焊接工艺，有效地减小焊接变形对叶栅汽道尺寸的影响，并为设计部门优化结构的提供参考。本文通过大量运算分析显示，焊接变形主要由焊缝横向收缩在厚度不同的内、外冠产生大小不等的周向收缩变形和纵向收缩导致叶栅进汽侧和出汽侧内外冠距离增大导致，最终定位焊接顺序为逆出汽方向的焊接变形比焊接方向为顺出汽方向的焊接变形小。

关键词：隔板静叶栅；焊接顺序；焊接变形

汽轮机的高压和中压前几级，通常采用隔板隔板。目前，有工程师对汽轮机隔板焊接引起隔板的焊接变形做过一些研究。东方汽轮机厂的殷安康和西安交通大学的张建勋等，对隔板隔板主焊缝焊接节圆直径变形、半径变形、节圆收缩率和倾斜变形进行了全面分析，得到了进汽侧拂配间隙稍许大些，打底焊接时先焊接进汽侧的外环侧，主焊缝先焊接进汽侧可以减小焊接变形；倾斜变形在主焊缝打底焊接时的变化，对于倾斜变形大的隔板，焊接时应注意控制的结论[1]。东方汽轮机厂的黄勇，基于正交设计的模型试验对隔板静叶隔板的焊接变形进行了研究，他的研究表明焊接电流和焊接顺序对焊接变形的影响程度相对较大[2]。东方汽轮机厂的文景东等，通过整圆定板、车削和装焊，控制导叶装配间隙，改进隔板在变位器上的固定方式和规范热处理操作对某一机组低压隔板装焊工艺进行了优化，减小了装焊过程中产生的焊接变形[3]。

1方法概述

网格模型文件如图1所示,由四支隔板叶片组成。外侧冠壁厚22mm,内侧冠壁厚17mm。3D网格单元139,164个，单元节点160,943个。

文中设立了两个计算方案，如图2所示。方案1的焊接顺序为Bead3→Bead2→Bead1，顺序与出汽方向大致相同，以下简称顺向。方案2顺序为Bead1→Bead2→Bead3，顺序与处出气方向相反，以下简称逆向。焊接时内外冠同时按照箭头方向对称施焊，焊接参数见表1，线能量为2668J/mm左右。拘束状态为自由状态。

2论证分析

两种方案的温度场组织场计算结果类似，选取方案1的温度场结果作为阐述即可。

图2-1是t=113s，第二道焊缝焊接过程中的温度场分布云图。此时热输入为线能量2820J/mm,稍大于实际焊接线能量2668J/mm,熔宽7.98mm，熔深5.27mm，熔池长度12.95mm，

最高温度约2400℃。

图2-1t=113s时的温度场分布云图

2.1周向应力场结果及分析

无论是顺向焊接还是逆向焊接，由于结构和工艺的相似，其变形机理非常类似，选择顺向焊接进行阐述。由于是在自由状态下进行焊接，两端的叶片拘束状态与实际不吻合，选择中间两支叶片进行研究。

从图2-2的周向平均应力云图可以看出，在内侧和外侧的冠壁，有焊缝的一面，都处于拉应力状态，冠壁另一面则是压应力。这是由于焊缝横向收缩引起的。

内外两侧的焊缝坡口和焊接工艺参数完全一样，但是冠壁厚度不一样，较厚的外侧冠壁出现的压应力较小；相反，冠壁较薄的内侧冠壁上出现的压应力较大。压应力越大，对于整圈的叶栅来说，直径减小越大。这种不同冠壁采用完全相同的焊接工艺，使得内侧冠壁直径减小的量大于外侧冠壁直径较小的量，拉长了内外侧冠壁之间的距离，使内外冠之间的叶片被拉长。

图2-2周向应力图2-3实测值与模拟值的对比

2.2纵向应力场结果及分析

由于两端的叶片是在自由状态，选择中间两支叶片进行分析。焊缝纵向应力使冠壁发生沿焊缝分布的纵向弯曲，变形的结果是“H”形的叶栅两端距离被拉大，叶片两端也被拉长，中间部位被压缩。

由以上分析可知，叶栅的变形主要有两部分组成。一部分是焊缝横向收缩导致冠壁直径减小。另一部分是焊缝纵向收缩使叶栅进气端和出汽端冠壁之间距离（叶片高度，也就是喉高）增大，中部受压缩距离减小。

进气端、出汽端和中部径向方向距离变化测量结果，其中进气端测量位置如图数字所示，中部测量位置位于焊缝拐角处，出汽端测量位置类似进汽端。由于两端的叶片没有远端叶片的拘束作用，重点考察中间测量点，也即是2、3、4点位置的距离变化。可以发现，除个别数据外，进汽端和出汽端内外冠之间的距离都增大，中部区域距离全部减小。

将叶根、节圆和叶顶的喉宽从点固后到机器人加固后的变化实测数据与两种焊接顺序下喉宽的模拟结果进行对比，如图2-3所示。黑色柱状体是50组实测喉宽平均值在机器人加固与点固之间的差值，红色柱状体是顺向焊接中间汽道的喉宽变化值，绿色柱状体是逆向焊接中间汽道的喉宽变化值。可以看到，实测值大于模拟值，这与模拟中没有考虑装配间隙有关。但试验与模拟的趋势是一致的，逆向焊接的变形最小。

3结论

（1）喉宽的增大，主要原因是内外冠厚度不一致，较薄的内冠径向收缩比较厚的外冠大而使叶片产生拉伸变形。同时也有附近焊缝的收缩产生变形的原因。逆向焊接变形小于顺向焊接。

（2）喉高在进汽侧和出汽侧增大，在中部减小。它的变形是内外冠厚度的差异导致径向收缩不一致和焊缝纵向收缩综合作用的结果。焊缝的纵向收缩使内外冠在进汽端和出汽端之间的距离增大，中部减小。

（3）减小内外冠厚度差异，或者对内外冠采用不同的焊接参数，可以减小喉宽和喉高的变化。

参考文献

[1]变分有限元法在大型汽轮机分流叶栅设计中的应用[J].吴其林,周振杰,张维聪.东方电气评论.1992(02)；12-19

[2]叶栅倒角对透平级气动性能的影响[J].石龑,李少军,李军,丰镇平.航空动力学报.2010(08)，21-33

[3]SYSWELDWeldingusersguide.ESI.2007