N80A 镍基高温叶片的研制

苟小平 范志飞 蒲守武

（东方电气集团东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000）

0 引言

随着国家对电力行业节能环保的要求， 现在的火电站汽轮机已经朝着高参数、 大功率方向发展。 汽轮机蒸汽参数的提高， 有利于提高循环效率， 降低热耗等。 但蒸汽参数的提高也导致高温级次动叶片的工作环境更加恶劣。 传统的动叶片材料已不能满足汽轮机动叶片长期安全运行的要求。

N80A 是一种高温镍基合金， 具有强度高、 耐腐蚀性能和抗氧化性能优异的特点， 已经广泛应用于航空航天等领域。 但N80A 材料也有一个特点， 线膨胀系数比常规的汽轮机转子材料高很多，对N80A 高温级次动叶片的设计需要考虑如何解决叶片和叶轮线膨胀系数差异较大， 变形不协调的问题。

另外， 动叶片的工作温度已经超过了600 ℃。叶片和叶轮材料的高温蠕变特性也需要考虑。 目前学者们对汽轮机高温叶片的蠕变特性也做了大量研究。 谢永慧等提出了采用有限元法对动叶片进行蠕变分析的研究思路。 张红梅采用最小二乘法拟合了不同温度下N80A 材料的蠕变参数并初步建立了高温叶片的蠕变分析流程。

本文将以大功率汽轮机高压第1 级动叶为例，介绍了N80A 材料动叶片的结构设计特点， 并利用诺顿幂律公式结合有限元法对N80A 叶片和叶轮的蠕变特性进行分析。 本文中采用的蠕变特性分析方法以及叶根轮槽型线的设计理念对后续高温叶片的研制具有一定指导意义。

1 N80A 叶片结构特点

汽轮机叶片的结构设计不仅要考虑叶片本身的常规强度， 同时也要兼顾叶轮的强度是否满足设计要求。 由于N80A 叶片的工作温度较高， 综合叶片和叶轮的常规强度， 叶根轮槽型线选取具有大承载能力的双T 型叶根， 其轮槽型线如图1所示， 图2 为图1 中叶根轮槽型线从上往下第1工作齿的局部放大图（红色区域）。

图1 双T 型叶根轮槽型线

图2 叶根轮槽第1 工作齿局部放大图

由于N80A 材料的线膨胀系数比叶轮材料的高很多。 因此双T 型叶根需要特殊设计， 以避免汽轮机运行过程中叶根膨胀太快， 导致叶根轮槽工作齿接触部位产生高应力区。 解决的方法是在叶根轮槽第1 工作齿处设计名义间隙S（见图2），S的计算见式（1）。

式中：L为叶根上下2 个工作齿之间的竖直距离；a1和a2分别为N80A 叶片材料和转子材料工作温度下的线膨胀系数；T为工作温度。

2 高温蠕变分析

材料在高温下的蠕变特性一般分为3 个阶段。第1 阶段的蠕变速率逐渐降低， 第2 阶段也是时间跨度最长的1 个阶段， 材料的蠕变速率保持不变， 第3 个阶段材料的蠕变速率迅速增加并最终导致材料失效。

运用诺顿幂律公式计算蠕变应变， 见式（2）。

式中：ε˙c为第2 阶段蠕变速率，σ为Von Mises 应力，A和n为材料相关常数， 这2 个常数可通过2组实验蠕变速率和应力值联立方程求得。

蠕变速率遵循诺顿幂律公式的材料其蠕变断裂时间t与应力σ的关系通常可用Monkman-Grant 幂律公式来模拟， 见式（3）。

通过2 组材料的持久强度数据可以联立求得式（3）的常数A和B。

N80A 叶片和叶轮的蠕变特性分析在ABAQUS中完成。 计算只选取1 只叶片和对应叶轮扇区，模型施加循环对称边界条件， 并对叶片和叶轮进行了30 年的蠕变模拟， 得到了高温蠕变后叶片和叶轮的等效应力分布， 如图3～4 所示。 其中， 叶片的最大等效应力位于叶根出汽侧第2 工作齿靠近背弧侧， 应力值为163.6 MPa； 叶轮最大等效应力位于叶轮出汽侧第2 工作齿上， 应力值为95.4 MPa。

图3 叶片经过30 年蠕变后的Von Mises 应力分布

图4 叶轮30 年蠕变后的Von Mises 应力分布

图5 为叶片和叶轮在蠕变时期内的最高Von Mises 应力和其对应材料的蠕变断裂时间曲线。 可以看出， 叶片和叶轮的实际最大应力在整个蠕变时期内均低于各自材料的蠕变断裂极限应力。 这表明N80A 叶片和叶轮在工作温度下连续工作的寿命超过30 年。

图5 叶片和叶轮在工作温度下的蠕变断裂曲线和实际应力

3 结论

通过对叶根轮槽型线的特殊设计， 解决了N80A 叶片材料与转子材料线膨胀系数差异较大导致的高温膨胀变形不协调问题。

采用有限元法分析了N80A 叶片和叶轮的高温蠕变特性， 结果表明N80A 叶片和叶轮的高温蠕变寿命超过30 年。