汽轮机转子凹面板漏盘圆柱体镦粗的机械设计的优化研究

汽轮机转子凹面板漏盘圆柱体镦粗的机械设计的优化研究

矫健

哈尔滨广瀚新能动力有限公司，黑龙江省哈尔滨市 150078

摘要：作为大型锻件的代表产品，大型汽轮机转子的机械设计一直是火电机组开发设计中的关键组成部分，而镦粗将对均匀分布碳化物和提高锻件的机械性能起到重要作用。在此基础上，利用有限元方法对汽轮机转子凹形板衬套缸的镦粗进行了优化。首先，给出了凹面衬套镦粗圆柱体的力学优化模型。提出在镦粗过程中使用凹球面镦粗板，可使镦粗坯料的上下两端形成鼓形，避免拉拔生产时出现凹形缺陷。建立了凹形镦粗板与凹形衬套之间锻造毛坯镦粗力学模型的CAD图。在凹形板衬套圆筒镦粗的有限元数值模拟中，得出当参数υ = 7 mm/s，θ= 20°时，镦粗坯料的综合性能较好，不同区域的应变和应力比较均匀。喷嘴口的不同半径对镦粗后的根部表面形状没有明显影响。当孔与钳柄的间隙为120 mm时，坯料的内部综合性能有一定程度的提高。该研究对汽轮机转子铸造工艺的改进具有一定的现实意义。

关键词:汽轮机转子；凹板；镦粗；有限元优化

凹面板衬套镦粗圆柱体的力学优化模型

1.1机械优化模型设计的基础

图1普通平砧变形图

这次建立的是凹板衬套圆柱体的镦粗模型，这是一个全新的力学模型。之所以提出这种新的力学模型，是因为:在水压机上锻造时，镦粗和拉伸时，要在钢锭冒口端或水口端压一个夹柄来夹住锻件。为此，带孔的衬套用于镦板，衬套的孔用于搁置夹柄；对于大型锻件，拉拔是一种局部镦粗工艺。图1是柔性平砧的拉伸变形图。通过观察图1可以发现，金属的力学原理与镦粗大致相同，因为镦粗变形体会变成双鼓形，所以在拉拔时坯料的端部会有一个凹心。

1.2机械设计的力学分析

由于两种镦粗过程的分析方法相同，这里不再进一步介绍凹形镦粗板与凹形衬套之间的锻造毛坯镦粗力学模型。锻件镦粗后下端面的力学性能比上端面的力学性能更复杂，这是由于镦粗衬套的形状和金属在钳柄中的自由流动造成的。有两种假设:毛坯上下两端的难变区面积不同，下端较小，且应变和应力状态不同；坯料上下两端的金属流动沿径向略有不同，此外，镦粗后锻件的鼓形也不是上下严格对称的。

刚塑性拉应力力学模型:(a)当h/d > 2时；H/D > 2；(c)1 < h/d < 2；当h/d < 1时；

2机械设计的优化分析

2.1镦粗速度和凹板半径的选择

在实际操作中，经常将坯料镦粗到0.8—0.85的高径比，并不断提高镦粗速度以达到镦粗的目的。但在提高镦粗速度、减小镦粗后高径比的同时，液压机的载荷也随之增大。镦粗后高径比为0.8左右，即压下量为1400 mm，衬套孔与夹柄间隙为60 mm，衬套孔圆角为60 mm，分别取圆心角θ= 10°、20°、30°，镦粗压下速度υ = 8mm/s。

分别取圆心角θ= 10°、20°、30°，镦粗压下速度υ = 7mm/s分别取圆心角θ= 10°、20°、30°，镦粗压下速度υ = 6mm/s。

镦粗压下速度分别为υ = 7mm/s和υ = 6mm/s，当相应的圆心角θ= 20°和θ= 10°、20°和30°时，其实际载荷均未超过许用载荷。用以上四个参数沿点(0，0，0)切割毛坯。

在不同压下量的应变和应力曲线上，压下量为1400 mm时P1和P2点的平均值被定义为主动塑性变形区的应变和应力值。当压下量为1400 mm时，取P3、P4、P15、P16和P7点的平均值，定义为中心区域的应变和应力值。以坯料中的高应变、均匀应变和小应力值为基本标准，通过比较可以看出，当应变和应力值、参数υ = 7mm/s、θ= 20°时，镦粗坯料的综合性能较好，即凹板球半径Sr = 7486mm ≈ 7500mm时。通过观察心脏内部应变和应力的云图，可以发现不同区域的应变和应力是均匀的。

2.2衬套孔口的倒圆半径

将喷嘴孔口圆角半径设置为不同值，分别为R = 60mm、100mm、120mm、140mm坯料镦粗后根部的应力云。

半径r = 60mm时可有效避免应力集中问题，对应的应力值较小。通过分析还可以得知，喷嘴孔半径的不同对镦粗后坯料的根部表面形状没有明显的影响。

2.3漏盘孔与夹柄间隙的选择

在镦粗过程中，毛坯夹具的选择和衬套的孔径大小直接关系到装配问题。此外，如果间隙较大，空白鼓形状会上下不对称。漏孔与夹柄的间隙分别为x = 40mm、80mm、120mm、140mm，间隙对坯料根部形状的影响不是很明显。但当间隙逐渐增大时，硬变形区的面积会相应减小，在一定程度上相应提高了坯料的内部综合性能。因此，漏盘孔与夹柄之间的间隙取120mm。

3机械设计优化结果分析

通过以上分析，确定了凹面板衬套筒体的镦粗工艺，几何和锻造参数见表1。

表1几何参数和锻造参数

凹板球半径7500毫米

喷嘴孔的圆角半径60毫米

盘孔和夹柄之间的间隙120毫米

轧制压下量1400毫米

合模速度7毫米/秒

(一)应变值曲线(二)应力值曲线

图2对称点示意图图3应力应变曲线

根据表1的坯料组的相关参数在镦锻过程之后沿着对称平面被剖切。Z方向上的点如图11所示，应变和应力值曲线如图2所示。根据图3中的分析，由于边界摩擦的存在，镦粗后的鼓形上下对称性不合格，而这种不对称性与压下速度成正比；根据图3中的分析，沿Z方向，应变和应力从中心区域向两端面逐渐减弱，上下难变区域的应变和应力差别较大，上端较大，下端几乎为零。这在一定程度上符合凹板衬套镦粗模型力学分析的假设。

4结束语

本文建立了凹面衬套圆筒镦粗力学模型，采用三维刚粘塑性热力耦合有限元法对其几何参数和工艺参数进行了模拟。根据这些模拟结果，进一步确定了锻造参数，具有一定的实际意义。

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