燃气轮机压气机叶片精密挤压成形新工艺及关键装备设计_吕玉锋.pdf

机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期MECHANICAL ENGINEER燃气轮机压气机叶片精密挤压成形新工艺及关键装备设计吕玉锋（山西煤炭运销集团 黄山煤业有限公司，山西 长治 047300）0引言燃气轮机广泛应用于国防、船舰和机车动力、管道能源运输、发电等领域，作为影响国家安全和经济发展的高科技关键动力设备，其制造水平是衡量国家整体工业实力和设计制造能力的重要标准1-2。燃气轮机主要由压气机、燃烧室和燃气涡轮组成，其中压气机是利用叶片高速旋转吸入大量空气从而实现聚气增压功能的部件，发挥着为燃烧室提供高压空气的关键作用3-4。压气机叶片在工作过程中承受着由高压气流、微粒冲刷等因素引起的交变载荷和振动，长期工作会形成疲劳裂纹甚至断裂，严重威胁燃气轮机的性能发挥和使用安全，因此提高压气机叶片的抗疲劳性能和外形尺寸精度具有重要的现实意义5-6。压气机叶片是一类扭曲变截面实心薄壁零件，复杂的外形和较高的性能要求令其制造难度较大，而国内外学者和生产部门也在低成本、高精度和高性能叶片制造方面开展了诸多研究。张涛等7通过建立压气机叶片最差缺口模型，对损伤叶片进行疲劳强度的预测与评估；于贤君等8使用互相关敏感性分析方法探索了叶型表面不同区域之间偏差的相互耦合影响规律；Ou Jun等9通过CFD预测，研究了主叶片和分流叶片之间的载荷分布对高载荷离心压缩机的气动性能、流场和内部涡流的影响。B.Sanjin等10基于材料的抗拉强度和伪疲劳极限提出了一种修正的Locati方法，可结合有限元模态分析对叶片发生疲劳损伤的部位进行预测，该方法已成功应用于轴流式压气机叶片的生产质量控制。但是以上研究的对象主要为当前主流的多工序精锻工艺制造的叶片，而叶片多工序精锻工艺的工序复杂，因需切除飞边而减少了金属利用率，特别是叶身边缘区域的金属流线不一致会使叶摘要：针对当前燃气轮机压气机叶片传统的多工序精锻工艺存在的不足，提出一种以纵向挤压为主要技术特征的叶片精密挤压成形新工艺，将坯料的塑性加工过程分成压扁、叶身挤压和挤压榫头3个工序。以某型燃气轮机第5级压气机悬臂静子叶片为研究对象，基于有限元模拟软件DEFORM-3D，对采用新工艺的叶片挤压成形过程进行了数值模拟，获得了金属的流动状态和各工序中应力、应变的分布特性及载荷的变化规律。根据新工艺的技术特点，确定叶身挤压是新工艺中的关键工序并为其提出相应的工艺装备设计方案。与传统工艺相比，该叶片成形新工艺有利于实现短流程、高材料利用率、低制造成本的精密快捷制造，可为促进压气机叶片生产技术的升级换代提供有价值的参考。关键词：压气机叶片；精密挤压；新工艺；数值模拟；工艺装备中图分类号:TG 376.2文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08011303New Technology and Key Equipment Design of Precision Extrusion Formingfor Gas Turbine Compressor BladesLYU Yufeng(Huangshan Coal IndustryCo.,Ltd.,Shanxi Coal Transportation and Sales Group Company,Changzhi 047300,China)Abstract:Aiming at the shortcomings of the traditional multi-process precision forging process for gas turbine compressorblades,a new precision extrusion process for manufacturing blades with longitudinal extrusion as the main technicalfeature is proposed.The plastic processing process of the process is divided into three processes:flattening,blade bodyextrusion and tenon extrusion.For the cantilever stator blade of the 5th stage compressor of a gas turbine,based on thefinite element simulation software DEFORM-3D，its forming process is simulated by the proposed new technology，and theflow state of metal as well as the distribution characteristics of effective stress filed,effective strain field,effective strainfield and the change rule of load in each station are obtained.According to the technical characteristics of the newprocess,it is pointed out that blade extrusion is the key link in the new process,and the corresponding process equipmentdesign scheme is put forward.Compared with the traditional technology,the new blade forming technology proposed isconducive to the accurate and fast manufacturing with short process,high material utilization rate and low manufacturingcost,and can provide a valuable reference for promoting the upgrading of compressor blade production technology.Keywords:compressor blades;precision extrusion;new technology;numerical simulation;process equipment113机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：MECHANICAL ENGINEER片的抗疲劳性能降低。针对叶片多工序精锻工艺的不足，本文提出一种以纵向挤压为主要技术特征的叶片制造方法，采取数值模拟手段对叶片的成形过程进行研究，并提出关键制造工序装备的设计方案，为促进压气机叶片生产技术的升级换代提供有价值的参考。1叶片精密挤压成形新工艺压气机叶片主要由榫头和叶身构成。所提出的叶片精密挤压成形新工艺以金属圆棒料为叶片坯料，生产叶片的主要工艺流程为：1）压扁。对加热后的圆棒料使用模具进行压扁成形，令坯料发生径向变形，最终坯料的截面成为椭圆。2）叶身挤压。将压扁后的坯料置于凹模，以正挤压的方式使坯料金属流入凹模的叶身型腔。3）镦挤榫头。冷却叶身并更换模具，将叶身根部的金属挤压至榫头形状。4）热处理。对叶片毛坯进行固溶、调质、时效等处理，使其达到综合性能要求。5）喷丸处理。使用喷丸手段对叶片表面进行清理，达到产品的表面质量要求。其中，压扁工序是为了有效减少金属进入叶身型腔的难度，缓解模具受力状态。叶身挤压工序中，坯料金属沿同一方向挤入叶身型腔，有效保证了金属流线方向一致。镦挤榫头工序中，坯料金属已经形成叶身的部分不再发生塑性变形，仅叶身以上未形成榫头的部分继续变形。叶片精密挤压成形新工艺对于叶片产品的技术特点主要有：1）金属动态回复和再结晶程度高，有利于形成均匀微观组织；2）叶片成形后形成连续的金属流线，提高了叶片疲劳寿命；3）坯料处于三向压应力状态，变形热分布均匀,金属塑性提高；4）叶片的力学性能呈梯度分布，符合叶片工作的受力要求。与传统的精锻技术相比，本文提出的叶片精密挤压成形工艺存在的主要优势为：1）在很大程度上保证了叶片生产的连续性，工序大幅度精简，减少了道次误差；2）不产生飞边，提高了材料利用率；3）可减少模具数量和占地面积，进一步减少人员和设备经费投入，有利于节约制造成本。2叶片精密挤压成形过程数值模拟2.1建立有限元模型采用所提出的新工艺，本文对某型燃气轮机第5级压 气 机 悬臂 静 子 叶片 的 成 形过 程 进 行了 有 限 元模拟。该型叶 片 毛 坯结构如图1所示。叶 片材 料 为 高强 度 高 硬度 耐 热 不锈钢1Cr13，棒料截面尺寸规格为55 mm120 mm，各工序模具预热温度均为200，坯料初始加热温度为1100，对流热交换系数设定为0.02 N/(s mm )，毛坯与模具之间的传热系数设定为5 W/(m2 K)，坯料与模具的摩擦因数为0.2，各工序模具的运动速度均为30 mm/s。叶片精密挤压成形新工艺的有限元模型如图2所示。2.2数值模拟结果叶片精密挤压成形各工序结束后的应力分布情况图3所示。图3中显示：压扁过程中，应力集中主要分布在模具与棒料相互接触的部位，这是由于模具在棒料径向上压制，率先接触的部位和模具内壁发生摩擦，以至于这一区域金属的流动比其它部位要困难；叶身挤压成形过程中，应力集中主要分布在叶身两侧肋部等坯料轮廓较窄小的部位，原因是金属在轮廓狭窄的部位填充更加困难，金属相互挤压的程度更激烈；镦挤榫头过程中，由于金属填满榫头棱边部位处于成形过程的末段，金属在前期成形过程中发生了热量散失且棱边部位的型腔最为狭窄，导致应力集中主要分布在榫头侧面棱边部位，最大应力值为896 MPa。图4为叶片精密挤压成形各工序结束后的应变分布情况。压扁成形过程中，因坯料轴向两端没有模具约束，坯料在被压扁过程中朝两端流动趋势最大，故应变集中主要分布在坯料心部。叶身挤压成形过程中，因金属在充填叶身型腔过程中流动最剧烈，故应变集中主要分布在叶身部位，最大应变值为7.78。镦挤榫头过程中，金属朝叶身方向流动受阻，转而横向流动，故应变集中主要分布在榫头连接叶身的端面。图5为叶片精密挤压成形过程中模具的载荷曲线。压扁上模下压的过程中，上模载荷逐渐增大，压扁停止时的最大载荷为0.926 MN。叶身挤压过程中，压扁的坯料金属逐渐压入叶身型腔，金属挤进型腔的量越大，形成叶身的金属与型腔内壁的摩擦就越大，最大载荷为8.075 MN。挤图1悬臂静子叶片毛坯示意图26.54A22.1647.26258.76W+xR10R10W-WA 向32.85-x W32.4265.87-y73.32图2叶片精密挤压成形过程有限元模型（a）压扁成形过程（b）叶身挤压成形过程（c）榫头镦挤成形过程压扁上模坯料压扁下模挤压凸模坯料挤压凹模镦挤凸模坯料镦挤凹模图3叶片精密挤压成形过程等效应力分布云图（a）压扁成形（b）叶身挤压成形（c）镦挤榫头114机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期MECHANICAL ENGINEER压榫头过程中，金属逐渐与榫头型腔内壁接触，金 属 变 形 抗 力逐渐升高，特别是金属接近填充榫头型腔四角部位时，金属流动受到极大限制，导致成形载荷急剧增大，最大载荷为8.972 MN。3叶片精密挤压成形工艺关键装备设计在本文提出的叶片精密挤压成形工艺方案中，坯料在每个挤压工序中表现出不同的成形特征，主要体现在：压扁和叶身挤压工序的变形涉及到坯料各个部位，属于整体变形；而榫头挤压工序中，榫头成形主要发生在叶身根端的部分，基本属于局部成形。其中