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大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命的探讨

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摘要:燃气轮机是一种大型的动力装置,由压气机、燃烧室及燃气透平三大部件组成,被广泛的应用于工业领域。燃气轮机涡轮叶片的疲劳寿命关系到发电设备的安全,对于我国工业领域的经济发展具有十分重要的作用。本文将对大型燃气轮机的涡轮叶片疲劳寿命进行初步研究,旨在为其未来的发展奠定科学基础。

关键词:大型燃气轮机;涡轮叶片;疲劳寿命

1燃气轮机的运作及特点

1.1燃气轮机的工作原理

压气机吸入周围的空气,并经过各式叶片对气体进行压缩,形成的高压使空气的温度上升,高压气体进入到燃烧室,待遇燃料有效结合后点燃,产生高温、高压的燃气,最后将高温燃气送入燃气透平中,通过膨胀做功使发电机高速运转,最终实现气体向机械功的转化,输出做功。燃气轮机的启动需要依靠产生大扭矩的外界驱动装置,通常采用柴油机、交流电机等。带动转动开始后,压气机内部的压比增大,在点火完毕后继续升速,当透平产生的功率大于压气机功率时,启动装置会自动脱离,而燃气轮机进入到独立的工作阶段。在完成任务后,燃气轮机需要停机,主要通过停止燃烧室内的燃料供应,使内部运作减速,直至冷却停止。需要注意的是,紧急情况下需要迅速停机,此时不仅需要停止燃烧室内的燃料供应,还要借助外力条件对燃气轮机进行反向施力,从而使其能够快速静止。

1.2燃气轮机的工作特点

燃气轮机虽然在运作时产生高温,但这并不代表周围温度越高越好,相反的,燃气轮机的工作需要遵循不超温、不超速、不超振等要求。燃气轮机的运行速度快、启动快,且热冲击剧烈,因此对于热通道的部件寿命要求高。燃气轮机极易受到环境及气候条件的影响,一旦天气发生变化,其功率、热效率等参数都会发生变化,因此在不同季节,应匹配相应的运作计划。随着科学技术的发展,自动化、半自动化技术广泛的应用的工业中,现代大型燃气轮机多采用自动控制系统,在操作上更加简单,每天可保持12-14小时的工作时间,在使用高峰期通常启停一次即可。

2大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命研究方法探析

2.1单轴疲劳

主要指只能承受单向应力的材料或部件在单向循环荷载作用下产生的时效现象。常见的研究方法主要分为以下几种:

(1)Manson-Coffin方法。该方法主要针对低周疲劳破坏,研究的主体为发生疲劳破坏时的载荷反向次数与循环塑性应变引起的塑性应变幅间的经验关系。

(2)通用斜率法。该方法是建立在Manson深入应变循环中的弹性与塑性部分以及单轴拉伸性能基础上的一种经验公式。

(3)应变范围划分法。该方法主要研究非弹性应变材料,对于高温条件下的额流变及蠕变机理进行分析而得出的研究方法。

2.2多轴疲劳

又称为复合疲劳,主要指材料或部件在多向应变循环载荷作用下产生的疲劳,根据应力的变化周期不同,可分为比例循环加载与非比例循环加载。我国对于多轴疲劳的研究起步较晚,条件较发达国家落后,但随着电液伺服疲劳试验机的诞生,我国的多轴疲劳研究也取得了巨大的突破,目前相对成熟的预测方法主要有以下几种:

(1)线性累积损伤法。该方法最早由日本教授Taira提出,他将材料及构建的损伤范围划分两种,一种是与时间有关,另一种是与时间无关的疲劳累积损伤,通过线性叠加进行寿命判定。该方法的操作简单,便于计算,但由于精确度不高,所以在实际的应用中并未发挥有效的功能。自上世纪九十年代,Manson将该理论进行了更为细致的划分,通过计算循环次数,将疲劳过程中的裂纹形成与裂纹扩展两部分相分离,并在不同的阶段分别采用线性累积损伤规律的方法进行分析计算,从而使研究的数据更加的精准,至此产生了双线性疲劳累积损伤理念。本世纪初期,我国在该理论的研究上也得到了一定的突破,由王王旭亮等人组成的研究队伍,针对传统的Manson理论进行分析,对于其无法考虑荷载加载顺序这一缺陷进行了技术纠正,通过研究不同载荷顺序下的疲劳损伤程度,提出了疲劳损伤门槛值与扩展值的概念,从而使该项理论得到了更加深化的全面,更加适用于涡轮叶片的疲劳寿命预测工作。

(2)粘塑性损伤统一本构模型,顾名思义,是一种计算仪器,通过在该仪器中计入损伤变量、损伤演化方程等,进行累积损伤的计算。该方法由于采用有限元数据分析技术,在工程结构的处理上占有一定的优势,因此近年来一直作为罗轮叶片疲劳寿命研究的主要方法。我国更是在今年来通过研究,改善了传统模型中的缺陷,塑造出了新的本构模型,从而为我国今后的研究发展开辟了新的道路。

(3)非线性有限元方法。通过采用该方法推算出涡轮叶片蠕变的演变规律,通过迭代得到总应变,进而预测出材料或结构的寿命。在现代的疲劳预测工作中,技术人员常常将该方法与模型本构模型结合使用,无论在计算方法还是结构要求上都占有很大的优势。

3结语

涡轮叶片是燃气轮机的重要组成部分,在运转过程中不仅需要承受循环载荷,还要承载热载荷与气动载荷,因此为了确保燃气涡轮叶片在服役期间能够安全可靠的运行,应结合先进的研究方法与科学技术,对设备材料及部件进行有效的预测与计算,加强对其寿命的控制,从而确保燃气轮机的正常运作。

参考文献:

[1]陈志英,王朝,周平.涡轮叶片疲劳-蠕变寿命稳健性优化方法[J].航空发动机,2017,43(04):11~16.

[2]孙权,纪冬梅,郭恒超.燃气轮机透平叶片材料及疲劳蠕变研究进展[J].汽轮机技术,2017,59(02):81~83.

作者:朱满军;李瑞民;苏宝华 单位:中国航发黎明

大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命的探讨责任编辑:张雨    阅读:人次
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