大型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片疲勞壽命的探討范文

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摘要:燃?xì)廨啓C(jī)是一種大型的動(dòng)力裝置，由壓氣機(jī)、燃燒室及燃?xì)馔钙饺蟛考M成，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的疲勞壽命關(guān)系到發(fā)電設(shè)備的安全，對(duì)于我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的作用。本文將對(duì)大型燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片疲勞壽命進(jìn)行初步研究，旨在為其未來(lái)的發(fā)展奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:大型燃?xì)廨啓C(jī)；渦輪葉片；疲勞壽命

1燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)作及特點(diǎn)

1．1燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理

壓氣機(jī)吸入周?chē)目諝猓⒔?jīng)過(guò)各式葉片對(duì)氣體進(jìn)行壓縮，形成的高壓使空氣的溫度上升，高壓氣體進(jìn)入到燃燒室，待遇燃料有效結(jié)合后點(diǎn)燃，產(chǎn)生高溫、高壓的燃?xì)猓詈髮⒏邷厝細(xì)馑腿肴細(xì)馔钙街校ㄟ^(guò)膨脹做功使發(fā)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)氣體向機(jī)械功的轉(zhuǎn)化，輸出做功。燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)需要依靠產(chǎn)生大扭矩的外界驅(qū)動(dòng)裝置，通常采用柴油機(jī)、交流電機(jī)等。帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)始后，壓氣機(jī)內(nèi)部的壓比增大，在點(diǎn)火完畢后繼續(xù)升速，當(dāng)透平產(chǎn)生的功率大于壓氣機(jī)功率時(shí)，啟動(dòng)裝置會(huì)自動(dòng)脫離，而燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)入到獨(dú)立的工作階段。在完成任務(wù)后，燃?xì)廨啓C(jī)需要停機(jī)，主要通過(guò)停止燃燒室內(nèi)的燃料供應(yīng)，使內(nèi)部運(yùn)作減速，直至冷卻停止。需要注意的是，緊急情況下需要迅速停機(jī)，此時(shí)不僅需要停止燃燒室內(nèi)的燃料供應(yīng)，還要借助外力條件對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行反向施力，從而使其能夠快速靜止。

1．2燃?xì)廨啓C(jī)的工作特點(diǎn)

燃?xì)廨啓C(jī)雖然在運(yùn)作時(shí)產(chǎn)生高溫，但這并不代表周?chē)鷾囟仍礁咴胶茫喾吹模細(xì)廨啓C(jī)的工作需要遵循不超溫、不超速、不超振等要求。燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行速度快、啟動(dòng)快，且熱沖擊劇烈，因此對(duì)于熱通道的部件壽命要求高。燃?xì)廨啓C(jī)極易受到環(huán)境及氣候條件的影響，一旦天氣發(fā)生變化，其功率、熱效率等參數(shù)都會(huì)發(fā)生變化，因此在不同季節(jié)，應(yīng)匹配相應(yīng)的運(yùn)作計(jì)劃。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化、半自動(dòng)化技術(shù)廣泛的應(yīng)用的工業(yè)中，現(xiàn)代大型燃?xì)廨啓C(jī)多采用自動(dòng)控制系統(tǒng)，在操作上更加簡(jiǎn)單，每天可保持12－14小時(shí)的工作時(shí)間，在使用高峰期通常啟停一次即可。

2大型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片疲勞壽命研究方法探析

2．1單軸疲勞

主要指只能承受單向應(yīng)力的材料或部件在單向循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生的時(shí)效現(xiàn)象。常見(jiàn)的研究方法主要分為以下幾種:

(1)Manson－Coffin方法。該方法主要針對(duì)低周疲勞破壞，研究的主體為發(fā)生疲勞破壞時(shí)的載荷反向次數(shù)與循環(huán)塑性應(yīng)變引起的塑性應(yīng)變幅間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

(2)通用斜率法。該方法是建立在Manson深入應(yīng)變循環(huán)中的彈性與塑性部分以及單軸拉伸性能基礎(chǔ)上的一種經(jīng)驗(yàn)公式。

(3)應(yīng)變范圍劃分法。該方法主要研究非彈性應(yīng)變材料，對(duì)于高溫條件下的額流變及蠕變機(jī)理進(jìn)行分析而得出的研究方法。

2．2多軸疲勞

又稱為復(fù)合疲勞，主要指材料或部件在多向應(yīng)變循環(huán)載荷作用下產(chǎn)生的疲勞，根據(jù)應(yīng)力的變化周期不同，可分為比例循環(huán)加載與非比例循環(huán)加載。我國(guó)對(duì)于多軸疲勞的研究起步較晚，條件較發(fā)達(dá)國(guó)家落后，但隨著電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)的誕生，我國(guó)的多軸疲勞研究也取得了巨大的突破，目前相對(duì)成熟的預(yù)測(cè)方法主要有以下幾種:

(1)線性累積損傷法。該方法最早由日本教授Taira提出，他將材料及構(gòu)建的損傷范圍劃分兩種，一種是與時(shí)間有關(guān)，另一種是與時(shí)間無(wú)關(guān)的疲勞累積損傷，通過(guò)線性疊加進(jìn)行壽命判定。該方法的操作簡(jiǎn)單，便于計(jì)算，但由于精確度不高，所以在實(shí)際的應(yīng)用中并未發(fā)揮有效的功能。自上世紀(jì)九十年代，Manson將該理論進(jìn)行了更為細(xì)致的劃分，通過(guò)計(jì)算循環(huán)次數(shù)，將疲勞過(guò)程中的裂紋形成與裂紋擴(kuò)展兩部分相分離，并在不同的階段分別采用線性累積損傷規(guī)律的方法進(jìn)行分析計(jì)算，從而使研究的數(shù)據(jù)更加的精準(zhǔn)，至此產(chǎn)生了雙線性疲勞累積損傷理念。本世紀(jì)初期，我國(guó)在該理論的研究上也得到了一定的突破，由王王旭亮等人組成的研究隊(duì)伍，針對(duì)傳統(tǒng)的Manson理論進(jìn)行分析，對(duì)于其無(wú)法考慮荷載加載順序這一缺陷進(jìn)行了技術(shù)糾正，通過(guò)研究不同載荷順序下的疲勞損傷程度，提出了疲勞損傷門(mén)檻值與擴(kuò)展值的概念，從而使該項(xiàng)理論得到了更加深化的全面，更加適用于渦輪葉片的疲勞壽命預(yù)測(cè)工作。

(2)粘塑性損傷統(tǒng)一本構(gòu)模型，顧名思義，是一種計(jì)算儀器，通過(guò)在該儀器中計(jì)入損傷變量、損傷演化方程等，進(jìn)行累積損傷的計(jì)算。該方法由于采用有限元數(shù)據(jù)分析技術(shù)，在工程結(jié)構(gòu)的處理上占有一定的優(yōu)勢(shì)，因此近年來(lái)一直作為羅輪葉片疲勞壽命研究的主要方法。我國(guó)更是在今年來(lái)通過(guò)研究，改善了傳統(tǒng)模型中的缺陷，塑造出了新的本構(gòu)模型，從而為我國(guó)今后的研究發(fā)展開(kāi)辟了新的道路。

(3)非線性有限元方法。通過(guò)采用該方法推算出渦輪葉片蠕變的演變規(guī)律，通過(guò)迭代得到總應(yīng)變，進(jìn)而預(yù)測(cè)出材料或結(jié)構(gòu)的壽命。在現(xiàn)代的疲勞預(yù)測(cè)工作中，技術(shù)人員常常將該方法與模型本構(gòu)模型結(jié)合使用，無(wú)論在計(jì)算方法還是結(jié)構(gòu)要求上都占有很大的優(yōu)勢(shì)。

3結(jié)語(yǔ)

渦輪葉片是燃?xì)廨啓C(jī)的重要組成部分，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不僅需要承受循環(huán)載荷，還要承載熱載荷與氣動(dòng)載荷，因此為了確保燃?xì)鉁u輪葉片在服役期間能夠安全可靠的運(yùn)行，應(yīng)結(jié)合先進(jìn)的研究方法與科學(xué)技術(shù)，對(duì)設(shè)備材料及部件進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)與計(jì)算，加強(qiáng)對(duì)其壽命的控制，從而確保燃?xì)廨啓C(jī)的正常運(yùn)作。

參考文獻(xiàn):

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［2］孫權(quán)，紀(jì)冬梅，郭恒超．燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片材料及疲勞蠕變研究進(jìn)展［J］．汽輪機(jī)技術(shù)，2017，59(02):81～83.

作者：朱滿軍；李瑞民；蘇寶華 單位：中國(guó)航發(fā)黎明