CN106202630A - 汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法，包括：根据和获得转子构件上高温危险点的平均应力和高温危险点的应力幅；获得转子构件的超高周疲劳S‑N曲线；根据转子构件的超高周疲劳S‑N曲线获得转子构件服役期对应的疲劳强度；根据获得转子构件带负荷稳定运行的等效单向对称应力幅；确定转子构件的许用安全系数；根据转子构件的许用安全系数进行转子构件的超高周疲劳强度校核；计算转子构件的安全疲劳寿命和超高周疲劳寿命损耗。本发明提供的汽轮机转子高温超高周疲劳疲劳强度和疲劳寿命评估方法，可以实现高温超高周疲劳强度、疲劳寿命和损耗的定量计算、评定。

Description

汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法

技术领域

本发明涉及汽轮机技术领域，具体涉及一种汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法。

背景技术

汽轮机转子在服役其间，不仅受到由热应力引起的低周疲劳荷载，还要在高温环境条件下承受由于转子和叶片自身重力引起的超高周疲劳载荷。对于全转速的汽轮机，疲劳循环加载频率为50Hz，如按平均每年运行8000小时计算，则在30年的服役期内，超高周疲劳循环高达4×10¹⁰周次，远远超出常规1×10⁷周次的设计范围，属于典型的高温超高周疲劳破坏问题。超高周疲劳载荷数值比较小，远低于屈服极限，因此在转子静强度计算分析中往往可以忽略不计，但对疲劳强度的影响则不能忽视，转子超高周疲劳问题逐渐引起人们的关注。

已有研究发现，汽轮机转子在服役多年之后，高温低应力区的疲劳损伤比较大，长期高温循环交变载荷对转子钢的疲劳性会产生较大影响，而且长期高温循环交变载荷导致材料严重劣化，汽轮机高温低应力段比高应力及中应力段更容易发生失效的观点亦得到汽轮机真实事故的证实。近期有学者详细研究了汽轮机转子在低周与超高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命，发现超高周疲劳载荷对汽轮机转子裂纹扩展寿命有比较大的影响，对汽轮机转子高温超高周疲劳强度计算和疲劳寿命预测研究变得非常重要。然而，到目前为止，还没有合适的方法对汽轮机转子高温超高周疲劳强度计算和疲劳寿命分析可供工程借鉴使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可供工程借鉴使用的汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法，实现汽轮机转子高温超高周疲劳强度与疲劳寿命损耗定量评估。

本发明通过下述技术方案实现：

一种汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法，包括：

根据和获得转子构件上高温危险点的平均应力和高温危险点的应力幅，其中，σ_m为高温危险点的平均应力，σ_a为高温危险点的应力幅，σ_max为高温危险点的最大应力，σ_min为高温危险点的最小应力；

获得转子构件的超高周疲劳S-N曲线；

根据转子构件的超高周疲劳S-N曲线获得转子构件服役期对应的疲劳强度；

根据获得转子构件带负荷稳定运行的等效单向对称应力幅，其中，σ_ea为转子构件带负荷稳定运行的等效单向对称应力幅，σ_-1D为转子构件服役期对应的疲劳强度，σ_Creep为转子钢材料的蠕变强度；

确定转子构件的许用安全系数；

根据转子构件的许用安全系数进行转子构件的超高周疲劳强度校核；

计算转子构件的安全疲劳寿命和超高周疲劳寿命损耗。

由于传统实验方法加载频率的限制，无法实现高温超高周疲劳(＞10⁸周次)加载，现有汽轮机转子设计当中，在采用的名义应力有限寿命设计方法时，直接忽略超高周疲劳载荷，导致转子疲劳强度和寿命计算结果偏差比较大。本发明技术方案提供的汽轮机转子高温超高周疲劳疲劳强度和疲劳寿命评估方法，可以实现高温超高周疲劳强度、疲劳寿命和损耗的定量计算、评定，可以得到准确的超高周疲劳寿命损耗的数值，为转子在蠕变、低周和超高周疲劳载荷作用下的疲劳强度和全寿命分析、寿命评定、优化设计等方面提供更为准确的数据支持，为汽轮机转子超长寿命服役安全运行提供了依据。进一步，本发明技术方案在确定转子构件带负荷稳定运行的等效单向对称应力幅时，考虑了转子钢材料的蠕变，采用转子钢的蠕变强度代替Goodman模型静态测试中的断裂强度，获得的转子构件带负荷稳定运行的等效单向对称应力幅更为准确。

可选的，获得转子构件的超高周疲劳S-N曲线包括：

测试转子钢材料的超高周疲劳S-N数据点(S₀,N₀)，其中，S₀为转子钢材料的超高周疲劳疲劳强度数据，N₀为转子钢材料的超高周疲劳疲劳寿命数据；

根据对转子钢材料的超高周疲劳S-N数据点进行修正，其中，S_D为转子构件的超高周疲劳疲劳强度数据，k_σD为疲劳强度降低系数；

对数据点(S_D,N₀)进行拟合以获得转子构件的超高周疲劳S-N曲线。

对于转子这种大型构件，疲劳测试技术难度比较大，而且在设计阶段，实际的转子尚未制造出来，无法进行实际的实验。另外从经济的角度来看，比较浪费资源，不利于成本控制。本发明技术方案利用实验方法得到转子钢材料的超高周疲劳S-N数据点，然后考虑各种因素，经过修正之后得到转子构件的超高周疲劳S-N曲线。方案易于实现，实现所需成本较低。

可选的，采用高温超声疲劳实验方法测试转子钢材料的超高周疲劳S-N数据点(S₀,N₀)。要实现10¹⁰周次以上的超高周疲劳循环加载，即使采用现在比较新的300Hz的高频疲劳实验机，需要接近一年的时间才能完成，而超声疲劳实验系统的加载频率为20kHz，只需要140小时，大大缩短了实验时间，降低了实验成本。

可选的，疲劳强度降低系数根据确定，其中，k_σ为转子构件的形状系数，ε为转子构件的尺寸系数，β₁为转子构件的表面加工情况系数。

可选的，转子构件的形状系数取值范围为1.5至3.0，转子构件的尺寸系数取值范围为0.5至0.7，转子构件的表面加工情况系数取值范围为0.8至1.0。

可选的，采用三维有限元分析方法获得高温危险点的最大应力和高温危险点的最小应力。

可选的，转子构件的许用安全系数根据[n]＝n_sn₁确定，其中，[n]为转子构件的许用安全系数，n_s为强度安全系数，n₁为应力安全系数。

可选的，计算转子构件的安全疲劳寿命和超高周疲劳寿命损耗包括：

根据σ_ena＝[n]σ_ea获得转子构件的安全应力，其中，σ_ena为转子构件的安全应力，[n]为转子构件的许用安全系数；

将转子构件的安全应力代入转子构件的超高周疲劳S-N曲线获得转子构件的安全疲劳寿命；

根据获得转子构件的超高周疲劳寿命损耗，其中，E_VHCF为转子构件的超高周疲劳寿命损耗，N_f为转子构件服役期，N_VHCF为转子构件的安全疲劳寿命。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法，可以实现高温超高周疲劳强度、疲劳寿命和损耗的定量计算、评定，可以得到准确的超高周疲劳寿命损耗的数值，为转子在蠕变、低周和超高周疲劳载荷作用下的疲劳强度和全寿命分析、寿命评定、优化设计等方面提供更为准确的数据支持，为汽轮机转子超长寿命服役安全运行提供了依据。

本发明技术方案利用实验方法得到转子钢材料的超高周疲劳S-N数据点，然后考虑各种因素，经过修正之后得到转子构件的超高周疲劳S-N曲线。方案易于实现，实现所需成本较低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例的汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法的流程示意图；

图2是本发明实施例的转子钢材料极限应力图；

图3是本发明实施例的转子构件的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

图1是本发明实施例的汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法的流程示意图，所述汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法包括：

步骤S11，根据和获得转子构件上高温危险点的平均应力和高温危险点的应力幅，其中，σ_m为高温危险点的平均应力，σ_a为高温危险点的应力幅，σ_max为高温危险点的最大应力，σ_min为高温危险点的最小应力。

具体地，转子构件在其自身重力作用下，转子构件上的高温危险点旋转到下表面(即转子构件底部270°位置)受到最大应力，转子构件上的高温危险点旋转到上表面(即转子构件顶部90°)受到最小应力。当转子构件高速旋转时，形成周期性拉压的交变应力，属于典型的旋转弯曲类型。转子构件每旋转1周，就产生1个周次疲劳循环加载，则在30年的服役期内，超高周疲劳循环高达4×10¹⁰周次，采用现有的三维有限元分析方法计算汽轮机转子构件超高周疲劳循环的交变应力。

汽轮机转子所承受的载荷包括热载荷与力载荷两大类。首先加载汽轮机额定工况的热载荷，可以计算汽轮机转子带负荷稳定运行的稳态温度场。然后同时加载转子构件温度分布不均匀引起的热载荷、离心载荷和重力载荷，并考虑转子构件的残余应力，计算得到额定工况下转子构件的应力场，转子构件各点应力是复杂的多轴应力状态。依据工程经验，根据一定的强度理论计算单轴等效应力，一般采用第一强度理论(最大主应力准则)和第四强度理论(Mises准则)，确定高温危险点的最大应力σ_max和高温危险点的最小应力σ_min。在本实施例中，采用第四强度理论(Mises准则)，计算在额定负荷运行工况下，转子构件在其自身重力作用下高温危险点的最大应力σ_max和高温危险点的最小应力σ_min。本领域技术人员知晓如何采用第四强度理论计算高温危险点的最大应力σ_max和高温危险点的最小应力力σ_min，在此不再赘述。

步骤S12，获得转子构件的超高周疲劳S-N曲线。转子构件的超高周疲劳S-N曲线是预测转子构件疲劳寿命和进行抗疲劳设计的基础，要得到转子构件的超高周疲劳S-N曲线，最好的方法是对全尺寸转子构件进行实验，得到转子构件的超高周疲劳S-N曲线。然而，对于转子这种大型构件，疲劳测试技术难度比较大，而且在设计阶段，实际的转子构件尚未制造出来，无法进行实际的实验。因而在本实施例中，采用实验的方法获得转子钢材料的超高周疲劳S-N数据点，然后考虑各种因素，经过修正之后得到转子构件的超高周疲劳S-N曲线。

具体地，测试转子钢材料的超高周疲劳S-N数据点(S₀,N₀)，其中，S₀为转子钢材料的超高周疲劳疲劳强度数据，N₀为转子钢材料的超高周疲劳疲劳寿命数据。采用高温超声疲劳实验方法，加载频率为20kHz，进行转子钢材料在室温至700℃范围内、10⁵至10¹⁰周次循环加载的高温超高周疲劳测试。采用高温超声疲劳实验方法，是利用高频感应加热设备为试件加热，使用红外测温仪对试件中间段区域的温度进行实时动态监测，最终实现高温条件下的快速疲劳加载。高温超声疲劳实验系统及实验方法可参考申请号为201320477008.8、实用新型名称为“基于感应加热的高温超长寿命疲劳实验系统”的中国实用新型专利中的具体描述。在本实施例中，进行转子钢材料的超高周疲劳S-N数据点的测试，应力间隔小于20MPa，每个应力测试不少于3个数据点，得到转子钢材料的超高周疲劳S-N数据点。

由实验测试得到的转子钢材料的超高周疲劳S-N数据点只能代表标准光滑标准试样的疲劳性能，不能直接代表实际转子构件的疲劳性能。在转子钢材料的超高周疲劳S-N数据的基础上，要综合考虑转子构件的形状、转子构件的尺寸、转子构件的表面加工情况对转子构件疲劳强度的影响。一般情况下，与标准光滑试件相比，大尺寸转子构件的疲劳寿命不变、疲劳强度要降低很多。具体地，根据对转子钢材料的超高周疲劳S-N数据点进行修正，其中，S_D为转子构件的超高周疲劳疲劳强度数据，k_σD为疲劳强度降低系数。疲劳强度降低系数k_σD是疲劳寿命的函数，考虑转子构件的形状、转子构件的尺寸、转子构件的表面加工情况影响，在本实施例中，疲劳强度降低系数根据确定，其中，k_σ为转子构件的形状系数，ε为转子构件的尺寸系数，β₁为转子构件的表面加工情况系数。在本实施例中，转子构件的形状系数取值范围为1.5至3.0，转子构件的尺寸系数取值范围为0.5至0.7，转子构件的表面加工情况系数取值范围为0.8至1.0。

对数据点(S_D,N₀)进行拟合以获得转子构件的超高周疲劳S-N曲线。具体地，可以采用Basquin公式进行拟合。本领域技术人员知晓如何采用Basquin公式对数据点(S_D,N₀)进行拟合，在此不再赘述。

步骤S13，根据转子构件的超高周疲劳S-N曲线获得转子构件服役期对应的疲劳强度。对于转子构件的超高周疲劳S-N曲线上的点，横坐标表示疲劳寿命，纵坐标表示疲劳强度。在转子构件的超高周疲劳S-N曲线获得横坐标值为转子构件服役期的点，其纵坐标值则为转子构件30年的服役期对应的疲劳强度。

步骤S14，根据获得转子构件带负荷稳定运行的等效单向对称应力幅，其中，σ_ea为转子构件带负荷稳定运行的等效单向对称应力幅，σ_-1D为转子构件服役期对应的疲劳强度，σ_Creep为转子钢材料的蠕变强度，取值为100MPa。

具体地，决定零部件疲劳强度最主要的因素是应力幅，但平均应力对疲劳强度的影响也不能忽略，平均应力对疲劳强度的影响一般用极限应线图表示。在疲劳设计中，常用含有平均应力(R≠-1)的交变应力，转换为等效(R＝-1)的等效应力幅，表示相同寿命条件的不同应力组会(σ_a,σ_m)。对于平均拉伸应力的影响，现有技术中有多种疲劳极限应力线。其中，Goodman方法偏于保守，更加安全且简单，在工程上已有较多应用。在本实施例中，考虑到长时间高温环境条件，转子钢材料的蠕变必须要考虑，因而对Goodman模型进行了改进，采用转子钢的蠕变强度代替静态测试中的断裂强度。图2是本发明实施例的转子钢材料极限应力图，直线AB为转子构件的极限应力线，通过m点做AB的平行线，可得到直线EF，即为转子构件实际运行的载荷极限应力线，σ_ea为转子构件带负荷稳定运行的等效单向对称应力幅。

步骤S15，确定转子构件的许用安全系数。疲劳强度和疲劳寿命的随机性是由两大类基本随机变量的不确定性造成的，一类是材料微观结构的不均匀性，另一类是外载荷的随机性。超高周疲劳疲劳疲劳寿命的分散性一般远大于低周疲劳短寿命的分散性。许用安全系数也可以通过可靠性理论进行计算。工程上采用经验系数保证转子设计的安全有效，转子构件的许用安全系数根据[n]＝n_sn₁确定，其中，[n]为转子构件的许用安全系数，n_s为强度安全系数，n₁为应力安全系数。当材料性能比较均匀时，n_s＝1.1～1.2；当材料性能不均匀时，n_s＝1.5。当载荷及应力都很精确时，n₁＝1.1～1.2；当载荷及应力不精确且有冲击和高应力载荷时，n₁＝1.5～2.0。在本实施例中，转子构件的许用安全系数[n]的取值范围为1.3至2.0。

步骤S16，根据转子构件的许用安全系数进行转子构件的超高周疲劳强度校核。具体地，转子构件的超高周疲劳疲劳强度安全性评定判据为：

$\frac{{\mathrm{\σ}}_{-1D}}{{\mathrm{\σ}}_{ea}}>\[n\]$

即计算的安全系数大于许用安全系数才能满足转子构件的超高周疲劳疲劳强度的要求。

步骤S17，计算转子构件的安全疲劳寿命和超高周疲劳寿命损耗。具体地，根据σ_ena＝[n]σ_ea获得转子构件的安全应力，其中，σ_ena为转子构件的安全应力。将转子构件的安全应力代入转子构件的超高周疲劳S-N曲线获得转子构件的安全疲劳寿命。在转子构件的超高周疲劳S-N曲线获得纵坐标值为转子构件的安全应力的点，其横坐标值则为转子构件的安全疲劳寿命。根据获得转子构件的超高周疲劳寿命损耗，其中，E_VHCF为转子构件的超高周疲劳寿命损耗，N_f为转子构件服役期，即4×10¹⁰周次，N_VHCF为转子构件的安全疲劳寿命。获得转子构件的安全疲劳寿命和超高周疲劳寿命损耗后，结合步骤S16给出结果：若计算的安全系数大于许用安全系数且转子构件的安全疲劳寿命满足要求，则可以按照现有的设计生产转子构件，否则参考转子构件的安全疲劳寿命和超高周疲劳寿命损耗，重新设计转子构件或者选择性能更好的材料作为转子构件的生产材料。

为更好地说明本发明实施例的效果，在图3所示的汽轮机转子的设计阶段，采用本发明实施例提供的汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度和疲劳寿命评估方法，对该转子的危险薄软部位P进行高温超高周疲劳疲劳强度检核和疲劳寿命损耗计算。P处的温度为600℃，而且引起应力集中，在工程上是常见的引起疲劳破坏的位置，该汽轮机转子预采用马氏体耐热钢。

执行步骤S11，图3所示的转子构件在稳态运行条件下的超高周疲劳载荷分析，结果如表一所示：

表一

执行步骤S12和步骤S13，获得采用马氏体耐热钢制造的该转子构件服役期对应的疲劳强度如表二所示：

表二

执行步骤S14，获得转子构件带负荷稳定运行的等效单向对称应力幅为15.7MPa。考虑到该转子所使用的材料比较均匀，而且载荷分析也比较精确，步骤S15中转子构件的许用安全系数取值为1.5。执行步骤S16，转子构件的超高周疲劳疲劳强度安全性评定判据为：

$\frac{{\mathrm{\σ}}_{-1D}}{{\mathrm{\σ}}_{ea}}=2.47>\[n\]$

计算的安全系数大于许用安全系数，满足转子构件的超高周疲劳疲劳强度的要求。执行步骤S17，获得该转子构件的安全疲劳寿命为5.568×10¹¹，获得该转子构件的超高周疲劳寿命损耗为0.07。该转子构件的超高周疲劳强度满足设计的安全要求，超高周疲劳寿命损耗为0.07，虽然比较小，但是不能忽略不计。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法，其特征在于，包括：

根据和获得转子构件上高温危险点的平均应力和高温危险点的应力幅，其中，σ_m为高温危险点的平均应力，σ_a为高温危险点的应力幅，σ_max为高温危险点的最大应力，σ_min为高温危险点的最小应力；

获得转子构件的超高周疲劳S-N曲线；

根据转子构件的超高周疲劳S-N曲线获得转子构件服役期对应的疲劳强度；

根据获得转子构件带负荷稳定运行的等效单向对称应力幅，其中，σ_ea为转子构件带负荷稳定运行的等效单向对称应力幅，σ_-1D为转子构件服役期对应的疲劳强度，σ_Creep为转子钢材料的蠕变强度；

确定转子构件的许用安全系数；

根据转子构件的许用安全系数进行转子构件的超高周疲劳强度校核；

计算转子构件的安全疲劳寿命和超高周疲劳寿命损耗。

2.根据权利要求1所述的汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法，其特征在于，获得转子构件的超高周疲劳S-N曲线包括：

测试转子钢材料的超高周疲劳S-N数据点(S₀,N₀)，其中，S₀为转子钢材料的超高周疲劳疲劳强度数据，N₀为转子钢材料的超高周疲劳疲劳寿命数据；

根据对转子钢材料的超高周疲劳S-N数据点进行修正，其中，S_D为转子构件的超高周疲劳疲劳强度数据，k_σD为疲劳强度降低系数；

对数据点(S_D,N₀)进行拟合以获得转子构件的超高周疲劳S-N曲线。

3.根据权利要求2所述的汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法，其特征在于，采用高温超声疲劳实验方法测试转子钢材料的超高周疲劳S-N数据点(S₀,N₀)。

4.根据权利要求2所述的汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法，其特征在于，疲劳强度降低系数根据确定，其中，k_σ为转子构件的形状系数，ε为转子构件的尺寸系数，β₁为转子构件的表面加工情况系数。

5.根据权利要求4所述的汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法，其特征在于，转子构件的形状系数取值范围为1.5至3.0，转子构件的尺寸系数取值范围为0.5至0.7，转子构件的表面加工情况系数取值范围为0.8至1.0。

6.根据权利要求1所述的汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法，其特征在于，采用三维有限元分析方法获得高温危险点的最大应力和高温危险点的最小应力。

7.根据权利要求1所述的汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法，其特征在于，转子构件的许用安全系数根据[n]＝n_sn₁确定，其中，[n]为转子构件的许用安全系数，n_s为强度安全系数，n₁为应力安全系数。

8.根据权利要求1所述的汽轮机转子超高周疲劳疲劳强度与疲劳寿命评估方法，其特征在于，计算转子构件的安全疲劳寿命和超高周疲劳寿命损耗包括：

根据σ_ena＝[n]σ_ea获得转子构件的安全应力，其中，σ_ena为转子构件的安全应力，[n]为转子构件的许用安全系数；

将转子构件的安全应力代入转子构件的超高周疲劳S-N曲线获得转子构件的安全疲劳寿命；

根据获得转子构件的超高周疲劳寿命损耗，其中，E_VHCF为转子构件的超高周疲劳寿命损耗，N_f为转子构件服役期，N_VHCF为转子构件的安全疲劳寿命。