CN116720279A - 一种汽轮机高中压转子蠕变损伤强度设计方法 - Google Patents

一种汽轮机高中压转子蠕变损伤强度设计方法 Download PDF

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李健
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Abstract

本发明提供了一种汽轮机高中压转子蠕变损伤强度设计方法，包括以下步骤：采集汽轮机高中压转子的运行参数，汽轮机高中压转子的性能参数以及转子设计寿命，根据转子的运行参数和性能参数将转子分为非蠕变区域和蠕变区域；非蠕变区域转子进行常温强度设计，获得非蠕变区域转子的设计强度数据；蠕变区域根据转子的运行温度、载荷和运行寿命数据结合蠕变损伤原理进行蠕变损伤强度设计，获得高中压转子蠕变区域的蠕变损伤强度数据；基于高中压转子非蠕变区域的设计强度数据和蠕变区域的蠕变损伤强度数据，获得完善后的汽轮机高中压转子强度设计方法。本方法通过改进现有的汽轮机高中压转子蠕变设计准则，构建了更加完整的汽轮机转子设计体系。

Description

一种汽轮机高中压转子蠕变损伤强度设计方法
技术领域
本发明属于汽轮机转子技术领域，尤其涉及一种汽轮机高中压转子在高温与高压作用下的蠕变损伤强度与寿命设计方法。
背景技术
汽轮机核心部件-高中压转子长期在高温高压的工作环境下运行，蠕变损伤是导致转子最终失效的重要原因，目前我国汽轮机组高温部件的设计主要考虑温度引起的热膨胀、热变形及热应力等，仅在个别情况下进行蠕变计算，且缺乏对蠕变损伤因素的考虑，所以当转子长期服役后，用当前的设计标准预测容易高估转子的剩余使用寿命，需要改进汽轮机高温构件的蠕变设计方法，在汽轮机高中压转子设计时开展蠕变损伤强度设计和寿命损耗预测。
转子强度设计包含了转子材料许用强度和工作强度两个要素，转子材料许用强度根据材料蠕变极限或持久强度除以一安全系数得到；转子工作强度通过转子的外加载荷和服役环境计算得到。当工作强度不超过许用强度时，转子是安全的。因为蠕变的时间相关性，所以蠕变强度设计要求在规定的时间内转子的工作强度不超过许用强度值。汽轮机转子的设计寿命一般是30年左右，高中压转子的蠕变设计既要考虑材料在长时间载荷作用下的破坏抗力，又要限制给定温度和规定时间内转子产生的总变形量，或者是产生的蠕变速度，所以高中压转子的蠕变损伤设计需要综合蠕变损伤应力设计和蠕变损伤应变设计。对在役高中压转子，用蠕变损伤设计方法可以评估转子的蠕变损伤状态，并预测其剩余使用寿命，实现转子寿命(损伤)再设计。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种汽轮机高中压转子的蠕变损伤强度设计方法，以解决在高中压转子强度设计阶段，现有蠕变设计方法中未考虑蠕变损伤影响因素的问题；以及在高中压转子服役阶段，根据蠕变损伤大小对转子进行寿命再设计，以解决预测服役转子的剩余使用寿命问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种汽轮机高中压转子蠕变损伤强度设计方法，包括以下步骤：
采集汽轮机高中压转子的运行参数，汽轮机高中压转子的性能参数以及转子设计寿命，根据所述转子的运行参数和性能参数将转子分为非蠕变区域和蠕变区域；
非蠕变区域根据所述转子承受的载荷和转子材料的屈服强度、抗拉强度和抗弯强度数据进行常温强度设计，获得非蠕变区域转子的设计强度数据；
蠕变区域根据所述转子的运行温度、载荷和运行寿命数据结合蠕变损伤原理进行蠕变损伤强度设计，获得高中压转子蠕变区域的蠕变损伤强度数据；
基于所述高中压转子非蠕变区域的设计强度数据和蠕变区域的蠕变损伤强度数据，获得完善后的汽轮机高中压转子强度设计方法。
优选地，所述分为非蠕变区域和蠕变区域的方法包括：根据所述转子承受载荷且转子运行温度大于转子材料熔点温度的30％划为高中压转子的蠕变区域，否则划为非蠕变区域。
优选地，所述蠕变损伤强度设计方法是在传统蠕变设计的基础上增加了蠕变损伤因素，蠕变损伤强度设计包括蠕变损伤应力设计、蠕变损伤应变设计、蠕变损伤寿命设计和蠕变损伤设计。
优选地，所述蠕变损伤应力设计方法包括：
根据最大主应力和Von Mises应力计算转子运行寿命内的蠕变损伤等效应力；
根据转子运行寿命内的蠕变持久强度与许用应力安全系数确定转子的蠕变损伤许用应力，对工作温度高于400℃的转子，许用应力取运行温度下的许用屈服强度、许用持久强度和许用蠕变强度中的最小值；
根据所述蠕变损伤等效应力和蠕变损伤许用应力设计转子的蠕变应力安全强度。
优选地，所述蠕变损伤应变设计方法包括：
根据所述蠕变损伤等效应力计算蠕变损伤等效应变；
所述蠕变损伤等效应变应小于汽轮机转子蠕变损伤许用应变；
根据所述蠕变损伤等效应变和蠕变损伤许用应变设计转子的蠕变应变安全强度。
优选地，所述蠕变损伤寿命设计方法包括：
获取转子材料在转子运行参数条件下的蠕变曲线；
通过许用蠕变损伤应变作为判据，得到转子的蠕变损伤设计寿命；
转子的蠕变损伤设计寿命要超过汽轮机组的设计寿命。
优选地，所述转子强度设计方法还包括转子剩余使用寿命预测，包括以下步骤：
根据蠕变损伤模型预测设计寿命内转子的蠕变损伤；蠕变损伤的函数表达式为：
q是表征蠕变硬化的符号，对应不同的蠕变硬化情况/损伤机理，q的形式各不相同：时间硬化时q＝t；能量硬化时应变硬化时/>
根据蠕变损伤模型确定对应的许用蠕变损伤值；
根据蠕变损伤预测值和许用蠕变损伤值设计转子的剩余使用寿命。
优选地，所述高中压转子强度设计的方法包括：
基于所述高中压转子非蠕变区域常温设计强度和高中压转子蠕变区域蠕变损伤设计强度构建初始转子总体设计强度；
对初始转子进行蠕变损伤模拟计算预测试验和实际转子热跑试验，获得转子在设计寿命内的蠕变损伤模拟预测数据和实际蠕变变形数据；
将蠕变损伤模拟预测数据和实际蠕变变形数据与工况要求许用蠕变损伤应力、应变和寿命对比，当蠕变损伤预测数据和蠕变变形数据符合许用蠕变损伤强度要求时，得到高中压转子设计强度。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明所述的汽轮机高中压转子蠕变损伤强度设计方法，通过构建更加完善的汽轮机高中压转子强度设计体系，改进现有的蠕变设计方法，在当前蠕变设计的基础上增加了蠕变损伤因素，得到了汽轮机高中压转子蠕变损伤设计方法。针对已服役转子，提出了用蠕变损伤值D作为判断标准的蠕变损伤寿命再设计流程。最终保证汽轮机高中压转子的安全服役。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的汽轮机高中压转子蠕变损伤强度设计方法流程图；
图2为本发明实施例的汽轮机高中压转子蠕变区域与非蠕变区域划分图；
图3为本发明实施例的汽轮机高中压转子在自身离心力载荷下，运行时长为100000小时的蠕变损伤大小及分布图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例1
如图1所示，本发明提出了一种汽轮机高中压转子蠕变损伤强度设计方法，包括以下步骤：
采集汽轮机高中压转子运行温度大小和分布、转子各部位承受的载荷、转子工作转速、转子年平均运行时长、转子材料的熔点、弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度、抗弯强度、延伸率和断面收缩率以及转子材料在转子运行温度和承受载荷条件下的蠕变速率和持久强度。
根据所述运行温度和载荷将转子分为非蠕变区域和蠕变区域：承受载荷且转子运行温度大于转子材料熔点温度的30％的转子部位划为高中压转子的蠕变区域，否则划为非蠕变区域：以一个30CrMoV钢的高中压转子为例，蠕变区域和非蠕变区域划分如图2所示；
非蠕变区域根据所述转子承受的载荷和转子材料的屈服强度、抗拉强度和抗弯强度进行常温强度设计，获得非蠕变区域转子的设计强度数据；
蠕变区域根据所述转子的运行温度、载荷和运行寿命数据结合蠕变损伤原理进行蠕变损伤强度设计，获得高中压转子蠕变区域的蠕变损伤强度数据。对于已服役的汽轮机高中压转子，可以预测其当前的蠕变损伤状态(如图3所示)和剩余使用寿命；
基于所述高中压转子非蠕变区域的设计强度和蠕变区域的蠕变损伤强度，获得完善后的汽轮机高中压转子强度设计数据。
进一步的优化方案，非蠕变区域，可以选择用分段法、整体法或者“力法”进行整锻转子或焊接转子的强度计算，根据转子结构和工作要求分别选用第一、二、三、四强度理论判断转子的安全性能：用最大剪应力理论设计转子与叶轮相接的各级轴内孔；用最大拉应力和切应力理论设计转子与轮毂的连接位置；用形状改变比能和最大拉应变强度理论设计短路力矩作用下的转子各轴段和应力集中区域。
进一步的优化方案，蠕变区域，首先区分不同的蠕变温度区间，在各自温度区间内分别输入材料力学性能参数计算转子的蠕变损伤应力应变
进一步的优化方案，传统的蠕变设计根据限制方式的差别可以分为三种：
1、蠕变寿命设计tw≤[tF]，tF是材料失效时间([]代表许用值)；
2、蠕变应力设计σe,c≤[σF]，σe,c是等效应力，σF是失效应力；
3、蠕变应变设计εe,c≤[εF]，εe,c是等效应变，εF是失效应变。
这三种设计方法相互关联，根据实际情况选用。
加入损伤因素后，新的蠕变设计根据限制方式分为蠕变损伤应力设计、蠕变损伤应变设计、蠕变损伤寿命设计和蠕变损伤设计：
蠕变损伤应力设计
等效应力计算是蠕变损伤应力设计中的关键问题，等效应力表达式通常由最大主应力σ1和Von Mises应力σVM构成，多轴等效应力包括多种的不同计算方法，例如：
K-R和多变量多轴损伤本构中大多采用的是Sdobyrev第一等效应力
σe,c＝ασ1+(1-α)σVM,(0≤α≤1)
基于塑性孔洞机理提出的蠕变等效应力
σe,ch＝ασ1+3βσm+(1-α-β)σVM,(0≤α+β≤1)
低碳钢蠕变断裂研究的基础上提出的蠕变等效应力
本实施例采用Sdobyrev第一等效应力当α＝0的蠕变等效应力。
当计算二维转子问题时，整体面上的应力状态可视为平面应力，然而如轴上的弹性槽、汽封槽及末级叶片枞树形叶根靠中部的齿根这些大构件中的缺口、凹槽底部等区域，则可视为平面应变状态。计算时可采用Y.N.Rabotnov在研究单轴拉伸蠕变时提出的等效应力：
得到等效应力σe,c后，与许用应力值进行对比，蠕变应力设计中的许用应力通常采用蠕变极限和持久强度作为判断标准：蠕变极限规定了在某一温度下和时间内产生一定蠕变变形或蠕变速率的应力；持久强度则是规定在某一温度和时间内发生蠕变断裂的应力。在长时蠕变过程中，许用应力应该是温度和时间的函数，可以定义安全系数为变化量，因此定义许用应力的安全系数为：n＝n0·f(t,T)
进一步地优化方案，蠕变损伤应变设计如下：
根据蠕变曲线的特征，通常情况下可以规定许用蠕变应变是应变曲线的斜率出现失稳时的应变。对不同高温构件，许用应变可以根据需要限制，例如高温管道，ASME N-47标准把应变分成薄膜应变、弯曲应变和局部应变分别设定规范。本实施例将转子变形量达到1％时的应变值作为蠕变损伤许用应变。
蠕变损伤应变设计是转子这类功能构件蠕变设计中的重要内容，蠕变应变需要利用蠕变损伤模型根据蠕变损伤应力计算得到。
进一步地优化方案，蠕变损伤寿命设计如下：
蠕变损伤寿命设计可以通过计算材料蠕变曲线的方法，用损伤应力或应变判据得到转子的蠕变失效寿命，损伤应力和损伤应变参照所述蠕变损伤应力设计方法和蠕变损伤应变设计方法的讨论，由蠕变损伤模型确定。一般转子的设计寿命要超过汽轮机组的设计寿命。
除了用蠕变曲线设计寿命外，还可以利用等效应力，通过L-M、M-H等时间模型将实验室的短时失效时间外推得到实际失效时间。用参数法外推蠕变寿命，最重要的是用数学方法优化确定准确的材料热强参数。寿命外推计算过程可通过Larson-Miller法计算，实际上热强参数值和材料的其它性能参数一样，随着材料劣化而改变，在长期蠕变过程中并不是一个恒定值，所以用这种方法得到的失效寿命误差较大，多用于粗略的工程估算。
进一步地优化方案，蠕变损伤寿命再设计如下：
为了保证汽轮机组安全运行，有必要对已服役的高中压转子开展寿命再设计计算：当获取转子的相关运行及材料数据之后，根据蠕变损伤模型，评估转子蠕变损伤并计算其剩余使用寿命。30C蠕变损伤再设计流程如图2所示。
如果当前蠕变损伤小于许用蠕变损伤值，认为高中压转子可以继续安全使用，否则转子报废或者更换其中损伤严重的零部件重新设计，直到转子达到许用安全标准为止。
目前常用的几种蠕变损伤模型可以归纳为时间硬化、应变硬化和能量硬化3种形式，蠕变损伤的一般函数可以写成如下形式：
其中q是表征蠕变硬化的符号，对应不同的蠕变硬化情况/损伤机理，q的形式各不相同：
时间硬化的情况：
q＝t
能量硬化的情况：
应变硬化的情况：
这三种情况包含了众多蠕变损伤应力应变本构关系。本实施例就能量耗散功理论与连续介质力学方程得到的蠕变损伤模型方程如下，模型对应的许用损伤值为1。
实施例2
本发明提供了一种汽轮机高中压转子蠕变损伤强度设计方法，包括以下步骤：
采集高中压转子温度场的温度、转子各部位承受载荷、转子设计寿命和转子材料性能数据，根据所述转子承受载荷以及运行温度超过转子材料熔点温度的30％将转子分为非蠕变区域和蠕变区域；
非蠕变区域根据所述载荷条件下的应力/应变的小于转子材料的许用应力/应变进行常温强度设计，获得高中压转子非蠕变区域的设计强度数据；
蠕变区域根据所述转子的运行温度，承受载荷和转子设计寿命结合蠕变损伤原理进行蠕变损伤强度设计，获得高中压转子蠕变区域蠕变损伤强度数据；
基于所述高中压转子非蠕变区域的设计强度和蠕变区域的蠕变损伤强度，获得高中压转子强度设计方法。
在汽轮机高中压转子服役阶段，利用蠕变损伤设计方法对转子进行寿命再设计。
优选地，所述高中压转子运行参数包括转子运行温度大小和分布，转子各部位承受的载荷，转子的工作转速，以及转子年平均运行时长。
优选地，所述转子材料力学性能参数包括材料弹性模量、屈服强度、抗拉强度、抗弯强度、延伸率和断面收缩率，材料在转子运行温度和载荷条件下的蠕变速率和持久强度。
优选地，根据所述转子运行参数进行设计的方法包括：根据运行参数确定转子常温条件下的工作应力/应变，根据工作应力/应变不超过材料抗拉强度/许用应变得到非蠕变区域高温转子数据。
优选地，所述蠕变区域根据所述转子运行参数结合蠕变损伤原理进行设计的方法包括蠕变损伤应力设计、蠕变损伤应变设计和蠕变损伤寿命设计和蠕变损伤设计。
优选地，所述蠕变损伤应力设计的方法包括：
(1)通过最大主应力σ1和Von Mises应力σVM求取转子运行寿命内的蠕变损伤等效应力σe,c：σe,c＝ασ1+(1-α)σVM,(0≤α≤1) (1)
式(1)中，α是应力系数；
(2)基于转子运行寿命内的蠕变持久强度σ(t,T)与许用应力安全系数n(t,T)确定转子的蠕变损伤许用应力[σ]；
对工作温度高于400℃的转子，为了限制材料在工作期间的蠕变变形量和保证在工作期间不萌生裂纹，许用应力应取以下最小值：
式(2)中，σ0.2是工作温度下的屈服强度，是工作温度下105小时的持久强度，是工作温度下105小时变形量为1％时的蠕变强度，n0.2＝2～2.2，/>
(3)根据许用蠕变损伤应力设计高中压转子的安全应力强度：σe,c≤[σ] (3)
优选地，所述蠕变损伤应变设计的方法包括：
(1)基于蠕变损伤模型通过所述的蠕变损伤应力σe,c计算得到蠕变损伤等效应变εe,c：
式(4)中，A、B、F、G、H和I是材料常数，Q是表面活化能，R是气体常数，γ对应于损伤产生的活化能变化。
(2)为了防止转子功能失效，规定汽轮机转子蠕变损伤许用应变[ε]是105小时内转子变形量为1％对应的最大应变
(3)根据蠕变损伤许用应变设计转子的安全应变强度：εe,c≤[ε] (5)
优选地，所述蠕变损伤寿命设计的方法包括：
获取转子材料在所述运行参数下的蠕变曲线；
用所述的许用蠕变损伤应变为判据获得转子的蠕变损伤失效寿命tf。
转子的蠕变损伤设计寿命t要超过汽轮机组的设计寿命：t＞tf (6)
优选地，所述蠕变损伤设计的方法包括：
根据蠕变损伤模型计算转子在所述设计寿命内的蠕变损伤D大小。蠕变损
伤计算表达式是：
式(7)中，q是表征蠕变硬化的符号，对应不同的蠕变硬化情况/损伤机理，q的形式各不相同：时间硬化时q＝t；能量硬化时应变硬化时/>
根据蠕变损伤模型确定对应的许用蠕变损伤值:[D]＝1；
以许用蠕变损伤值[D]为判据，预测转子的蠕变损伤状态并设计其剩余使用寿命：D<[D](8)
优选地，所述获得高温转子的方法包括：
基于所述高中压转子非蠕变区域常温设计强度和高中压转子蠕变区域蠕变损伤设计强度构建初始转子的总体设计强度；
对初始转子进行蠕变损伤模拟计算试验和实际转子热跑试验，获得转子在设计寿命内的蠕变损伤模拟数据和实际蠕变变形数据；
将蠕变损伤模拟数据和实际蠕变变形数据与工况许用蠕变损伤强度要求数据对比，当蠕变损伤预测数据和蠕变变形数据符合许用蠕变损伤强度要求时，得到安全的高中压转子设计强度。
优选地，对已服役高中压转子进行寿命再设计时，基于蠕变损伤模型通过蠕变损伤试验值评估转子损伤状态，预测转子剩余使用寿命。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种汽轮机高中压转子蠕变损伤强度设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集汽轮机高中压转子的运行参数，汽轮机高中压转子的性能参数以及转子设计寿命，根据所述转子的运行参数和性能参数将转子分为非蠕变区域和蠕变区域；
非蠕变区域根据所述转子承受的载荷和转子材料的屈服强度、抗拉强度和抗弯强度数据进行常温强度设计，获得非蠕变区域转子的设计强度数据；
蠕变区域根据所述转子的运行温度、载荷和运行寿命数据结合蠕变损伤原理进行蠕变损伤强度设计，获得高中压转子蠕变区域的蠕变损伤强度数据；
基于所述高中压转子非蠕变区域的设计强度数据和蠕变区域的蠕变损伤强度数据，获得完善后的汽轮机高中压转子强度设计方法。
2.根据权利要求1所述的汽轮机高中压转子蠕变损伤强度设计方法，其特征在于，
所述分为非蠕变区域和蠕变区域的方法包括：根据所述转子承受载荷且转子运行温度大于转子材料熔点温度的30％划为高中压转子的蠕变区域，否则划为非蠕变区域。
3.根据权利要求1所述的汽轮机高中压转子蠕变损伤强度设计方法，其特征在于，
所述蠕变损伤强度设计方法是在传统蠕变设计的基础上增加了蠕变损伤因素，蠕变损伤强度设计包括蠕变损伤应力设计、蠕变损伤应变设计、蠕变损伤寿命设计和蠕变损伤设计。
4.根据权利要求3所述的汽轮机高中压转子蠕变损伤强度设计方法，其特征在于，所述蠕变损伤应力设计方法包括：
根据最大主应力和Von Mises应力计算转子运行寿命内的蠕变损伤等效应力；
根据转子运行寿命内的蠕变持久强度与许用应力安全系数确定转子的蠕变损伤许用应力，对工作温度高于400℃的转子，许用应力取运行温度下的许用屈服强度、许用持久强度和许用蠕变强度中的最小值；
根据所述蠕变损伤等效应力和蠕变损伤许用应力设计转子的蠕变应力安全强度。
5.根据权利要求3所述的汽轮机高中压转子蠕变损伤强度设计方法，其特征在于，所述蠕变损伤应变设计方法包括：
根据所述蠕变损伤等效应力计算蠕变损伤等效应变；
所述蠕变损伤等效应变应小于汽轮机转子蠕变损伤许用应变；
根据所述蠕变损伤等效应变和蠕变损伤许用应变设计转子的蠕变应变安全强度。
6.根据权利要求3所述的汽轮机高中压转子蠕变损伤强度设计方法，其特征在于，所述蠕变损伤寿命设计方法包括：
获取转子材料在转子运行参数条件下的蠕变曲线；
通过许用蠕变损伤应变作为判据，得到转子的蠕变损伤设计寿命；
转子的蠕变损伤设计寿命要超过汽轮机组的设计寿命。
7.根据权利要求1所述的汽轮机高中压转子蠕变损伤强度设计方法，其特征在于，
所述转子强度设计方法还包括转子剩余使用寿命预测，包括以下步骤：
根据蠕变损伤模型预测设计寿命内转子的蠕变损伤；蠕变损伤的函数表达式为：
q是表征蠕变硬化的符号，对应不同的蠕变硬化情况/损伤机理，q的形式各不相同：时间硬化时q＝t；能量硬化时应变硬化时/>
根据蠕变损伤模型确定对应的许用蠕变损伤值；
根据蠕变损伤预测值和许用蠕变损伤值设计转子的剩余使用寿命。
8.根据权利要求1所述的汽轮机高中压转子蠕变损伤强度设计方法，其特征在于，
所述高中压转子强度设计的方法包括：
基于所述高中压转子非蠕变区域常温设计强度和高中压转子蠕变区域蠕变损伤设计强度构建初始转子总体设计强度；
对初始转子进行蠕变损伤模拟计算预测试验和实际转子热跑试验，获得转子在设计寿命内的蠕变损伤模拟预测数据和实际蠕变变形数据；
将蠕变损伤模拟预测数据和实际蠕变变形数据与工况要求许用蠕变损伤应力、应变和寿命对比，当蠕变损伤预测数据和蠕变变形数据符合许用蠕变损伤强度要求时，得到高中压转子设计强度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117669140A (zh) * 2023-10-24 2024-03-08 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司 汽轮机高灵活性的多维度的设计监控方法及装置

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