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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及汽轮机
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，σm为高温危险点的平均应力，σa为高温危险点的应力幅，σmax为高温危险点的最大应力，σmin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，σea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，σCreep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。本专利技术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，本专利技术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，SD为转子构件的超高周疲劳疲劳强度数据，kσD为疲劳强度降低系数；对数据点(SD,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。本专利技术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，kσ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]＝nsn1确定，其中，[n]为转子构件的许用安全系数，ns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σena＝[n]σea获得转子构件的安全应力，其中，σena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，EVHCF为转子构件的超高周疲劳寿命损耗，Nf为转子构件服役期，NVHCF为转子构件的安全疲劳寿命。本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本专利技术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。本专利技术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专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1是本专利技术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是本专利技术实施例的转子钢材料极限应力图；图3是本专利技术实施例的转子构件的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本专利技术作进一步的详细说明，本专利技术的示意性实施方式及其说明仅用于解释本专利技术，并不作为对本专利技术的限定。实施例图1是本专利技术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，σm为高温危险点的平均应力，σa为高温危险点的应力幅，σmax为高温危险点的最大应力，σmin为高温危险点的最小应力。具体地，转子构件在其自本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，σm为高温危险点的平均应力，σa为高温危险点的应力幅，σmax为高温危险点的最大应力，σmin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，σea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，σCreep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。

【技术特征摘要】
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，σm为高温危险点的平均应力，σa为高温危险点的应力幅，σmax为高温危险点的最大应力，σmin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，σea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，σCreep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，SD为转子构件的超高周疲劳疲劳强度数据，kσD为疲劳强度降低系数；对数据点(SD,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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李久楷，王清远，刘永杰，张宏，谢少雄，侯方，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51