本发明专利技术公开了疲劳蠕变交互损伤的燃气轮机透平叶片寿命评估模型的建模方法，涉及燃气轮机叶片寿命评估技术领域，所述评估模型包含叶片温度模型、叶片应力模型和蠕变‑疲劳交互损伤模型，所述叶片温度模型考虑了热障涂层、气膜冷却和金属壁厚的影响，所述叶片应力模型考虑气动力和离心力对叶片影响的同时还考虑了叶片的倾斜度对叶片应力做相应地等效叠加，所述蠕变‑疲劳交互损伤模型基于S‑N曲线和拉森‑米勒参数。通过本发明专利技术的实施，可以实时评估叶片金属的蠕变和疲劳损伤，为燃气轮机叶片寿命预测及优化运行提供依据。
【技术实现步骤摘要】
疲劳蠕变交互损伤的燃气轮机透平叶片寿命评估模型
本专利技术涉及燃气轮机叶片寿命评估
，尤其涉及疲劳蠕变交互损伤的燃气轮机透平叶片寿命评估模型。
技术介绍
燃气轮机被广泛运用于航空航天、舰船、能源和交通等工业和军事领域，其透平叶片是燃气轮机服役安全领域研究的一项重要内容。随着设计、制造和操作水平的不断提高，正常服役状态下发生的组织性能损伤(主要表现为蠕变以及蠕变-疲劳交互作用下的性能退化)将成为限制透平叶片寿命的主要因素。此外，透平叶片在工作过程中，由于高温、工况变化和高速旋转，受到交变的热应力、气动力和离心力的作用，易于发生疲劳-蠕变交互损伤进而影响叶片的工作寿命。因此，有必要对透平叶片进行可靠性分析，以保证燃气轮机透平叶片工作的安全性。关于透平叶片可靠性的已有研究，常常是根据应力和强度的幅值或者平均值粗略地估算叶片的可靠性，并且未考虑应力、强度等因素的动态变化，势必使计算结果产生较大的误差，降低了可靠性估计的准确性。然而，在透平叶片的实际工作中，随着载荷的循环作用，叶片的应力和强度常常表现出一定的分散性。因而，采用确定性的办法来计算叶片的可靠性是不合理的。为了提高叶片工作的可靠性，有必要考虑各种因素的动态变化，探讨叶片动态可靠性的变化规律。专利1(公开号CN109372595A)公开了汽轮机叶片在线损伤状态评估系统及汽轮机叶片寿命评估方法，利用电厂采集的汽轮机每个叶片温度信号、压力信号和负荷信号，围绕汽轮机各级叶片的运行状态开发了寿命评估模块，分别通过程序计算获得汽轮机叶片的高低周疲劳损耗量，水蚀坑深度量、结垢量和磨损量，可在线对叶片损伤程度进行实时监测，及时获取叶片运行过程中损伤状态，解决了汽轮机的运行状态监测与评估存在叶片在线寿命评估不准确，无法实时对高温叶片的高周疲劳、低周疲劳、以及低温叶片的水蚀和结垢与磨损进行评估的问题。专利2(公开号CN105658911A)公开了一种用于燃气涡轮发动机的单晶涡轮叶片的寿命确定的系统和方法，通过在单晶涡轮叶片的主要滑移系中的每一个上分解剪切应力来确定由疲劳和蠕变所引起的单晶涡轮叶片的各向异性应变。该系统和方法使用延性耗竭方法来组合各向异性疲劳和蠕变应变，以确定单晶涡轮叶片的操作寿命。然而专利1在做叶片寿命评估时没有考虑蠕变的影响，专利2在确定叶片寿命的过程中仅仅针对单晶涡轮叶片且未考虑热应力的影响。因此，本领域的技术人员致力于开发疲劳蠕变交互损伤的燃气轮机透平叶片寿命评估模型，考虑燃气轮机透平叶片的实际情况，在评估动叶寿命时充分考虑蠕变-疲劳的交互作用；并且本专利技术所建立的叶片损伤评估模型针对所有材质的透平叶片，且充分考虑热应力的影响，建有叶片温度模型。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是：如何确定叶片应力集中的危险点，进行相应高温叶片的寿命预测，进而为制定大修周期打下坚实的基础；为燃气轮机叶片寿命预测及优化运行提供依据。为实现上述目的，本专利技术提供了疲劳蠕变交互损伤的燃气轮机透平叶片寿命评估模型，所述评估模型包含叶片温度模型、叶片应力模型和蠕变-疲劳交互损伤模型。进一步地，所述叶片温度模型中冷却膜和气体沿径向被划分为若干小室，所述小室的数量取决于温度分布的不均匀性，同一所述小室内每个位置的温度相同；第i层传热的气膜冷却效率为：式中：Tg为燃气入口温度；Taw为绝热壁面的温度；Tco,inj为形成气膜的冷却空气喷离叶片时的温度。进一步地，所述叶片温度模型建模时引入了热障涂层、气膜冷却和金属壁厚的影响；主流燃气从冷却膜到所述热障涂层的传热为：所述热障涂层向叶片金属外壁导热：叶片金属外壁向内壁导热：叶片金属内壁向冷却空气对流换热：冷却空气吸热量：式中：H是叶片的高度，y是径向距离叶根y(0≤y≤H)，h是对流换热系数，λ是导热系数，t是厚度，Sg是气体和叶片接口的周长，Scl是冷却空气和叶片接口的周长，Gcl是冷却空气的流量，nch为蛇形通道的圆柱通道个数，np为返回通道数。进一步地，根据公式(3)-公式(7)计算冷却空气与外部金属的温度分布为：此时，ac＝Scl/Sg(11)φcl＝Scl/s(12)式中：φcl是叶片的弦长，Bi是毕渥数，根据所述公式(1)和公式(8)迭代可得冷却空气Tcl(y)的温度分布，根据所述公式(9)计算外表面金属的温度分布。进一步地，所述叶片应力模型包括离心应力、气动应力和热应力，所述离心应力的计算公式为式中：AA是Ⅰ部分底部截面的横截面面积。进一步地，所述气动应力建模时，静压差引起的压力为：FP＝ΔP·Ash,rt(14)式中：ΔP为叶片进口与叶片出口的压差，Ash,rt为叶片形状在由径向轴和切向轴组成的平面上的投影面积；动量为：Fv＝Ggas·Δvtan·Ash,ra(15)式中：Ggas为气体流量，Δvtan为切向速度变化，Ash,ra为叶片形状在由径向和轴向组成的平面上的投影面积；叶片的弯矩为：Maxi＝Fv·db,axi+FC,1·da,axi+FC,2·dc,axi(16)Mtan＝-FP·db,tan+FC,1·da,tan+FC,2·dc,tan(17)弯矩为：Mx＝Maxi·cosθ+Mtan·sinθ(18)My＝Maxi·sinθ+Mtan·cosθ(19)弯曲应力为：式中：IXX和IYY分别为对x轴和y轴的转动惯量。进一步地，所述热应力根据广义胡可定律计算：式中：E为材料的弹性模量；β为材料的热膨胀系数；ν为材料的泊松比；Δtm为计算点温度与体积平均温度之差。进一步地，所述蠕变-疲劳交互损伤模型利用高温合金的拉森-米勒参数-应力曲线计算蠕变寿命：式中：T为金属的温度，C为材料的常数。进一步地，叶片损伤计算公式为：式中：Ni为第i个循环比应力幅值下的允许循环次数，tj,life为温度与应力特定组合条件下的蠕变寿命，tj为该条件下的运行时间，B和Z为相互作用因子。进一步地，所述方法包括：输入机组工况、大气环境和机组健康状况，通过燃气轮机性能仿真模型计算燃气轮机涡轮叶片温度、应力，得到高压涡轮动静叶的截面温度、压力、转速、燃气流量、冷却工质流量和冷却工质温度；将所述高压涡轮动静叶的截面温度、压力、转速、燃气流量、冷却工质流量和冷却工质温度参数作为叶片温度模型、叶片应力模型的输入，将动静叶片的温度分布同时作为叶片应力模型的输入，输出动静叶片的温度分布、应力温度；将所述动静叶片的温度分布、应力温度参数输入所述蠕变-疲劳交互损伤模型，获取各位置的蠕变疲劳累积交互损伤。与现有技术相比，本专利技术至少具有如下有益技术效果：本专利技术建本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种疲劳蠕变交互损伤的燃气轮机透平叶片寿命评估模型的建模方法，其特征在于，所述评估模型包含叶片温度模型、叶片应力模型和蠕变-疲劳交互损伤模型。/n
【技术特征摘要】
1.一种疲劳蠕变交互损伤的燃气轮机透平叶片寿命评估模型的建模方法，其特征在于，所述评估模型包含叶片温度模型、叶片应力模型和蠕变-疲劳交互损伤模型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶片温度模型中冷却膜和气体沿径向被划分为若干小室，所述小室的数量取决于温度分布的不均匀性，同一所述小室内每个位置的温度相同；第i层传热的气膜冷却效率为：
式中：Tg为燃气入口温度；Taw为绝热壁面的温度；Tco,inj为形成气膜的冷却空气喷离叶片时的温度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述叶片温度模型建模时引入了热障涂层、气膜冷却和金属壁厚的影响；
主流燃气从冷却膜到所述热障涂层的传热为：
所述热障涂层向叶片金属外壁导热：
叶片金属外壁向内壁导热：
叶片金属内壁向冷却空气对流换热：
冷却空气吸热量：
式中：H是叶片的高度，y是径向距离叶根y(0≤y≤H)，h是对流换热系数，λ是导热系数，t是厚度，Sg是气体和叶片接口的周长，Scl是冷却空气和叶片接口的周长，Gcl是冷却空气的流量，nch为蛇形通道的圆柱通道个数，np为返回通道数。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据公式(3)-公式(7)计算冷却空气与外部金属的温度分布为：
此时，
ac＝Scl/Sg(11)
φcl＝Scl/s(12)
式中：φcl是叶片的弦长，Bi是毕渥数，根据所述公式(1)和公式(8)迭代可得冷却空气Tcl(y)的温度分布，根据所述公式(9)计算外表面金属的温度分布。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶片应力模型包括离心应力、气动应力和热应力，所述离心应力的计算公式为
式中：AA是Ⅰ部分底部截面的横截面面积。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述气动应力建模时，静压差引起的压力为：
FP＝ΔP·Ash,rt(14)
式中：ΔP为叶片进口与...
【专利技术属性】
技术研发人员：周登极，韦婷婷，黄大文，张会生，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。