本發(fā)明涉及汽輪機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子超高周疲勞疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在服役其間，不僅受到由熱應(yīng)力引起的低周疲勞荷載，還要在高溫環(huán)境條件下承受由于轉(zhuǎn)子和葉片自身重力引起的超高周疲勞載荷。對(duì)于全轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)，疲勞循環(huán)加載頻率為50Hz，如按平均每年運(yùn)行8000小時(shí)計(jì)算，則在30年的服役期內(nèi)，超高周疲勞循環(huán)高達(dá)4×10¹⁰周次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)1×10⁷周次的設(shè)計(jì)范圍，屬于典型的高溫超高周疲勞破壞問(wèn)題。超高周疲勞載荷數(shù)值比較小，遠(yuǎn)低于屈服極限，因此在轉(zhuǎn)子靜強(qiáng)度計(jì)算分析中往往可以忽略不計(jì)，但對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響則不能忽視，轉(zhuǎn)子超高周疲勞問(wèn)題逐漸引起人們的關(guān)注。

已有研究發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在服役多年之后，高溫低應(yīng)力區(qū)的疲勞損傷比較大，長(zhǎng)期高溫循環(huán)交變載荷對(duì)轉(zhuǎn)子鋼的疲勞性會(huì)產(chǎn)生較大影響，而且長(zhǎng)期高溫循環(huán)交變載荷導(dǎo)致材料嚴(yán)重劣化，汽輪機(jī)高溫低應(yīng)力段比高應(yīng)力及中應(yīng)力段更容易發(fā)生失效的觀點(diǎn)亦得到汽輪機(jī)真實(shí)事故的證實(shí)。近期有學(xué)者詳細(xì)研究了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在低周與超高周疲勞交互作用下裂紋擴(kuò)展壽命，發(fā)現(xiàn)超高周疲勞載荷對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子裂紋擴(kuò)展壽命有比較大的影響，對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子高溫超高周疲勞強(qiáng)度計(jì)算和疲勞壽命預(yù)測(cè)研究變得非常重要。然而，到目前為止，還沒(méi)有合適的方法對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子高溫超高周疲勞強(qiáng)度計(jì)算和疲勞壽命分析可供工程借鑒使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可供工程借鑒使用的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子超高周疲勞疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子高溫超高周疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命損耗定量評(píng)估。

本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子超高周疲勞疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命評(píng)估方法，包括：

根據(jù)和獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件上高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的平均應(yīng)力和高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力幅，其中，σ_m為高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的平均應(yīng)力，σ_a為高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力幅，σ_max為高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的最大應(yīng)力，σ_min為高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的最小應(yīng)力；

獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞S-N曲線；

根據(jù)轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞S-N曲線獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件服役期對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度；

根據(jù)獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的等效單向?qū)ΨQ應(yīng)力幅，其中，σ_ea為轉(zhuǎn)子構(gòu)件帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的等效單向?qū)ΨQ應(yīng)力幅，σ_-1D為轉(zhuǎn)子構(gòu)件服役期對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度，σ_Creep為轉(zhuǎn)子鋼材料的蠕變強(qiáng)度；

確定轉(zhuǎn)子構(gòu)件的許用安全系數(shù)；

根據(jù)轉(zhuǎn)子構(gòu)件的許用安全系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞強(qiáng)度校核；

計(jì)算轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全疲勞壽命和超高周疲勞壽命損耗。

由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法加載頻率的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高溫超高周疲勞(＞10⁸周次)加載，現(xiàn)有汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)當(dāng)中，在采用的名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法時(shí)，直接忽略超高周疲勞載荷，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子疲勞強(qiáng)度和壽命計(jì)算結(jié)果偏差比較大。本發(fā)明技術(shù)方案提供的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子高溫超高周疲勞疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命評(píng)估方法，可以實(shí)現(xiàn)高溫超高周疲勞強(qiáng)度、疲勞壽命和損耗的定量計(jì)算、評(píng)定，可以得到準(zhǔn)確的超高周疲勞壽命損耗的數(shù)值，為轉(zhuǎn)子在蠕變、低周和超高周疲勞載荷作用下的疲勞強(qiáng)度和全壽命分析、壽命評(píng)定、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子超長(zhǎng)壽命服役安全運(yùn)行提供了依據(jù)。進(jìn)一步，本發(fā)明技術(shù)方案在確定轉(zhuǎn)子構(gòu)件帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的等效單向?qū)ΨQ應(yīng)力幅時(shí)，考慮了轉(zhuǎn)子鋼材料的蠕變，采用轉(zhuǎn)子鋼的蠕變強(qiáng)度代替Goodman模型靜態(tài)測(cè)試中的斷裂強(qiáng)度，獲得的轉(zhuǎn)子構(gòu)件帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的等效單向?qū)ΨQ應(yīng)力幅更為準(zhǔn)確。

可選的，獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞S-N曲線包括：

測(cè)試轉(zhuǎn)子鋼材料的超高周疲勞S-N數(shù)據(jù)點(diǎn)(S₀,N₀)，其中，S₀為轉(zhuǎn)子鋼材料的超高周疲勞疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)，N₀為轉(zhuǎn)子鋼材料的超高周疲勞疲勞壽命數(shù)據(jù)；

根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)子鋼材料的超高周疲勞S-N數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行修正，其中，S_D為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)，k_σD為疲勞強(qiáng)度降低系數(shù)；

對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)(S_D,N₀)進(jìn)行擬合以獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞S-N曲線。

對(duì)于轉(zhuǎn)子這種大型構(gòu)件，疲勞測(cè)試技術(shù)難度比較大，而且在設(shè)計(jì)階段，實(shí)際的轉(zhuǎn)子尚未制造出來(lái)，無(wú)法進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)。另外從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，比較浪費(fèi)資源，不利于成本控制。本發(fā)明技術(shù)方案利用實(shí)驗(yàn)方法得到轉(zhuǎn)子鋼材料的超高周疲勞S-N數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后考慮各種因素，經(jīng)過(guò)修正之后得到轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞S-N曲線。方案易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)所需成本較低。

可選的，采用高溫超聲疲勞實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試轉(zhuǎn)子鋼材料的超高周疲勞S-N數(shù)據(jù)點(diǎn)(S₀,N₀)。要實(shí)現(xiàn)10¹⁰周次以上的超高周疲勞循環(huán)加載，即使采用現(xiàn)在比較新的300Hz的高頻疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，需要接近一年的時(shí)間才能完成，而超聲疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的加載頻率為20kHz，只需要140小時(shí)，大大縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，降低了實(shí)驗(yàn)成本。

可選的，疲勞強(qiáng)度降低系數(shù)根據(jù)確定，其中，k_σ為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的形狀系數(shù)，ε為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的尺寸系數(shù)，β₁為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的表面加工情況系數(shù)。

可選的，轉(zhuǎn)子構(gòu)件的形狀系數(shù)取值范圍為1.5至3.0，轉(zhuǎn)子構(gòu)件的尺寸系數(shù)取值范圍為0.5至0.7，轉(zhuǎn)子構(gòu)件的表面加工情況系數(shù)取值范圍為0.8至1.0。

可選的，采用三維有限元分析方法獲得高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的最大應(yīng)力和高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的最小應(yīng)力。

可選的，轉(zhuǎn)子構(gòu)件的許用安全系數(shù)根據(jù)[n]＝n_sn₁確定，其中，[n]為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的許用安全系數(shù)，n_s為強(qiáng)度安全系數(shù)，n₁為應(yīng)力安全系數(shù)。

可選的，計(jì)算轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全疲勞壽命和超高周疲勞壽命損耗包括：

根據(jù)σ_ena＝[n]σ_ea獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全應(yīng)力，其中，σ_ena為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全應(yīng)力，[n]為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的許用安全系數(shù)；

將轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全應(yīng)力代入轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞S-N曲線獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全疲勞壽命；

根據(jù)獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞壽命損耗，其中，E_VHCF為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞壽命損耗，N_f為轉(zhuǎn)子構(gòu)件服役期，N_VHCF為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全疲勞壽命。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

本發(fā)明提供的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子超高周疲勞疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命評(píng)估方法，可以實(shí)現(xiàn)高溫超高周疲勞強(qiáng)度、疲勞壽命和損耗的定量計(jì)算、評(píng)定，可以得到準(zhǔn)確的超高周疲勞壽命損耗的數(shù)值，為轉(zhuǎn)子在蠕變、低周和超高周疲勞載荷作用下的疲勞強(qiáng)度和全壽命分析、壽命評(píng)定、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子超長(zhǎng)壽命服役安全運(yùn)行提供了依據(jù)。

本發(fā)明技術(shù)方案利用實(shí)驗(yàn)方法得到轉(zhuǎn)子鋼材料的超高周疲勞S-N數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后考慮各種因素，經(jīng)過(guò)修正之后得到轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞S-N曲線。方案易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)所需成本較低。

附圖說(shuō)明

此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定。在附圖中：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子超高周疲勞疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命評(píng)估方法的流程示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的轉(zhuǎn)子鋼材料極限應(yīng)力圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的轉(zhuǎn)子構(gòu)件的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說(shuō)明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

實(shí)施例

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子超高周疲勞疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命評(píng)估方法的流程示意圖，所述汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子超高周疲勞疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命評(píng)估方法包括：

步驟S11，根據(jù)和獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件上高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的平均應(yīng)力和高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力幅，其中，σ_m為高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的平均應(yīng)力，σ_a為高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力幅，σ_max為高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的最大應(yīng)力，σ_min為高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的最小應(yīng)力。

具體地，轉(zhuǎn)子構(gòu)件在其自身重力作用下，轉(zhuǎn)子構(gòu)件上的高溫危險(xiǎn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到下表面(即轉(zhuǎn)子構(gòu)件底部270°位置)受到最大應(yīng)力，轉(zhuǎn)子構(gòu)件上的高溫危險(xiǎn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到上表面(即轉(zhuǎn)子構(gòu)件頂部90°)受到最小應(yīng)力。當(dāng)轉(zhuǎn)子構(gòu)件高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，形成周期性拉壓的交變應(yīng)力，屬于典型的旋轉(zhuǎn)彎曲類型。轉(zhuǎn)子構(gòu)件每旋轉(zhuǎn)1周，就產(chǎn)生1個(gè)周次疲勞循環(huán)加載，則在30年的服役期內(nèi)，超高周疲勞循環(huán)高達(dá)4×10¹⁰周次，采用現(xiàn)有的三維有限元分析方法計(jì)算汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子構(gòu)件超高周疲勞循環(huán)的交變應(yīng)力。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子所承受的載荷包括熱載荷與力載荷兩大類。首先加載汽輪機(jī)額定工況的熱載荷，可以計(jì)算汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。然后同時(shí)加載轉(zhuǎn)子構(gòu)件溫度分布不均勻引起的熱載荷、離心載荷和重力載荷，并考慮轉(zhuǎn)子構(gòu)件的殘余應(yīng)力，計(jì)算得到額定工況下轉(zhuǎn)子構(gòu)件的應(yīng)力場(chǎng)，轉(zhuǎn)子構(gòu)件各點(diǎn)應(yīng)力是復(fù)雜的多軸應(yīng)力狀態(tài)。依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)一定的強(qiáng)度理論計(jì)算單軸等效應(yīng)力，一般采用第一強(qiáng)度理論(最大主應(yīng)力準(zhǔn)則)和第四強(qiáng)度理論(Mises準(zhǔn)則)，確定高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的最大應(yīng)力σ_max和高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的最小應(yīng)力σ_min。在本實(shí)施例中，采用第四強(qiáng)度理論(Mises準(zhǔn)則)，計(jì)算在額定負(fù)荷運(yùn)行工況下，轉(zhuǎn)子構(gòu)件在其自身重力作用下高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的最大應(yīng)力σ_max和高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的最小應(yīng)力σ_min。本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉如何采用第四強(qiáng)度理論計(jì)算高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的最大應(yīng)力σ_max和高溫危險(xiǎn)點(diǎn)的最小應(yīng)力力σ_min，在此不再贅述。

步驟S12，獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞S-N曲線。轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞S-N曲線是預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子構(gòu)件疲勞壽命和進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，要得到轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞S-N曲線，最好的方法是對(duì)全尺寸轉(zhuǎn)子構(gòu)件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞S-N曲線。然而，對(duì)于轉(zhuǎn)子這種大型構(gòu)件，疲勞測(cè)試技術(shù)難度比較大，而且在設(shè)計(jì)階段，實(shí)際的轉(zhuǎn)子構(gòu)件尚未制造出來(lái)，無(wú)法進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)。因而在本實(shí)施例中，采用實(shí)驗(yàn)的方法獲得轉(zhuǎn)子鋼材料的超高周疲勞S-N數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后考慮各種因素，經(jīng)過(guò)修正之后得到轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞S-N曲線。

具體地，測(cè)試轉(zhuǎn)子鋼材料的超高周疲勞S-N數(shù)據(jù)點(diǎn)(S₀,N₀)，其中，S₀為轉(zhuǎn)子鋼材料的超高周疲勞疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)，N₀為轉(zhuǎn)子鋼材料的超高周疲勞疲勞壽命數(shù)據(jù)。采用高溫超聲疲勞實(shí)驗(yàn)方法，加載頻率為20kHz，進(jìn)行轉(zhuǎn)子鋼材料在室溫至700℃范圍內(nèi)、10⁵至10¹⁰周次循環(huán)加載的高溫超高周疲勞測(cè)試。采用高溫超聲疲勞實(shí)驗(yàn)方法，是利用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備為試件加熱，使用紅外測(cè)溫儀對(duì)試件中間段區(qū)域的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)高溫條件下的快速疲勞加載。高溫超聲疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法可參考申請(qǐng)?zhí)枮?01320477008.8、實(shí)用新型名稱為“基于感應(yīng)加熱的高溫超長(zhǎng)壽命疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”的中國(guó)實(shí)用新型專利中的具體描述。在本實(shí)施例中，進(jìn)行轉(zhuǎn)子鋼材料的超高周疲勞S-N數(shù)據(jù)點(diǎn)的測(cè)試，應(yīng)力間隔小于20MPa，每個(gè)應(yīng)力測(cè)試不少于3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到轉(zhuǎn)子鋼材料的超高周疲勞S-N數(shù)據(jù)點(diǎn)。

由實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的轉(zhuǎn)子鋼材料的超高周疲勞S-N數(shù)據(jù)點(diǎn)只能代表標(biāo)準(zhǔn)光滑標(biāo)準(zhǔn)試樣的疲勞性能，不能直接代表實(shí)際轉(zhuǎn)子構(gòu)件的疲勞性能。在轉(zhuǎn)子鋼材料的超高周疲勞S-N數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，要綜合考慮轉(zhuǎn)子構(gòu)件的形狀、轉(zhuǎn)子構(gòu)件的尺寸、轉(zhuǎn)子構(gòu)件的表面加工情況對(duì)轉(zhuǎn)子構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的影響。一般情況下，與標(biāo)準(zhǔn)光滑試件相比，大尺寸轉(zhuǎn)子構(gòu)件的疲勞壽命不變、疲勞強(qiáng)度要降低很多。具體地，根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)子鋼材料的超高周疲勞S-N數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行修正，其中，S_D為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)，k_σD為疲勞強(qiáng)度降低系數(shù)。疲勞強(qiáng)度降低系數(shù)k_σD是疲勞壽命的函數(shù)，考慮轉(zhuǎn)子構(gòu)件的形狀、轉(zhuǎn)子構(gòu)件的尺寸、轉(zhuǎn)子構(gòu)件的表面加工情況影響，在本實(shí)施例中，疲勞強(qiáng)度降低系數(shù)根據(jù)確定，其中，k_σ為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的形狀系數(shù)，ε為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的尺寸系數(shù)，β₁為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的表面加工情況系數(shù)。在本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子構(gòu)件的形狀系數(shù)取值范圍為1.5至3.0，轉(zhuǎn)子構(gòu)件的尺寸系數(shù)取值范圍為0.5至0.7，轉(zhuǎn)子構(gòu)件的表面加工情況系數(shù)取值范圍為0.8至1.0。

對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)(S_D,N₀)進(jìn)行擬合以獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞S-N曲線。具體地，可以采用Basquin公式進(jìn)行擬合。本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉如何采用Basquin公式對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)(S_D,N₀)進(jìn)行擬合，在此不再贅述。

步驟S13，根據(jù)轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞S-N曲線獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件服役期對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度。對(duì)于轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞S-N曲線上的點(diǎn)，橫坐標(biāo)表示疲勞壽命，縱坐標(biāo)表示疲勞強(qiáng)度。在轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞S-N曲線獲得橫坐標(biāo)值為轉(zhuǎn)子構(gòu)件服役期的點(diǎn)，其縱坐標(biāo)值則為轉(zhuǎn)子構(gòu)件30年的服役期對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度。

步驟S14，根據(jù)獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的等效單向?qū)ΨQ應(yīng)力幅，其中，σ_ea為轉(zhuǎn)子構(gòu)件帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的等效單向?qū)ΨQ應(yīng)力幅，σ_-1D為轉(zhuǎn)子構(gòu)件服役期對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度，σ_Creep為轉(zhuǎn)子鋼材料的蠕變強(qiáng)度，取值為100MPa。

具體地，決定零部件疲勞強(qiáng)度最主要的因素是應(yīng)力幅，但平均應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響也不能忽略，平均應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響一般用極限應(yīng)線圖表示。在疲勞設(shè)計(jì)中，常用含有平均應(yīng)力(R≠-1)的交變應(yīng)力，轉(zhuǎn)換為等效(R＝-1)的等效應(yīng)力幅，表示相同壽命條件的不同應(yīng)力組會(huì)(σ_a,σ_m)。對(duì)于平均拉伸應(yīng)力的影響，現(xiàn)有技術(shù)中有多種疲勞極限應(yīng)力線。其中，Goodman方法偏于保守，更加安全且簡(jiǎn)單，在工程上已有較多應(yīng)用。在本實(shí)施例中，考慮到長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境條件，轉(zhuǎn)子鋼材料的蠕變必須要考慮，因而對(duì)Goodman模型進(jìn)行了改進(jìn)，采用轉(zhuǎn)子鋼的蠕變強(qiáng)度代替靜態(tài)測(cè)試中的斷裂強(qiáng)度。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的轉(zhuǎn)子鋼材料極限應(yīng)力圖，直線AB為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的極限應(yīng)力線，通過(guò)m點(diǎn)做AB的平行線，可得到直線EF，即為轉(zhuǎn)子構(gòu)件實(shí)際運(yùn)行的載荷極限應(yīng)力線，σ_ea為轉(zhuǎn)子構(gòu)件帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的等效單向?qū)ΨQ應(yīng)力幅。

步驟S15，確定轉(zhuǎn)子構(gòu)件的許用安全系數(shù)。疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的隨機(jī)性是由兩大類基本隨機(jī)變量的不確定性造成的，一類是材料微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性，另一類是外載荷的隨機(jī)性。超高周疲勞疲勞疲勞壽命的分散性一般遠(yuǎn)大于低周疲勞短壽命的分散性。許用安全系數(shù)也可以通過(guò)可靠性理論進(jìn)行計(jì)算。工程上采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)保證轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的安全有效，轉(zhuǎn)子構(gòu)件的許用安全系數(shù)根據(jù)[n]＝n_sn₁確定，其中，[n]為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的許用安全系數(shù)，n_s為強(qiáng)度安全系數(shù)，n₁為應(yīng)力安全系數(shù)。當(dāng)材料性能比較均勻時(shí)，n_s＝1.1～1.2；當(dāng)材料性能不均勻時(shí)，n_s＝1.5。當(dāng)載荷及應(yīng)力都很精確時(shí)，n₁＝1.1～1.2；當(dāng)載荷及應(yīng)力不精確且有沖擊和高應(yīng)力載荷時(shí)，n₁＝1.5～2.0。在本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子構(gòu)件的許用安全系數(shù)[n]的取值范圍為1.3至2.0。

步驟S16，根據(jù)轉(zhuǎn)子構(gòu)件的許用安全系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞強(qiáng)度校核。具體地，轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞疲勞強(qiáng)度安全性評(píng)定判據(jù)為：

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

即計(jì)算的安全系數(shù)大于許用安全系數(shù)才能滿足轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞疲勞強(qiáng)度的要求。

步驟S17，計(jì)算轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全疲勞壽命和超高周疲勞壽命損耗。具體地，根據(jù)σ_ena＝[n]σ_ea獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全應(yīng)力，其中，σ_ena為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全應(yīng)力。將轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全應(yīng)力代入轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞S-N曲線獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全疲勞壽命。在轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞S-N曲線獲得縱坐標(biāo)值為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全應(yīng)力的點(diǎn)，其橫坐標(biāo)值則為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全疲勞壽命。根據(jù)獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞壽命損耗，其中，E_VHCF為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞壽命損耗，N_f為轉(zhuǎn)子構(gòu)件服役期，即4×10¹⁰周次，N_VHCF為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全疲勞壽命。獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全疲勞壽命和超高周疲勞壽命損耗后，結(jié)合步驟S16給出結(jié)果：若計(jì)算的安全系數(shù)大于許用安全系數(shù)且轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全疲勞壽命滿足要求，則可以按照現(xiàn)有的設(shè)計(jì)生產(chǎn)轉(zhuǎn)子構(gòu)件，否則參考轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全疲勞壽命和超高周疲勞壽命損耗，重新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子構(gòu)件或者選擇性能更好的材料作為轉(zhuǎn)子構(gòu)件的生產(chǎn)材料。

為更好地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的效果，在圖3所示的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)階段，采用本發(fā)明實(shí)施例提供的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子超高周疲勞疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命評(píng)估方法，對(duì)該轉(zhuǎn)子的危險(xiǎn)薄軟部位P進(jìn)行高溫超高周疲勞疲勞強(qiáng)度檢核和疲勞壽命損耗計(jì)算。P處的溫度為600℃，而且引起應(yīng)力集中，在工程上是常見(jiàn)的引起疲勞破壞的位置，該汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子預(yù)采用馬氏體耐熱鋼。

執(zhí)行步驟S11，圖3所示的轉(zhuǎn)子構(gòu)件在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下的超高周疲勞載荷分析，結(jié)果如表一所示：

表一

執(zhí)行步驟S12和步驟S13，獲得采用馬氏體耐熱鋼制造的該轉(zhuǎn)子構(gòu)件服役期對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度如表二所示：

表二

執(zhí)行步驟S14，獲得轉(zhuǎn)子構(gòu)件帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的等效單向?qū)ΨQ應(yīng)力幅為15.7MPa。考慮到該轉(zhuǎn)子所使用的材料比較均勻，而且載荷分析也比較精確，步驟S15中轉(zhuǎn)子構(gòu)件的許用安全系數(shù)取值為1.5。執(zhí)行步驟S16，轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞疲勞強(qiáng)度安全性評(píng)定判據(jù)為：

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

計(jì)算的安全系數(shù)大于許用安全系數(shù)，滿足轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞疲勞強(qiáng)度的要求。執(zhí)行步驟S17，獲得該轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全疲勞壽命為5.568×10¹¹，獲得該轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞壽命損耗為0.07。該轉(zhuǎn)子構(gòu)件的超高周疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)的安全要求，超高周疲勞壽命損耗為0.07，雖然比較小，但是不能忽略不計(jì)。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。