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摘要:燃氣輪機是一種大型的動力裝置，由壓氣機、燃燒室及燃氣透平三大部件組成，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。燃氣輪機渦輪葉片的疲勞壽命關(guān)系到發(fā)電設(shè)備的安全，對于我國工業(yè)領(lǐng)域的經(jīng)濟發(fā)展具有十分重要的作用。本文將對大型燃氣輪機的渦輪葉片疲勞壽命進行初步研究，旨在為其未來的發(fā)展奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:大型燃氣輪機；渦輪葉片；疲勞壽命

1燃氣輪機的運作及特點

1．1燃氣輪機的工作原理

壓氣機吸入周圍的空氣，并經(jīng)過各式葉片對氣體進行壓縮，形成的高壓使空氣的溫度上升，高壓氣體進入到燃燒室，待遇燃料有效結(jié)合后點燃，產(chǎn)生高溫、高壓的燃氣，最后將高溫燃氣送入燃氣透平中，通過膨脹做功使發(fā)電機高速運轉(zhuǎn)，最終實現(xiàn)氣體向機械功的轉(zhuǎn)化，輸出做功。燃氣輪機的啟動需要依靠產(chǎn)生大扭矩的外界驅(qū)動裝置，通常采用柴油機、交流電機等。帶動轉(zhuǎn)動開始后，壓氣機內(nèi)部的壓比增大，在點火完畢后繼續(xù)升速，當透平產(chǎn)生的功率大于壓氣機功率時，啟動裝置會自動脫離，而燃氣輪機進入到獨立的工作階段。在完成任務(wù)后，燃氣輪機需要停機，主要通過停止燃燒室內(nèi)的燃料供應(yīng)，使內(nèi)部運作減速，直至冷卻停止。需要注意的是，緊急情況下需要迅速停機，此時不僅需要停止燃燒室內(nèi)的燃料供應(yīng)，還要借助外力條件對燃氣輪機進行反向施力，從而使其能夠快速靜止。

1．2燃氣輪機的工作特點

燃氣輪機雖然在運作時產(chǎn)生高溫，但這并不代表周圍溫度越高越好，相反的，燃氣輪機的工作需要遵循不超溫、不超速、不超振等要求。燃氣輪機的運行速度快、啟動快，且熱沖擊劇烈，因此對于熱通道的部件壽命要求高。燃氣輪機極易受到環(huán)境及氣候條件的影響，一旦天氣發(fā)生變化，其功率、熱效率等參數(shù)都會發(fā)生變化，因此在不同季節(jié)，應(yīng)匹配相應(yīng)的運作計劃。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動化、半自動化技術(shù)廣泛的應(yīng)用的工業(yè)中，現(xiàn)代大型燃氣輪機多采用自動控制系統(tǒng)，在操作上更加簡單，每天可保持12－14小時的工作時間，在使用高峰期通常啟停一次即可。

2大型燃氣輪機渦輪葉片疲勞壽命研究方法探析

2．1單軸疲勞

主要指只能承受單向應(yīng)力的材料或部件在單向循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生的時效現(xiàn)象。常見的研究方法主要分為以下幾種:

(1)Manson－Coffin方法。該方法主要針對低周疲勞破壞，研究的主體為發(fā)生疲勞破壞時的載荷反向次數(shù)與循環(huán)塑性應(yīng)變引起的塑性應(yīng)變幅間的經(jīng)驗關(guān)系。

(2)通用斜率法。該方法是建立在Manson深入應(yīng)變循環(huán)中的彈性與塑性部分以及單軸拉伸性能基礎(chǔ)上的一種經(jīng)驗公式。

(3)應(yīng)變范圍劃分法。該方法主要研究非彈性應(yīng)變材料，對于高溫條件下的額流變及蠕變機理進行分析而得出的研究方法。

2．2多軸疲勞

又稱為復(fù)合疲勞，主要指材料或部件在多向應(yīng)變循環(huán)載荷作用下產(chǎn)生的疲勞，根據(jù)應(yīng)力的變化周期不同，可分為比例循環(huán)加載與非比例循環(huán)加載。我國對于多軸疲勞的研究起步較晚，條件較發(fā)達國家落后，但隨著電液伺服疲勞試驗機的誕生，我國的多軸疲勞研究也取得了巨大的突破，目前相對成熟的預(yù)測方法主要有以下幾種:

(1)線性累積損傷法。該方法最早由日本教授Taira提出，他將材料及構(gòu)建的損傷范圍劃分兩種，一種是與時間有關(guān)，另一種是與時間無關(guān)的疲勞累積損傷，通過線性疊加進行壽命判定。該方法的操作簡單，便于計算，但由于精確度不高，所以在實際的應(yīng)用中并未發(fā)揮有效的功能。自上世紀九十年代，Manson將該理論進行了更為細致的劃分，通過計算循環(huán)次數(shù)，將疲勞過程中的裂紋形成與裂紋擴展兩部分相分離，并在不同的階段分別采用線性累積損傷規(guī)律的方法進行分析計算，從而使研究的數(shù)據(jù)更加的精準，至此產(chǎn)生了雙線性疲勞累積損傷理念。本世紀初期，我國在該理論的研究上也得到了一定的突破，由王王旭亮等人組成的研究隊伍，針對傳統(tǒng)的Manson理論進行分析，對于其無法考慮荷載加載順序這一缺陷進行了技術(shù)糾正，通過研究不同載荷順序下的疲勞損傷程度，提出了疲勞損傷門檻值與擴展值的概念，從而使該項理論得到了更加深化的全面，更加適用于渦輪葉片的疲勞壽命預(yù)測工作。

(2)粘塑性損傷統(tǒng)一本構(gòu)模型，顧名思義，是一種計算儀器，通過在該儀器中計入損傷變量、損傷演化方程等，進行累積損傷的計算。該方法由于采用有限元數(shù)據(jù)分析技術(shù)，在工程結(jié)構(gòu)的處理上占有一定的優(yōu)勢，因此近年來一直作為羅輪葉片疲勞壽命研究的主要方法。我國更是在今年來通過研究，改善了傳統(tǒng)模型中的缺陷，塑造出了新的本構(gòu)模型，從而為我國今后的研究發(fā)展開辟了新的道路。

(3)非線性有限元方法。通過采用該方法推算出渦輪葉片蠕變的演變規(guī)律，通過迭代得到總應(yīng)變，進而預(yù)測出材料或結(jié)構(gòu)的壽命。在現(xiàn)代的疲勞預(yù)測工作中，技術(shù)人員常常將該方法與模型本構(gòu)模型結(jié)合使用，無論在計算方法還是結(jié)構(gòu)要求上都占有很大的優(yōu)勢。

3結(jié)語

渦輪葉片是燃氣輪機的重要組成部分，在運轉(zhuǎn)過程中不僅需要承受循環(huán)載荷，還要承載熱載荷與氣動載荷，因此為了確保燃氣渦輪葉片在服役期間能夠安全可靠的運行，應(yīng)結(jié)合先進的研究方法與科學(xué)技術(shù)，對設(shè)備材料及部件進行有效的預(yù)測與計算，加強對其壽命的控制，從而確保燃氣輪機的正常運作。

參考文獻:

［1］陳志英，王朝，周平．渦輪葉片疲勞－蠕變壽命穩(wěn)健性優(yōu)化方法［J］．航空發(fā)動機，2017，43(04):11～16．

［2］孫權(quán)，紀冬梅，郭恒超．燃氣輪機透平葉片材料及疲勞蠕變研究進展［J］．汽輪機技術(shù)，2017，59(02):81～83.

作者：朱滿軍；李瑞民；蘇寶華 單位：中國航發(fā)黎明