摘要：汽轮机叶片的疲劳寿命是叶片强度设计和安全性考核的重要内容，本文研究了大容量核电半转速汽轮机末级长叶片的疲劳特性。叶片的工作阶段按照转速可以分为启动、稳定转动以及停机三个阶段。在启动停机过程中，叶片会经历很大的离心变幅载荷以及同步的稳态汽动载荷，属于低周疲劳；在高速稳定运转过程中，叶片会承受汽流扰动产生的激振力而振动，幅值较小，但频率很高，属于高周疲劳。叶片的启动停机过程是裂纹萌生和稳态扩展的主要因素，是整个生命周期中的分析重点。
关键词：汽轮机叶片；疲劳特性；启动停机
1引言
为了研究长叶片的高周与低周疲劳寿命，首先，利用 ABAQUS 对单只长叶片有限元模型进行了分析，设置旋转循环对称约束模拟整圈叶片结构，得出其应力分布，并找到疲劳计算所关心区域；之后，对叶片所用材料进行了疲劳特性试验，利用最小二乘拟合的方法得出其 SN曲线及方程；最后，结合有限元应力结果与疲劳试验结果，利用 nSoft 疲劳分析软件对叶片无损状态下的高周与低周疲劳寿命进行了评估。此外，对叶片指定位置含有特定初始微裂纹，即有损情况下的疲劳寿命进行了试探性分析和研究。
2 研究内容
随着计算机辅助设计手段的不断进步,采用各种CAE手段对汽轮机叶片进行设计开发,日益显现出高效率低成本的优势,并且己经成为叶片开发流程中不可或缺的环节。CAE工具在叶片研发过程的应用,有其固有的特点,本文正是从这个角度,以1710lllnI长叶片为例,对大容量汽轮机叶片的CAE过程进行阐述。叶片的工作阶段按照转速可以分为启动、稳定转动以及停机三个阶段。
3疲劳分析基本理论与方法
3.1疲劳问题基本概念与分类
材料在某点或某些点承受变幅载荷，且在足够多的循环加载次数之后形成裂纹或完全断裂，造成材料局部的永久结构变化，这种变化的发展过程称为疲劳。疲劳问题按照是否考虑裂纹，可分为两种情况：无损疲劳（不考虑裂纹）和有损疲劳（考虑裂纹）。 疲劳破坏一般分为三个阶段，包括裂纹萌生、裂纹稳定扩展和最后失稳扩展直到断裂。由于裂纹失稳扩展以致断裂是一个很快的过程，与整个疲劳寿命相比很短，因此在疲劳分析中一般不予考虑。
3.1.1 无损疲劳
按照循环应力的大小，疲劳问题可分为应力疲劳和应变疲劳。若最大循环应力远小于屈服应力，则为应力疲劳；而因为循环应力水平较低，寿命较高（寿命 N 一般大于 10E6），故有时也称为高周疲劳。对于载荷水平高（接近或超过屈服应力），寿命短（N 一般小于 10E4），则是应变疲劳，也称为低周应变疲劳。高周和低周对应的寿命分界点因材料而异。对于寿命在两个分界点之间的情况，应视材料特性及研究需要来确定属于何种疲劳及使用何种方法。
无论是高周疲劳还是低周疲劳，在疲劳分析中都需要用到载荷谱与材料疲劳特性曲线。
疲劳载荷谱的处理常用导出量主要有以下几种
应力变程 ΔS=Smax-Smin
应力幅 Sa=ΔS /2
平均应力 Sm=(Smax+Smin )/2
应力比或循环特性参数R =Smax/Smin
可见这些参量主要由最大应力与最小应力决定，这可以说明两个问题，第一，只要知道最大应力与最小应力，这些量即可以导出；第二，应力加载历史对疲劳寿命影响不大，即应力是线性增长到最大值或是抛物线增长到最大值对结果影响不大。
3.1.2 有损疲劳
（1）da/d N 方法
疲劳裂纹扩展理论普遍采用的方法是 da/d N 方法，依照由实验得到的材料的da/d N 曲线进行疲劳裂纹扩展计算。da/d N 曲线的横坐标为一周循环内的裂尖应力强度因子幅值appΔK ，将应力转换为应力强度因子用于有损疲劳中，因此△K 是疲劳载荷谱的另一种表现形式。纵坐标为本周的裂纹扩展速率 da/d N，单位为米/周，a 代表裂纹长度，N 代表循环周数。每一次小扩展，便认为是一次断裂过程。
3.2 影响疲劳寿命因素
一般来说影响疲劳强度的因素如表 2-1 所示。
本文的叶片有限元模型主要考虑了 6 种因素，分别是服役温度，载荷特性，加载频率，表面粗糙度，表面热处理和缺口效应。其中服役温度，载荷特性和加载频率在 ABAQUS 中考虑和计算，而表面粗糙度，表面热处理和缺口效应在疲劳计算软件 n Soft 中考虑。
4 长叶片结构设计与分析的概念和总体步骤
汽轮机是热能向机械能转换的核心设备,其效率在很大程度上取决于末端排汽量与排汽面积的匹配。由于第三代核电单一机组的功率容量已经超过1350WM,已有机型均无法承载这么大的功率,所以必须为其设计新的汽轮机,以提高能源的利用效率。在对新汽轮机进行开发的过程中,设计末级长叶片是一项关键且难度较大的工作。
为了尽量规避设计新叶片带来的风险,在考虑气动力学和振动力学的基础上,通常会采用“模化”的方式对l什片进行概念设计。由叶片模化准则确定了叶片的基本结构(高度、宽度、叶少}`零部件的结构类型等)之后,再顺次展开一系列以CAE技术为基础的研发工作。如果将叶片CAE的整个过程按照功能和步骤进行划分,可将其分为一系列前后承接(交叉)的阶段,如:准三维流场设计阶段、全三维CFD叶型优化阶段、叶片快速成型阶段以及落实细节结构的叶片FEA分析等等。实际上如果将叶片CAE的范畴进行外延,完整的叶片研发过程,从一维概念到三维细节,都是由计算机辅助完成的,该过程可以由下表给出。
5总结
对汽轮机单只长叶片在离心力载荷与汽流力载荷作用下的疲劳寿命进行了计算与分析。研究内容主要分为三部分：一，对长叶片在启动-稳定运转-停机过程中受各种载荷工况进行了有限元模拟和强度分析；二，对叶片材料的疲劳特性 SN 曲线实验方法及数据处理进行了介绍；三，结合有限元应力计算结果以及实验数据曲线，对叶片无损和有损情况下的疲劳寿命进行了计算与分析。
参考文献
[1]何阿平,阳虹,彭泽瑛,大型核电机组半速汽轮机长叶片系列的研发,电力设备,2008.
[2]陆伟,彭泽瑛,周英,程凯,半速大容量核电汽轮机末级长叶片开发,华东电力,2010.
论文作者:吴新义,王玮,翁沁心
论文发表刊物:《电力设备》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/19
标签：叶片论文; 疲劳论文; 应力论文; 载荷论文; 裂纹论文; 汽轮机论文; 寿命论文; 《电力设备》2017年第14期论文;