[發明專利]汽輪機轉子在低周與高周疲勞作用下壽命設計與監控方法

有效

• 申請號: 202011504351.8
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112668111B
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 史進淵;王建業;蔣俊;譚振山;石回回;徐前;徐望人;祝自芳;徐佳敏
• 申請（專利權）人: 上海發電設備成套設計研究院有限責任公司
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F111/10;G06F119/04
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 沈金美

1.一種汽輪機轉子在低周與高周疲勞作用下壽命設計與監控方法，其特征在于，包括：

S1、獲取汽輪機的運行參數、汽輪機轉子的性能參數、裂紋尺寸參數、總壽命判據值τ₀、以及運行壽命τ；

所述汽輪機的運行參數包括年均冷態起動次數y_c、年均溫態起動次數y_w、年均熱態起動次數y_h、年均正常停機次數y_n、年均110％超速試驗次數y₁₁₀、年均120％超速運行次數y₁₂₀、年均運行小時數t_y、工作轉速n₀；

所述汽輪機轉子的性能參數包括轉子材料力學性能參數、汽輪機第i種工況下的轉子低周疲勞應變幅ε_ai、以及汽輪機第i種工況下的最大應力σ_maxi；

所述轉子材料力學性能參數包括材料彈性模量E、材料疲勞強度系數σ_f、材料疲勞延性系數ε_f、材料低周疲勞強度指數b_L、材料高周疲勞強度指數b_H、材料疲勞延性指數c、材料斷裂韌性K_IC、材料低周疲勞裂紋擴展試驗常數C₀與m₀、材料高周疲勞裂紋擴展試驗常數C_0H與m_0H、以及材料高周疲勞裂紋擴展門檻值

所述汽輪機第i種工況下的轉子低周疲勞應變幅ε_ai包括冷態起停低周疲勞應變幅ε_ac、溫態起停低周疲勞應變幅ε_aw、熱態起停低周疲勞應變幅ε_ah、110％超速試驗低周疲勞應變幅ε_a110、以及120％超速運行低周疲勞應變幅ε_a120；

所述汽輪機第i種工況下的最大應力σ_maxi包括帶負荷運行高周疲勞應變幅ε_aH、帶負荷運行平均應力σ_m、正常停機最大應力σ_maxn、110％超速試驗最大應力σ_max110、120％超速運行最大應力σ_max120、高周疲勞裂紋擴展的最大應力σ_maxH、以及帶負荷運行高周疲勞應力范圍Δσ_H；

S2、在汽輪機的設計階段，根據汽輪機的運行參數、汽輪機轉子的性能參數、以及裂紋尺寸參數計算汽輪機轉子在低周疲勞與高周疲勞作用下的理論總壽命τ_CLt；當τ_CLt≥τ₀時，監控結束；當τ_CLt＜τ₀時，優化汽輪機轉子的性能參數，重新計算τ_CLt，直至τ_CLt≥τ₀；

S3、在汽輪機的使用階段，根據汽輪機的運行參數、汽輪機轉子的性能參數、以及裂紋尺寸參數計算汽輪機轉子在低周疲勞與高周疲勞作用下的理論剩余壽命τ_Rf，所述理論剩余壽命τ_Rf＝理論總壽命τ_CLt-運行壽命τ；當τ_Rf≥(τ₀-τ)時，監控結束；當τ_Rf＜(τ₀-τ)時，優化汽輪機的運行參數，重新計算τ_Rf，直至τ_Rf≥(τ₀-τ)；

所述理論總壽命τ_CLt的計算方法依次包括以下步驟：

A1、計算汽輪機轉子年均高周疲勞次數y_H：

A2、計算汽輪機第i種工況下的汽輪機轉子低周疲勞裂紋萌生壽命N_i：

N_i包括汽輪機冷態起停轉子低周疲勞裂紋萌生壽命N_c、汽輪機溫態起停轉子低周疲勞裂紋萌生壽命N_w、汽輪機熱態起停轉子低周疲勞裂紋萌生壽命N_h、110％超速試驗轉子低周疲勞裂紋萌生壽命N₁₁₀、以及120％超速運行轉子低周疲勞裂紋萌生壽命N₁₂₀；

A3、計算汽輪機轉子高周疲勞裂紋萌生壽命N_H：

A4、計算汽輪機轉子高周疲勞裂紋擴展的裂紋尺寸界限值a_th：

其中，M為與裂紋形狀參數Q有關的常數，

a、c₁和θ都為裂紋尺寸參數，a為橢圓形裂紋短軸半徑，c₁為橢圓形裂紋長軸半徑，θ為過裂紋周線上任意一點的徑向線與橢圓長軸的夾角；

A5、計算汽輪機轉子高周疲勞裂紋擴展的臨界裂紋尺寸a_cH：

A6、計算汽輪機轉子低周疲勞裂紋擴展的臨界裂紋尺寸a_ci：

A7、當橢圓形裂紋短軸半徑a不大于裂紋尺寸界限值a_th時，計算汽輪機轉子的第一階段低周疲勞裂紋擴展壽命N_fi,1：

其中，a₀為汽輪機轉子初始裂紋的尺寸；

第一階段低周疲勞裂紋擴展壽命N_fi,1包括第一階段正常停機低周疲勞裂紋擴展壽命N_fn,1、第一階段110％超速試驗低周疲勞裂紋擴展壽命N_f110,1、以及第一階段120％超速運行低周疲勞裂紋擴展壽命N_f120,1；

A8、當橢圓形裂紋短軸半徑a大于裂紋尺寸界限值a_th時，計算汽輪機轉子的第二階段低周疲勞裂紋擴展壽命N_fi,2：

第二階段低周疲勞裂紋擴展壽命N_fi,2包括第二階段正常停機低周疲勞裂紋擴展壽命N_fn,2、第二階段110％超速試驗低周疲勞裂紋擴展壽命N_f110,2、以及第二階段120％超速運行低周疲勞裂紋擴展壽命N_f120,2；

A9、計算汽輪機轉子的高周疲勞裂紋擴展壽命N_fH：

A10、計算汽輪機轉子的年均低周疲勞與高周疲勞裂紋萌生壽命損耗e_y0：

A11、計算汽輪機轉子在低周疲勞與高周疲勞作用下裂紋萌生日歷壽命τ_CL0：

A12、計算汽輪機轉子第一階段年均疲勞裂紋擴展壽命損耗e_y1：

A13、計算汽輪機轉子第一階段疲勞裂紋擴展日歷壽命τ_CL1：

A14、計算汽輪機轉子第二階段年均疲勞裂紋擴展壽命損耗e_y2：

A15、計算汽輪機轉子第二階段疲勞裂紋擴展日歷壽命τ_CL2：

A16、所述理論總壽命τ_CLt為：τ_CLt＝τ_CL0+τ_CL1+τ_CL2。