大功率汽轮机高温叶片蠕变特性数值研究

近年来汽轮机朝着大功率、高参数方向快速发展,汽轮机进口蒸汽温度不断提高,导致叶片的工作环境进一步恶化.叶片作为汽轮机的核心部件,其安全性直接影响汽轮机机组的运行状况,因此研究高温条件下叶片的强度和蠕变特性非常重要.以某大功率汽轮机高温叶片为例,构造了叶片和叶轮三维有限元模型,采用商用有限元软件ANSYS分析了离心力和温度场共同作用下的叶片热弹性应力及变形;然后,应用诺顿模型分析了该叶片经历100 000 h蠕变历程的应力和应变.建立了完整的汽轮机叶片蠕变特性分析数值模型,研究工作为汽轮机叶片的静强度和蠕变特性研究提供了具体的方法,所得结论对于高温叶片设计具有指导意义.     

喷雾降温对燃气轮机涡轮叶片损伤的影响

建立了燃气轮机高温涡轮叶片损伤评估模型,包括热力学性能计算模型、应力评估模型、热评估模型和交互损伤分析模型,无法测量参数由热力学性能计算模型计算,作为应力评估模型和热评估模型的输入。根据蠕变与疲劳损伤模型分析结果,对进气道内使用喷雾冷却降温的燃气轮机高温涡轮叶片进行损伤评估,比较了燃气轮机在不同转速以及负荷下,使用喷雾冷却系统前后,高温涡轮叶片损伤的变化,定量评估喷水量对高温叶片寿命的改善。结果表明:启用喷雾冷却系统可以大幅减小因蠕变造成的叶片损伤,在低负荷(30%)时损伤减小的幅度尤为明显,其预期寿命从40 000 h延长到50 000 h以上,可以大幅延长叶片的使用寿命;在夏季运行时(53%负荷),如果以减少蠕变损伤为目标,可以考虑增加喷水量,从40%～100%,叶片各级蠕变损伤最高可减小13.5%。     

高温环境下蠕变疲劳交互作用损伤力学研究

应力控制下的疲劳、蠕变及其交互作用损伤实际上是循环蠕变、静蠕变引起的材料延性不断耗竭的过程，本文在延性耗竭理论和损伤力学有效应力概念的基础上．对疲劳蠕变交互作用损伤演化进行了研究，提出了一个新的疲劳蠕变交互作用损伤模型．采用非弹性应变能密度变化作为损伤参量定义损伤变量。通过耐热钢1.25Cr0.5Mo光滑试样高温环境下应力控制的梯形波加载试验．验证上述疲劳蠕变交互作用模型，最终得到了1.25Cr0.5Mo钢540℃下不同最大应力、不同应力幅组合条件下的损伤演化统一表达式，试验损伤点与该模型的损伤演化规律符合较好．表明该模型和损伤变量适合于疲劳蠕变交互作用下的损伤描述．     

汽轮机隔板高温蠕变寿命评估方法的研究

针对现役引进型机组高温蠕变现象难于正确评估的情况,提出了根据机组历次大修记录的变形数据和有限元计算相结合的方法得到材料蠕变参数.采用该方法对某电厂600 Mw机组T11 级隔板的高温蠕变变形问题进行了分析研究,并应用商用软件对隔板在继续运行中的变形和应力情况作出了预测和评估.结果表明:隔板最大应力产生的位置在隔板外环叶片的出汽侧,靠近中分面边缘叶根、叶片的出汽边处,其值为160 MPa,按每年连续运行8 000 h计算,隔板的使用寿命约为30年,与制造商提供的设计寿命一致,得出了机组在一个大修期内不必立即更换隔板的结论,节约了维修费用,为汽轮机或燃气轮机高温部件的蠕变寿命的评估提供了一种实用方法.     

锅炉受压元件的高温蠕变-疲劳寿命设计计算方法

介绍了锅炉受压元件高温蠕变-疲劳寿命的设计计算方法.该方法建立在线弹性应力分析理论基础上,对我国锅炉制造业长期积累的锅炉受压元件寿命设计计算经验和方法进行了归纳总结,并参照了美国ASME等国际先进标准.它给出了电站锅炉高温受压元件蠕变、低周疲劳及交互作用条件下的寿命损伤计算方法和典型结构及材料的设计计算参数,可供水管锅炉高温受压元件寿命设计使用,在役元件的高温蠕变及高温蠕变-疲劳寿命计算也可借鉴.     

舰用燃气涡轮叶片材料的蠕变寿命模型研究

本文在金属材料典型蠕变过程的基础上,分别研究了蠕变各个阶段的本构模型。针对金属材料在较高应力下没有蠕变稳定阶段的现象,提出了金属材料高低应力值的判定准则并根据高低应力的不同特点推导了不同的耦合损伤本构模型。通过对舰用燃气轮机涡轮叶片材料的蠕变试验结果与模型预测结果进行比较可以看出：本文提出的蠕变模型近似地模拟金属材料的蠕变全过程,准确地预测金属材料的蠕变寿命。     

660MW超超临界汽轮机高压转子的高温蠕变强度分析

为了研究在高温下某660 MW超超临界汽轮机高压转子的蠕变强度,利用有限元计算方法分析了转子在额定工况下的温度和应力分布,并采用幂率模型和孔洞长大机理预测了该转子在2×105h工作中的蠕变行为,研究结果表明:在额定工况下,转子最高内应力低于屈服极限,处于纯弹性变形状态;转子内大部分区域温度在300～600℃,已进入蠕变温度范围.蠕变与热弹性耦合分析表明:蠕变会引起转子内部应力的重新分布,转子前轴封圆弧段的蠕变应变较高,而且多轴应力对该区域蠕变韧度的影响明显,应当引起足够重视.     

新型耐热钢T91的蠕变断裂寿命估算

T91 /P91钢是国外为提高火力发电机组的效率而研制的一种高合金耐热钢 ,它是完成超临界发电机组主蒸汽参数由 5 66℃向 5 93℃过渡的关键材料。采用受约束蠕变孔洞生长模型计算了不同试验条件下T91钢的蠕变断裂时间 ,计算值与实测值相差不到 2倍。在对模型修正后 ,计算得到的断裂时间与实际值更为接近 ,该模型可以用来估算T91钢高温服役条件下的蠕变断裂寿命     

采用应力分析法评估锅炉高温三通强度及其寿命

针对锅炉高温三通的结构特点,提出了评价其强度及寿命的有限元应力分析方法.强度评估采用应力分类原则并使用密赛斯当量应力,总体膜应力区域引入开孔减弱系数概念以避免分析模型复杂化;寿命中的疲劳损伤部分按弹性瞬态考虑,并采用应力指数法简化模型,以提高计算效率;蠕变损伤部分考虑材料的塑性及蠕变松弛作用.以一个实际锅炉三通为例,结合通用有限元软件ANSYS进行了其强度及寿命的计算,结果表明:该三通符合锅炉使用30年的预期,该方法可用于锅炉高温三通的强度及寿命计算.     

超超临界机组高压内缸蠕变强度分析

对某超超临界机组高压内缸的高温蠕变强度进行了研究,利用ABAQUS建立了高压内缸三维有限元模型,并进行了计算分析.结果表明:在稳态工况下高压内缸最大应力低于相应温度下材料的屈服强度,未达到屈服状态;高压内缸蠕变应变发生区域主要集中在进汽口及平衡活塞处;多轴效应对蠕变考核具有重要影响,采用多轴蠕变应变进行蠕变强度考核准确度更高;高温蠕变所引起的应力松弛使得螺栓热紧力下降,对2×105 h蠕变后的高压内缸中分面汽密性产生影响.     

燃气轮机透平叶片流-热-固耦合分析及蠕变寿命预测

本文采用流-热-固耦合方法,对某燃气轮机透平动叶的流场、温度场以及应力分布进行了计算分析,并据此对叶片的蠕变寿命进行了计算,得到了蠕变寿命云图,发现该叶片的寿命最短点与温度最高点、应力最大点不在同一位置。相较于传统的选取温度最高和应力最大的节点作为危险点进行寿命分析的方法,对叶片所有节点进行寿命计算,形成寿命云图的方法,能更加直观准确地找到寿命最短的位置,从而更好地评估设计方案。     

汽轮机隔板的塑性变形分析

对某电厂汽轮机中压缸第11级隔板进行三维有限元计算,得到了该隔板的应力分布及挠度分布.结果表明:隔板最大应力发生在隔板外环叶片的出汽侧,其值为160 MPa.通过对隔板的挠度试验数据、有限元计算结果、机组长期运行和历次检修数据的分析,认为:隔板刚度设计不足,运行过程中应力偏大,温度超过467℃,而且变形过程还具有蠕变变形等特征.这表明隔板的塑性变形是由材料的蠕变变形引起的.为了保证机组的安全经济运行和维护保养,建议对该级隔板进行蠕变变形和轴向间隙量的深入计算,并对其进行剩余寿命评估.     

低合金耐热钢蠕变断裂韧性

试验表明,耐热钢和合金在高温长期应力作用下,由于内部组织变化会出现蠕变脆性现象。事实表明:对耐热钢和合金的高温断裂寿命评定,特别是在缺口蠕变断裂时应采用持久强度和高温蠕变断裂韧性相结合的性能指标,但目前尚缺乏能反映耐热材料在高温长期应力作用下脆性特性指标。蠕变断裂过程实际上是蠕变裂纹萌生和扩展过程。文献[5～8]认为:当裂纹尖端区蠕变损伤积累     

单晶涡轮叶片强度分析与结构优化设计

为提高某型燃气轮机的工作可靠性,对单晶涡轮叶片进行了强度分析与结构优化设计。采用第四强度理论,考虑了晶体取向、温度载荷、气动载荷和转速的影响,得到叶片的应力分布、典型截面的强度储备系数;根据诺顿蠕变方程计算关键节点的持久寿命;基于分析结果对叶片局部结构进行优化改进,将叶片质心向叶背侧偏移,调整进气前缘气膜孔的排列方式,并对新结构进行强度复算。结果表明：优化后的叶片静强度符合设计要求,消除了局部结构处的应力集中现象,叶身结构强度储备系数高于1.3,叶身两侧应力分布更加均匀,叶片在设计转速10%裕度范围内无共振现象发生。     

锅炉主蒸汽管道蠕变非线性有限元分析

对长期处于高温高压状态下运行的管道而言，高温蠕变是其寿命损耗的主要内在因素。本文以一余热锅炉主蒸汽管道为研究对象，建立了该管道蠕变有限元模型，研究和分析了该主汽管在高温蠕变作用下的应力分布规律，探讨了管道内输送流体的压力和温度与其蠕变量的关系。结果表明，当温度超过490℃时或压力达到10MPa时蠕变较为明显。     

某型汽轮机紧急启动时高压缸热强度分析

建立了某型汽轮机高压缸的三维模型,用有限元方法计算了其在紧急启动工况下的温度场和应力场,得到温度和应力的最大部位。运用压力容器理论对该型汽缸进行了强度校核,得到其应力集中部位的峰值应力超过了强度极限;同时在长期循环载荷作用下,该型汽缸会产生蠕变破坏。计算结果能够为优化汽缸结构、改进启动历程提供理论参考。     

风力机模型叶片结构设计计算

设计了一种用于风洞实验的风力机模型叶片,为了使模型叶片的结构设计达到试验要求,基于传统Wilson方法,考虑叶尖损失和失速状态下动量理论的失效修正,采用改进后的Wilson优化设计方法 ,利用MATLAB优化工具箱计算出各截面的参数,然后针对叶片的受力情况,根据各截面几何参数利用材料力学理论知识对叶片的强度和刚度进行校核,计算得到叶片的总应力、转角和挠度沿叶高的分布曲线。分析表明,叶片的最大总应力、最大转角和最大挠度都远小于叶片材料的许用值。因此,该风力机模型叶片在结构设计、强度和刚度上是满足要求的,为风力机模型的进一步试验研究奠定了基础。     

电站锅炉用改进型9Cr-1Mo耐热钢高温蠕变行为研究

对电站锅炉用改进型9Cr-1Mo耐热钢进行了高温蠕变试验,获得了其在565℃和650℃条件下的蠕变应变-时间曲线。研究了不同蠕变温度和应力水平对材料蠕变寿命的影响规律。基于蠕变试验数据,分析了最小蠕变速率与应力、蠕变断裂时间之间的关系。结果表明:在565℃和650℃下应力指数n的值分别为20. 02和9. 44。通过分析试验数据,对其蠕变寿命进行了预测。通过金相、断口等分析,研究了蠕变过程中的微观组织演变规律。     

汽轮机扭振作用下叶片响应及应力计算

建立了适用于汽轮发电机组轴系扭振与叶片振动耦合分析的转子-叶片耦合扭振模型,并将该模型应用于某国产600MW汽轮发电机组末级长叶片的分析计算中。基于该模型采用Riccati传递矩阵法和Newmark-β法相结合的方法得到轴系扭振故障时叶片的位移响应曲线,利用Ansys软件计算得到叶片位移-应力关系曲线,确定了叶片振动的危险截面,得到叶片危险点的应力历程,为转子和叶片的扭振疲劳寿命损耗在线分析和安全性评估奠定了基础。     

锅炉炉内承压部件的蠕变分析及寿命计算

以高温过热器为例，对锅炉炉内承压部件的寿命损耗规律进行了分析，采用拉森-米勒参数式确定蠕变断裂时间，用罗宾逊法则求出过热器蠕变寿命损耗，同时考虑疲劳对高温金属的破坏作用，最终得到适用于在线监测系统的过热器蠕变寿命简化计算公式。在计算管壁应力时，取额定负荷下的工质压力作为恒定的工作压力，这种处理使计算得到简化并趋于安全。高温腐蚀的影响通过原始壁厚乘以一个修正系数考虑。现场直接测量过热器管壁温度信号，经过适当的补偿和修正，就可输入在线监测系统进行寿命损耗监测。参5