工業瓦斯輪機葉片的蠕變疲勞耦合壽命消耗
前言：研究位于曼島普羅斯電站的LM2500+工業瓦斯輪機的葉片壽命消耗問題。采用了線性損傷累積法來分析蠕變和疲勞引起的壽命消耗，并通過蠕變疲勞互動因子來評估葉片的壽命消耗情況。蠕變損傷對壽命消耗的貢獻大于疲勞損傷，而較低環境溫度下的疲勞損傷對壽命消耗的貢獻更大。
瓦斯輪機葉片，尤其是空氣衍生式瓦斯輪機的壓氣機渦輪葉片，會因為高溫暴露而出現蠕變失效。雖然蠕變可能是失效的最主要方式，但如果瓦斯輪機頻繁運作和關閉，疲勞失效也同樣會發生。葉片失效可能不僅僅是由于蠕變或疲勞，而可能以蠕變疲勞互動的形式出現，這是一種複合失效模式。
有幾種方法可以研究發動機部件的蠕變疲勞互動失效，蠕變疲勞失效是從裂紋擴充開始的，大多數采用的方法都集中在裂紋增長速率擴充上。
除了裂紋擴充方法外，還有幾種方法可用于研究蠕變疲勞互動失效。利用廣義能量基礎的損傷參數方法，預測渦輪盤合金的蠕變疲勞互動失效。利用能量和動量守恒原理，開發了一種用于預測蠕變疲勞互動壽命的模型。
蠕變疲勞壽命預測通常涉及實驗，有關許多材料的蠕變疲勞互動行為的資料是可用的。還需考慮材料的氧化，除蠕變疲勞互動失效外。這是出于發動機所在環境的性質。熱機械疲勞用于代表材料中的蠕變-疲勞-氧化互動。
在零件壽命預測中，很難獲得非常精确的結果，疲勞壽命具有随機性質，需要預測元件的壽命，在引擎操作中獲得的壽命相對于參考條件下的壽命。在預測蠕變壽命方面，Addul-Ghafir等人引入了蠕變因子的概念，用于分析引擎的蠕變壽命消耗，蠕變因子是預測引擎壽命與參考壽命的比值。
研究考慮了蠕變和疲勞，采用了線性損傷積累方法，使用了Larson-Miller參數法進行蠕變分析，采用了改進的通用斜率法進行疲勞壽命分析。使用了葉片熱應力模型、蠕變疲勞互動模型和PYTHIA軟體。分析是通過相對壽命分析實作的。
其中tf是蠕變失效時間，T是葉片材料的溫度，LMP是從Master曲線中獲得的Larson-Miller參數，C是材料常數，通常為20。蠕變壽命的估算是通過開發葉片應力和熱模型來實作的，而每個葉片被劃分為多個部分。
“蠕變-疲勞互相作用因子”用于評估發動機在蠕變-疲勞互相作用壽命消耗下的運作嚴重程度。這類似于疲勞因子方法和疲勞因子方法。發動機運作任意時刻的蠕變-疲勞互相作用因子由方程表示。CFF是蠕變-疲勞互相作用因子，tf、c+f_Ref是參考點處蠕變-疲勞互相作用失效時間。
對于涉及不同條件和發動機運作時間範圍的複雜發動機操作過程，使用等效蠕變-疲勞互相作用因子，其由方程給出，也可以用失效循環數來表示。
開發的蠕變-疲勞互相作用分析系統有PYTHIA作為中心，蠕變壽命分析和疲勞壽命分析子系統提供輸入到蠕變-疲勞互相作用壽命分析系統中。在PYTHIA中建立了一個行為類似于實際發動機的發動機模型，用于壽命分析。
蠕變壽命消耗和疲勞壽命消耗分别在各自的壽命分析系統中進行，然後再執行蠕變-疲勞互相作用分析。蠕變壽命分析和疲勞壽命分析的結果傳遞給蠕變-疲勞分析系統，每個壽命分析系統都與PYTHIA進行通信，以擷取發動機模型屬性以及模拟發動機性能值。
開發了一種考慮蠕變-疲勞互相作用的分析系統，其結果可以以失效時間或失效循環數來表示，但它們通常以相對發動機壽命消耗的形式展示，即蠕變-疲勞互相作用因子。
該系統分别對蠕變壽命消耗和疲勞壽命消耗進行分析，然後執行蠕變-疲勞互相作用分析，該系統被應用于研究LM2500+發動機在馬恩島的熱部件葉片的蠕變-疲勞互相作用壽命消耗。
以蠕變壽命為基礎，評估了發動機壽命的降低百分比。由于蠕變和疲勞的互相作用，壽命降低比蠕變壽命預測更多。疲勞貢獻增加會減少壽命降低。在低溫和頻繁關機的情況下，疲勞貢獻最高，壽命降低最大。
在高溫和低負載下，蠕變壽命是主要壽命消耗，僅估算蠕變壽命消耗可能就足夠了。在不同的運作條件下，需要根據具體情況來選擇合适的壽命模型。
結論：使用線性蠕變和疲勞累積模型，對LM2500+發動機進行蠕變疲勞互動壽命分析。在不同的發動機工況下，蠕變主導蠕變疲勞失效。研究結果與實際發動機運作結果相符，并且所開發的壽命跟蹤方法可以應用于任何發動機。未來需要研究環境溫度變化、軸功率水準和發動機退化對蠕變疲勞互動壽命的影響。
