基于疲勞因子方法的工業瓦斯渦輪葉片低周疲勞壽命估計與跟蹤
前言:工作進行了低周疲勞壽命消耗分析。即使引擎不經常關閉，也采用了疲勞循環累積方法，并結合修改的通用斜率法來估計疲勞循環至失效的次數。采用損傷累加規則來估計在給定的引擎運作期間累積的疲勞損傷。
瓦斯渦輪的熱部件由于蠕變、疲勞和蠕變疲勞互相作用而容易發生故障。盡管存在多種故障模式，蠕變故障和疲勞故障通常被單獨研究。本研究的重點是對工業瓦斯渦輪葉片的低周疲勞壽命進行估計和跟蹤。
低周疲勞壽命分析涉及應變壽命法進行疲勞壽命分析。元件的疲勞壽命消耗分析涉及确定在給定應力振幅下的失效循環次數，以及與應力振幅定義的負荷塊相對應的應力循環次數。
在給定負荷振幅下的失效循環次數可以使用多種方法得到，其中包括Morrow方程、Smith-Watson-Topper關系、通用斜率法、Mitchell方法和修改的通用斜率法。采用了修改的通用斜率法，因為它在拟合疲勞資料方面提供了最佳結果。通過應用Palmgren和Miner提供的損傷累加規則，來跟蹤目标葉片壽命。
鑒于疲勞失效的随機性質，從累積的引擎運作資料中獲得疲勞失效的絕對值并不十分恰當。是以，在引擎運作的給定時期内獲得的疲勞失效時間與在預定點引擎運作的參考壽命進行比較。疲勞因子是本研究中引入的概念，它是獲得的疲勞壽命與參考壽命之比。這類似于蠕變壽命消耗分析中的蠕變因子的概念。
開發和采用的所有模型，用于葉片疲勞壽命估計和跟蹤，都已整合到克蘭菲爾德大學自有的瓦斯渦輪軟體PYTHIA中，通過提供引擎運作資料，使壽命估計和跟蹤在一個單一平台上變得可行。本研究以馬恩島普羅斯電站的LM2500+引擎為案例
葉片跨度被分成了8個相等的部分，在葉片的8個不同部位估計由離心力和彎矩力引起的應力，其中在這8個部位中取最大值用于疲勞壽命估計。該應力模型與中的模型類似。在每個部位，應力在前緣（LE）、後緣（LE）和葉片吸力面上最遠點（SB）處進行評估。每個節點的離心應力σC,i由方程（1）給出，其中Acs,i是節點i處的葉片截面積，Fi是節點i處的離心力。
采用的循環計數模型是中提出的模型。使用該模型，給定引擎運作期間積累的應力循環數（稱為等效應力循環，因為循環是從不同的載荷塊累積得到的），Neq，由方程給出。其中，σiTot,d、σi+1Tot,d、σSTot,d和k分别表示第i個資料點、下一個資料點、設定的速度水準和循環确定指數的總應力。
Nf是在給定引擎運作點（對應特定載荷塊）上的失效循環數，Nf,Ref是在定義的參考點上的失效循環數。如果NfNf,Ref，則相對于參考條件，引擎在更有利的條件下運作。
開發的疲勞壽命算法被應用于8個月的引擎運作，并使用真實的引擎現場資料來确定葉片壽命追蹤過程的可行性。作為案例研究，使用了馬恩島Manx Utilities公司的LM2500+引擎，并以動力渦輪葉片為目标。
考慮到的8個月引擎運作的等效每日疲勞因子，而圖3顯示了每個月引擎運作的月度等效疲勞因子以及整體等效疲勞因子（标記為OEFF）。還調查了環境溫度對不同軸功率水準下的疲勞壽命消耗的影響，結果呈現。在這裡，環境溫度從5℃變化到30℃，軸功率水準從70%到100%。
等效每日疲勞因子在引擎運作的1月、2月、3月和12月較低，與6月、7月、8月和11月相比。這是因為疲勞壽命取決于葉片上的應力，而這些應力來自引擎軸速度和動量變化。後者取決于空氣進氣量。
在1月、2月、3月和12月，記錄到較低的環境溫度，導緻較高的空氣進氣量，進而在葉片上産生較高的交變應力振幅。是以，每個月引擎運作的等效疲勞因子在1月、2月、3月和12月較低。整體等效疲勞因子（OEFF）略高于1，表明考慮到的8個月引擎運作中葉片的疲勞壽命消耗是有利的。實際上，使用的OEFF是整個8個月引擎運作的等效疲勞壽命。
在任何給定的功率水準下，通過考慮的溫度範圍增加環境溫度會導緻疲勞因子的降低。
平均而言，疲勞因子随環境溫度的增加而降低，因為環境溫度的增加導緻品質進氣量減少。這伴随着動量變化應力的降低和軸功率水準下降的趨勢。為了保持軸功率水準恒定，引擎轉速增加，導緻離心應力增加。離心應力的增加超過動量變化應力的減少。這導緻疲勞壽命的縮短。随着功率水準的提高，疲勞壽命的縮短程度增加，因為在較高功率水準下會經曆更高的應力振幅。
結論:開發了疲勞壽命消耗分析和追蹤方法。引入了疲勞因子的概念，用于評估引擎運作狀況，并使引擎壽命追蹤成為可能。該方法被應用于8個月的引擎運作，以追蹤整個期間引擎的疲勞壽命消耗，并測試了壽命追蹤過程的可行性。
