工业燃气轮机叶片的蠕变疲劳耦合寿命消耗
前言：研究位于曼岛普罗斯电站的LM2500+工业燃气轮机的叶片寿命消耗问题。采用了线性损伤累积法来分析蠕变和疲劳引起的寿命消耗，并通过蠕变疲劳交互因子来评估叶片的寿命消耗情况。蠕变损伤对寿命消耗的贡献大于疲劳损伤，而较低环境温度下的疲劳损伤对寿命消耗的贡献更大。
燃气轮机叶片，尤其是空气衍生式燃气轮机的压气机涡轮叶片，会因为高温暴露而出现蠕变失效。虽然蠕变可能是失效的最主要方式，但如果燃气轮机频繁运行和关闭，疲劳失效也同样会发生。叶片失效可能不仅仅是由于蠕变或疲劳，而可能以蠕变疲劳交互的形式出现，这是一种复合失效模式。
有几种方法可以研究发动机部件的蠕变疲劳交互失效，蠕变疲劳失效是从裂纹扩展开始的，大多数采用的方法都集中在裂纹增长速率扩展上。
除了裂纹扩展方法外，还有几种方法可用于研究蠕变疲劳交互失效。利用广义能量基础的损伤参数方法，预测涡轮盘合金的蠕变疲劳交互失效。利用能量和动量守恒原理，开发了一种用于预测蠕变疲劳交互寿命的模型。
蠕变疲劳寿命预测通常涉及实验，有关许多材料的蠕变疲劳交互行为的数据是可用的。还需考虑材料的氧化，除蠕变疲劳交互失效外。这是出于发动机所在环境的性质。热机械疲劳用于代表材料中的蠕变-疲劳-氧化交互。
在零件寿命预测中，很难获得非常精确的结果，疲劳寿命具有随机性质，需要预测组件的寿命，在引擎操作中获得的寿命相对于参考条件下的寿命。在预测蠕变寿命方面，Addul-Ghafir等人引入了蠕变因子的概念，用于分析引擎的蠕变寿命消耗，蠕变因子是预测引擎寿命与参考寿命的比值。
研究考虑了蠕变和疲劳，采用了线性损伤积累方法，使用了Larson-Miller参数法进行蠕变分析，采用了改进的通用斜率法进行疲劳寿命分析。使用了叶片热应力模型、蠕变疲劳交互模型和PYTHIA软件。分析是通过相对寿命分析实现的。
其中tf是蠕变失效时间，T是叶片材料的温度，LMP是从Master曲线中获得的Larson-Miller参数，C是材料常数，通常为20。蠕变寿命的估算是通过开发叶片应力和热模型来实现的，而每个叶片被划分为多个部分。
“蠕变-疲劳相互作用因子”用于评估发动机在蠕变-疲劳相互作用寿命消耗下的运行严重程度。这类似于疲劳因子方法和疲劳因子方法。发动机运行任意时刻的蠕变-疲劳相互作用因子由方程表示。CFF是蠕变-疲劳相互作用因子，tf、c+f_Ref是参考点处蠕变-疲劳相互作用失效时间。
对于涉及不同条件和发动机运行时间范围的复杂发动机操作过程，使用等效蠕变-疲劳相互作用因子，其由方程给出，也可以用失效循环数来表示。
开发的蠕变-疲劳相互作用分析系统有PYTHIA作为中心，蠕变寿命分析和疲劳寿命分析子系统提供输入到蠕变-疲劳相互作用寿命分析系统中。在PYTHIA中创建了一个行为类似于实际发动机的发动机模型，用于寿命分析。
蠕变寿命消耗和疲劳寿命消耗分别在各自的寿命分析系统中进行，然后再执行蠕变-疲劳相互作用分析。蠕变寿命分析和疲劳寿命分析的结果传递给蠕变-疲劳分析系统，每个寿命分析系统都与PYTHIA进行通信，以获取发动机模型属性以及模拟发动机性能值。
开发了一种考虑蠕变-疲劳相互作用的分析系统，其结果可以以失效时间或失效循环数来表示，但它们通常以相对发动机寿命消耗的形式展示，即蠕变-疲劳相互作用因子。
该系统分别对蠕变寿命消耗和疲劳寿命消耗进行分析，然后执行蠕变-疲劳相互作用分析，该系统被应用于研究LM2500+发动机在马恩岛的热部件叶片的蠕变-疲劳相互作用寿命消耗。
以蠕变寿命为基础，评估了发动机寿命的降低百分比。由于蠕变和疲劳的相互作用，寿命降低比蠕变寿命预测更多。疲劳贡献增加会减少寿命降低。在低温和频繁关机的情况下，疲劳贡献最高，寿命降低最大。
在高温和低负载下，蠕变寿命是主要寿命消耗，仅估算蠕变寿命消耗可能就足够了。在不同的运行条件下，需要根据具体情况来选择合适的寿命模型。
结论：使用线性蠕变和疲劳累积模型，对LM2500+发动机进行蠕变疲劳交互寿命分析。在不同的发动机工况下，蠕变主导蠕变疲劳失效。研究结果与实际发动机运行结果相符，并且所开发的寿命跟踪方法可以应用于任何发动机。未来需要研究环境温度变化、轴功率水平和发动机退化对蠕变疲劳交互寿命的影响。
