基于疲劳因子方法的工业燃气涡轮叶片低周疲劳寿命估计与跟踪
前言:工作进行了低周疲劳寿命消耗分析。即使引擎不经常关闭，也采用了疲劳循环累积方法，并结合修改的通用斜率法来估计疲劳循环至失效的次数。采用损伤累加规则来估计在给定的引擎运行期间累积的疲劳损伤。
燃气涡轮的热部件由于蠕变、疲劳和蠕变疲劳相互作用而容易发生故障。尽管存在多种故障模式，蠕变故障和疲劳故障通常被单独研究。本研究的重点是对工业燃气涡轮叶片的低周疲劳寿命进行估计和跟踪。
低周疲劳寿命分析涉及应变寿命法进行疲劳寿命分析。元件的疲劳寿命消耗分析涉及确定在给定应力振幅下的失效循环次数，以及与应力振幅定义的负荷块相对应的应力循环次数。
在给定负荷振幅下的失效循环次数可以使用多种方法得到，其中包括Morrow方程、Smith-Watson-Topper关系、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，因为它在拟合疲劳数据方面提供了最佳结果。通过应用Palmgren和Miner提供的损伤累加规则，来跟踪目标叶片寿命。
鉴于疲劳失效的随机性质，从累积的引擎运行数据中获得疲劳失效的绝对值并不十分恰当。因此，在引擎运行的给定时期内获得的疲劳失效时间与在预定点引擎运行的参考寿命进行比较。疲劳因子是本研究中引入的概念，它是获得的疲劳寿命与参考寿命之比。这类似于蠕变寿命消耗分析中的蠕变因子的概念。
开发和采用的所有模型，用于叶片疲劳寿命估计和跟踪，都已整合到克兰菲尔德大学自有的燃气涡轮软件PYTHIA中，通过提供引擎运行数据，使寿命估计和跟踪在一个单一平台上变得可行。本研究以马恩岛普罗斯电站的LM2500+引擎为案例
叶片跨度被分成了8个相等的部分，在叶片的8个不同部位估计由离心力和弯矩力引起的应力，其中在这8个部位中取最大值用于疲劳寿命估计。该应力模型与中的模型类似。在每个部位，应力在前缘（LE）、后缘（LE）和叶片吸力面上最远点（SB）处进行评估。每个节点的离心应力σC,i由方程（1）给出，其中Acs,i是节点i处的叶片截面积，Fi是节点i处的离心力。
采用的循环计数模型是中提出的模型。使用该模型，给定引擎运行期间积累的应力循环数（称为等效应力循环，因为循环是从不同的载荷块累积得到的），Neq，由方程给出。其中，σiTot,d、σi+1Tot,d、σSTot,d和k分别表示第i个数据点、下一个数据点、设定的速度水平和循环确定指数的总应力。
Nf是在给定引擎运行点（对应特定载荷块）上的失效循环数，Nf,Ref是在定义的参考点上的失效循环数。如果NfNf,Ref，则相对于参考条件，引擎在更有利的条件下运行。
开发的疲劳寿命算法被应用于8个月的引擎运行，并使用真实的引擎现场数据来确定叶片寿命追踪过程的可行性。作为案例研究，使用了马恩岛Manx Utilities公司的LM2500+引擎，并以动力涡轮叶片为目标。
考虑到的8个月引擎运行的等效每日疲劳因子，而图3显示了每个月引擎运行的月度等效疲劳因子以及整体等效疲劳因子（标记为OEFF）。还调查了环境温度对不同轴功率水平下的疲劳寿命消耗的影响，结果呈现。在这里，环境温度从5℃变化到30℃，轴功率水平从70%到100%。
等效每日疲劳因子在引擎运行的1月、2月、3月和12月较低，与6月、7月、8月和11月相比。这是因为疲劳寿命取决于叶片上的应力，而这些应力来自引擎轴速度和动量变化。后者取决于空气进气量。
在1月、2月、3月和12月，记录到较低的环境温度，导致较高的空气进气量，从而在叶片上产生较高的交变应力振幅。因此，每个月引擎运行的等效疲劳因子在1月、2月、3月和12月较低。整体等效疲劳因子（OEFF）略高于1，表明考虑到的8个月引擎运行中叶片的疲劳寿命消耗是有利的。实际上，使用的OEFF是整个8个月引擎运行的等效疲劳寿命。
在任何给定的功率水平下，通过考虑的温度范围增加环境温度会导致疲劳因子的降低。
平均而言，疲劳因子随环境温度的增加而降低，因为环境温度的增加导致质量进气量减少。这伴随着动量变化应力的降低和轴功率水平下降的趋势。为了保持轴功率水平恒定，引擎转速增加，导致离心应力增加。离心应力的增加超过动量变化应力的减少。这导致疲劳寿命的缩短。随着功率水平的提高，疲劳寿命的缩短程度增加，因为在较高功率水平下会经历更高的应力振幅。
结论:开发了疲劳寿命消耗分析和追踪方法。引入了疲劳因子的概念，用于评估引擎运行状况，并使引擎寿命追踪成为可能。该方法被应用于8个月的引擎运行，以追踪整个期间引擎的疲劳寿命消耗，并测试了寿命追踪过程的可行性。
