第五章-汽輪機(jī)零件的強(qiáng)度校核-第九節(jié)--汽輪機(jī)主要零件的熱應(yīng)力及汽輪機(jī)壽命管理(共16頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第九節(jié) 汽輪機(jī)主要零件的熱應(yīng)力及汽輪機(jī)壽命管理 一、汽輪機(jī)主要霧件的熱應(yīng)力 隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，電網(wǎng)容量逐漸擴(kuò)大，電負(fù)荷峰谷差也隨之增大已達(dá)到最高負(fù)荷的3050。為了適應(yīng)負(fù)荷變化的需要、要求原帶基本負(fù)荷的高參數(shù)大容量汽輪發(fā)電機(jī)組參加調(diào)峰運(yùn)行，致使這些機(jī)組啟停次數(shù)增加，負(fù)荷變化頻繁，經(jīng)常處于變工況下運(yùn)行。汽輪機(jī)主要零件(如轉(zhuǎn)子、汽缸壁、法蘭等)內(nèi)的溫度分布規(guī)律隨著工況變化而變化，從而引起交變熱應(yīng)力，導(dǎo)致零部件低周疲勞損耗，縮短汽輪機(jī)的使用壽命。為了對(duì)汽輪機(jī)壽命有大概了解，首先對(duì)汽輪機(jī)零件的熱應(yīng)力作一般的介紹。 (一) 產(chǎn)生熱應(yīng)力的原因 汽輪機(jī)的啟動(dòng)與停機(jī)過程，對(duì)其零

2、部件而言是加熱與冷卻過程。這些零部件由于溫度變化而產(chǎn)生的膨脹或收縮變形稱為熱變形。如果零部件不能按溫度變化規(guī)律進(jìn)行自由脹縮，即熱變形受到約束(包括金屬纖維之間的約束)、則在零部件內(nèi)引起應(yīng)力，這種由溫度(或溫差)引起的應(yīng)力稱為溫度應(yīng)力，又稱熱應(yīng)力。 設(shè)一受熱零件內(nèi)各點(diǎn)的溫度由均勻加熱至t，其熱變形不受約束，可白由膨脹，見圖59.1(a)，則零件雖然有熱膨脹，但零件內(nèi)不會(huì)引起熱應(yīng)力。零件長度的絕對(duì)熱膨脹量為 (5.9.1)式中 材料線膨脹系數(shù)； 零件原始長度； 零件溫升，。 如果該零件兩端受到剛性約束，即零件加熱時(shí)兩瑞不允許膨脹，那么剛性約束的作用相當(dāng)于把圖59. 1(a)的絕對(duì)熱彭脹量壓縮到原來

3、長度，可以想象零件內(nèi)必然引起壓縮熱應(yīng)力。設(shè)零件內(nèi)的熱應(yīng)力仍在彈性范圍以內(nèi)，根據(jù)虎克定律便可求出零件內(nèi)的熱應(yīng)力值。先由應(yīng)變定義求應(yīng)變： （5.9.2）則熱應(yīng)力值為 （5.9.3）式中 受壓縮時(shí)的應(yīng)變量； E材料彈性模數(shù)。式中負(fù)號(hào)表示壓縮熱應(yīng)力(因加熱時(shí)0)。若零件受到冷卻(0)，則零件內(nèi)引起繼伸熱應(yīng)力。 如果零部件加熱(或冷卻)時(shí)溫度不均勻，那么盡管零件不受剛性約束，但其內(nèi)部各纖維(設(shè)想金屬材料由若干纖維組成)也不能按溫度分布規(guī)律進(jìn)行自由伸縮。由于零件變形的連續(xù)性。故相鄰纖維之間必然會(huì)受到約束，如高溫區(qū)的纖維受到低溫區(qū)纖維的約束，它的變形量比自由膨脹值小些，即在高溫區(qū)纖維引起壓縮熱應(yīng)力；反之、低

4、溫區(qū)的纖維受到高溫區(qū)纖維內(nèi)熱膨脹的牽拉，它的變形量比自由膨脹值大些，即在低溫區(qū)纖維內(nèi)產(chǎn)生拉伸熱應(yīng)力。 由此可見，當(dāng)汽輪機(jī)啟停或變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，汽缸、法蘭和轉(zhuǎn)子等部件都存在著溫度差，由于纖維之間的約束，這些零部件內(nèi)特產(chǎn)生熱應(yīng)力熱應(yīng)力的大小相方向與零件內(nèi)的溫度場情況和運(yùn)行方式有關(guān)。 (二) 汽缸或法蘭的熱應(yīng)力估算 圖592為K-200-130型汽輪機(jī)在啟動(dòng)至功率P80Mw時(shí)汽缸和法蘭截面的溫度分布情況，圖(a)與(b)所示分別為不投與投入法蘭和螺栓加熱裝置(加熱蒸汽溫度分別為370和350)時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)汽室截面的溫度分布規(guī)律、圖(c)為前汽封截面的溫度變化情況。 沿汽缸壁厚和法蘭寬度方向存在溫差，其內(nèi)部

5、一定會(huì)產(chǎn)生效應(yīng)力。為理論計(jì)算方便，設(shè)汽缸和法蘭為無限大平板，溫度只沿汽缸壁厚和法蘭寬度方向有變化。根據(jù)熱彈性廣義虎克定律得到汽缸和法蘭的熱應(yīng)力估算式： （5.9.4）式中 材料線膨脹系數(shù)；E材料彈性模量；材料泊桑系數(shù)，一般取;沿汽缸壁厚和法蘭寬度方向的平均溫度, ,s代表汽缸壁厚或法蘭寬度；溫度變化規(guī)律的函數(shù)式或計(jì)算點(diǎn)溫度。假設(shè)啟動(dòng)時(shí)溫度沿汽缸壁厚和法蘭寬度方向呈二次拋物線規(guī)律分布(不投法蘭加熱裝置)，如圖593(a)所示、這時(shí)還假設(shè)汽缸和法蘭外表面是絕熱的，則 （5.9.5）圖5.9.2 K-200-130型汽輪機(jī)啟動(dòng)過程P=80Mw時(shí)汽缸截面的溫度分布式中 外側(cè)溫度；s汽缸壁厚或法蘭寬度；

6、內(nèi)外側(cè)溫差、；內(nèi)側(cè)溫度，x任意一點(diǎn)距坐標(biāo)原點(diǎn)o的距離。 將式(59l 5)代入平均溫度表達(dá)式，得 （5.9.6）把式(595)和式(5. 9. 6)代入式(5. 9. 4)，得熱應(yīng)力計(jì)算式： （5.9.7）令xs或x0, 得汽缸、法半內(nèi)側(cè)或外側(cè)的熱應(yīng)力值與; (5.9.7a) 在啟動(dòng)時(shí)，0，內(nèi)側(cè)為壓縮熱應(yīng)力，外側(cè)為拉伸熱應(yīng)力。取x為不同位代入式(59，7)，便可求得對(duì)應(yīng)點(diǎn)的熱應(yīng)力值。如圖59. 3(b)所示。當(dāng)時(shí)，熱應(yīng)力等于零，由式(59. 7)求得平均溫度處的位置為。如果將熱電偶裝在此處，便可測得溫度呈二次拋物線規(guī)律分布時(shí)的平均溫度值。 由式(5. 97)可知，汽缸或法蘭的熱應(yīng)力與其內(nèi)外壁溫

7、差成正比。為了使汽缸和法蘭的熱應(yīng)力不至于過大，要求汽缸和法蘭的溫差控制在3580和75100范圍內(nèi)?？刂破缀头ㄌm的溫差實(shí)質(zhì)上是控制熱應(yīng)力值。 當(dāng)汽輪機(jī)停機(jī)時(shí)，汽缸或法蘭外側(cè)溫度大于內(nèi)側(cè)溫度，根據(jù)溫度分布規(guī)律，同樣可以求出它們的熱應(yīng)力。這時(shí)，內(nèi)側(cè)為拉應(yīng)力，外側(cè)為壓應(yīng)力?？梢娖啓C(jī)由啟動(dòng)工況至停機(jī)過程，其內(nèi)外側(cè)的熱應(yīng)力由“壓”變“拉”或由“拉”變“壓”，即熱應(yīng)力是交變的。如果汽輪機(jī)頻繁啟停，汽缸和法蘭都會(huì)受到交變熱應(yīng)力的作用，其材料發(fā)生熱疲勞損傷，甚至萌生裂紋，它們的使用壽命將縮短。 在穩(wěn)定工況下運(yùn)行時(shí)認(rèn)為汽缸和法蘭的內(nèi)外壁溫差為零(或很小)，這時(shí)熱應(yīng)力可以忽略不計(jì)。 (三) 法蘭螺栓熱應(yīng)力 汽

8、輪機(jī)在啟動(dòng)或正常運(yùn)行時(shí)，法蘭螺栓的溫度總比法蘭溫度低，即它們之間存在溫差。下面討論存在這一溫差時(shí)法蘭與螺栓的熱應(yīng)力計(jì)算。 設(shè)啟動(dòng)過程中或正常運(yùn)行時(shí)法蘭和螺栓的溫度分別為和，它們的初始溫度都為20，則法蘭和螺栓的自由熱膨脹值分別為 （5.9.8）式中 上法蘭或下法蘭高度； 系數(shù)，螺栓旋入下缸法蘭時(shí)，取=1，對(duì)于貫穿上下法蘭的螺栓，=2； 螺栓長度；伐蘭和螺栓的線膨脹系數(shù)； 法蘭溫升， ； 螺栓溫升， 。法蘭、螺栓受熱后的自由膨脹值如圖59，4(b)與(c)所示。實(shí)際上，擰緊螺校對(duì)法蘭的熱膨脹起約束作用，使法蘭實(shí)際變形值比自由膨脹小,而法蘭熱膨脹對(duì)螺栓的作用，使其實(shí)際變形值比自由膨脹大，最后在某一

9、變形值下平衡，見圖594(d)。由圖可知，法蘭和螺栓之間的約束影響法蘭和螺栓的變形值，其變形量之間的關(guān)系為 （5.9.9）兩式相加，得 （5.9.10）認(rèn)為法蘭和螺校內(nèi)應(yīng)力仍在彈性范圍以內(nèi)，根據(jù)各自的約束變形，不難求得它們之間的作用力： （5.9.11）式中 ,分別為法蘭和螺栓材料的彈性模量； 兩個(gè)螺栓距離內(nèi)法蘭的有效面積，； T螺栓節(jié)距； s法蘭寬度； 螺栓孔面積； 螺栓截面面積，=根據(jù)作用力與反作用力的原理，則有 （5.9.12）由式(5910)和式(5912)消去，得螺栓在此種約束下的絕對(duì)變形值； （5.9.13）根據(jù)螺栓單向受拉的虎克定律，不難求出螺栓的熱應(yīng)力值： （5.9.14）加上

10、螺栓保證法蘭接合面不漏汽的初應(yīng)力 (見本章第五節(jié))，法蘭螺栓的總應(yīng)力為，應(yīng)該小于其許用應(yīng)力，即 （5.9.15）由式(5914)可以看出，欲使螺栓熱應(yīng)力減小，應(yīng)該增加螺栓長度。若取，且考慮到，略去式(5. 9. 13)中的項(xiàng)，得 令,上式進(jìn)一步簡化為 (5.9.16)式中，即為法蘭與螺栓之間的溫度差。由此可見，螺栓內(nèi)的熱應(yīng)力與上述的溫差成正比。為了不使熱應(yīng)力過大，汽輪機(jī)在啟動(dòng)和變工況運(yùn)行時(shí)，必須嚴(yán)格控制法蘭和螺栓之間的溫差在規(guī)定的范圍內(nèi)，一般2045。 (四) 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力 汽輪機(jī)在啟停和變負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級(jí)段或中壓缸第一級(jí)處會(huì)產(chǎn)生很大的徑向溫度梯度，從而引起較大的熱應(yīng)力。圖59

11、5(a)為國產(chǎn)125Mw機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級(jí)區(qū)域的隔離體圖，表示出冷態(tài)啟動(dòng)90min時(shí)的溫度場，這時(shí)高壓調(diào)節(jié)級(jí)處轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面溫差最大值達(dá)到100左右。圖5. 9. 5(b)為國產(chǎn)200Mw機(jī)組中壓轉(zhuǎn)子第一級(jí)區(qū)域的隔離體圖，表示出中壓缸沖轉(zhuǎn)180min時(shí)的溫度場，這時(shí)轉(zhuǎn)于內(nèi)外表面的最大溫差達(dá)到120左右。對(duì)轉(zhuǎn)子的溫度場及應(yīng)力場計(jì)算普通采用差分祛或有限元法。下而只介紹理論計(jì)算熱應(yīng)力的方法，假設(shè)轉(zhuǎn)子為無限長的軸對(duì)稱空心圓柱體，即為平而應(yīng)變狀態(tài)；溫度分布是軸對(duì)稱的，即溫度只與半徑有關(guān)。 1轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力表達(dá)式根據(jù)上述假定，利用熱彈性廣義虎克定律和轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面徑向應(yīng)力等于零的邊界條件，經(jīng)過較復(fù)雜的推導(dǎo)，得到轉(zhuǎn)

12、子計(jì)算截面內(nèi)任一點(diǎn)的徑向、切向和軸向的熱應(yīng)力表達(dá)式(用圓柱坐標(biāo)表示)： （5.9.17）式中 計(jì)算截面體積平均溫度， 、計(jì)算截面轉(zhuǎn)子內(nèi)外半徑。如果已知計(jì)算截面溫度沿半徑的分布規(guī)律，則任意半徑處的、和不難求得。令或，代入式(5917)第1、 2式，并將對(duì)應(yīng)半徑處溫度和代入式(5917)各式，得轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面的，而切向應(yīng)力和軸向應(yīng)力相等，即 （5.9.18）應(yīng)該指出，汽輪機(jī)在啟停或負(fù)荷變化時(shí)，轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面的切向和軸向熱應(yīng)力都達(dá)到最大值，而內(nèi)外表面的徑向熱應(yīng)力為零，在任意r處，雖然徑向熱應(yīng)力不為零、但其值仍較小。冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子外表面溫度大于中心孔表面溫度，而體積平均溫度介于兩者之間，即。由式(591

13、8)可知、轉(zhuǎn)子外表面有壓縮切向和軸向熱應(yīng)力，中心孔表面有拉伸熱應(yīng)力；停機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)子外表面有拉伸熱應(yīng)力，中心孔有壓縮熱應(yīng)力，穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面溫度相等，這時(shí)各處的熱應(yīng)力都等于零?？梢姡啓C(jī)由冷態(tài)啟動(dòng)穩(wěn)定工況運(yùn)行停機(jī)過程，轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面的熱應(yīng)力由拉(或壓)到零最后變?yōu)閴?或拉)完成一個(gè)熱應(yīng)力循環(huán)，轉(zhuǎn)子在這種交變熱應(yīng)力作用下，其材料會(huì)疲勞損傷，甚至出現(xiàn)裂紋，縮短轉(zhuǎn)子使用壽命。由于一般汽輪機(jī)的運(yùn)行時(shí)間較長，由啟動(dòng)至停機(jī)的周期很長，交變熱應(yīng)力的頻率很低，故稱為低周熱疲勞。 2冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)熱應(yīng)力的變化 圖596(a)為冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面溫度和熱應(yīng)力的變化情況。若啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子外表面的壓縮熱應(yīng)力

14、超過材料的屈服極限，該處會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形。隨著啟動(dòng)過程結(jié)束轉(zhuǎn)入穩(wěn)定工況運(yùn)行，按理熱應(yīng)力逐漸減小至零，但由于塑性變形無法自行恢復(fù)，在周圍彈性區(qū)影響下出現(xiàn)殘余拉伸熱應(yīng)力，如圖中曲線7所示。在高溫條件下，該殘余應(yīng)力隨時(shí)間增加而逐漸減小，即所謂松弛現(xiàn)象。停機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)子表面有拉伸熱應(yīng)力，而中心孔表面有壓縮熱應(yīng)力。 3熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)熱應(yīng)力的變化圖596(b)為熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面溫度與熱應(yīng)力的變化情況。由于多數(shù)轉(zhuǎn)子不得不采用負(fù)向溫度匹配(主蒸汽溫度低于轉(zhuǎn)子金屑溫度)進(jìn)行熱態(tài)啟動(dòng)，所以在一次啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面熱應(yīng)力完成一個(gè)交變循環(huán)。若熱態(tài)啟動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)子表面的壓縮熱應(yīng)力超過材料屈服極限，與冷態(tài)啟動(dòng)一樣，

15、在穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)，該處也會(huì)出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力和松弛現(xiàn)象。 4變負(fù)荷時(shí)熱應(yīng)力的變化 大型汽輪機(jī)在變負(fù)荷或兩班制運(yùn)行時(shí)，24h時(shí)間內(nèi)的汽輪機(jī)負(fù)荷有較大變化圖596(c)為汽輪機(jī)負(fù)荷在30100之間變化時(shí)，轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面溫度和熱應(yīng)力的變化情況。負(fù)荷由30增至100的過程中，轉(zhuǎn)子外表面溫度高于中心孔表面溫度，即，轉(zhuǎn)子外表面有壓縮熱應(yīng)力，中心孔表面有拉伸熱應(yīng)力；在穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)，兩者熱應(yīng)力為零或出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，當(dāng)負(fù)荷由100減至30時(shí)，由于，轉(zhuǎn)子外表面有拉伸熱應(yīng)力，中心孔表面有壓縮熱應(yīng)力?？梢?，汽輪機(jī)負(fù)荷變化一個(gè)循環(huán)，轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面的熱應(yīng)力也完成一個(gè)交變應(yīng)力循環(huán)。 當(dāng)汽輪機(jī)冷態(tài)和熱態(tài)啟動(dòng)以及變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，汽缸或

16、法蘭的熱應(yīng)力也與轉(zhuǎn)子相仿作交變變化。 5等效應(yīng)力 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子除了受熱應(yīng)力作用外，還受離心應(yīng)力、自重彎曲應(yīng)力以及傳遞扭矩的切應(yīng)力等作用，后者統(tǒng)稱為機(jī)械應(yīng)力。轉(zhuǎn)子截面內(nèi)各點(diǎn)的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力各不相同，首先將不同工況下各點(diǎn)的對(duì)應(yīng)應(yīng)力進(jìn)行疊加，得到合成的徑向、切向和軸向應(yīng)力以及切應(yīng)力，分別用、和來表示，然后用強(qiáng)度理論算出各種運(yùn)行工況下轉(zhuǎn)子截面內(nèi)各點(diǎn)的等效應(yīng)力值，從中取最大等效應(yīng)力值與轉(zhuǎn)子材料的許用應(yīng)力進(jìn)行比較，就可判斷轉(zhuǎn)子是否安全，運(yùn)行工況是否合理，這里推薦用第四強(qiáng)度理論的Misses公式計(jì)算等效應(yīng)力值。對(duì)軸對(duì)稱零件有 （5.9.19）式中 ，熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力疊加后的徑向、切向和軸向應(yīng)力； 切應(yīng)力。

17、轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面的=0，又令=0，則式(5910)可以改寫成如下形式： （5.9.20） 以上分析和計(jì)算均指軸面公稱應(yīng)力面言，由于轉(zhuǎn)子某些部位，如葉輪根部、軸肩及彈性槽等部位的應(yīng)力要比軸面公稱應(yīng)力大得多，因此，求出軸面公稱應(yīng)力后。應(yīng)進(jìn)一步求得這些部位的最大應(yīng)力值，將具有最大應(yīng)力的部位作為熱應(yīng)力及熱疲勞的監(jiān)視重點(diǎn)。 為了充分利用轉(zhuǎn)子材料的性能，在規(guī)定的汽輪機(jī)服役期限內(nèi)，應(yīng)該根據(jù)機(jī)組負(fù)荷的性質(zhì)，合理地消耗汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命，使汽輪機(jī)啟停和變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力聯(lián)合作用的等效應(yīng)力接近或等于材料的許用應(yīng)力，這樣既可保證轉(zhuǎn)子安全，又可縮短啟停和變負(fù)荷時(shí)間，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。 二、汽輪機(jī)的壽命管理 1

18、汽輪機(jī)壽命 當(dāng)汽輪機(jī)零部件不再有繼續(xù)使用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和安全裕量時(shí)該零部件的壽命即告終結(jié)。機(jī)組壽命由兩部分組成，其一是無裂紋的新零件投入運(yùn)行至零件出現(xiàn)第一條宏觀裂紋(一般指裂紋深度=0.20.5m m)的工作時(shí)間，稱為無裂紋壽命;其二是由初始裂紋開始在交變熱應(yīng)力作用下逐漸擴(kuò)展至臨界裂紋的工作時(shí)間，稱為裂紋擴(kuò)展壽命，零部件的總壽命為+。由斷裂力學(xué)分析知占總壽命相當(dāng)大的部分，因此，當(dāng)零部件出現(xiàn)初始裂紋時(shí)，并不意味著已喪失工作能力或壽命終止。 當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)初始裂紋后，還可在一定控制條件下繼續(xù)運(yùn)行相當(dāng)長時(shí)間。若有條件將初始裂紋車削掉，則可延長其無裂紋時(shí)間。 在汽輪機(jī)零部件中；轉(zhuǎn)子的受載最為復(fù)雜。當(dāng)汽輪機(jī)啟停

19、及變負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)子受到交變熱應(yīng)力作用，引起材料低周疲勞損傷：在穩(wěn)定工況遠(yuǎn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子在高溫、高速下受到機(jī)械應(yīng)力作用，導(dǎo)致材料蠕變損傷。所以對(duì)汽輪機(jī)壽命損耗的估算，應(yīng)同時(shí)考慮疲勞損傷和蠕變損傷兩方面因素。 2轉(zhuǎn)子鋼材低周疲勞曲線和疲勞科損耗率 為估算汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子疲勞壽命損耗，首先應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子鋼材作低周疲勞試驗(yàn)。圖597所示為試件的交變應(yīng)變循環(huán)和應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)，圖（a）中曲線3是試驗(yàn)時(shí)有保持時(shí)間的應(yīng)變循環(huán)l的應(yīng)力循環(huán)，表示在高溫較大應(yīng)變時(shí)應(yīng)力出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，所以應(yīng)力幅值不能保持常數(shù)，而用應(yīng)變作為試驗(yàn)控制參數(shù)；圖(b)為應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)，應(yīng)變幅值可分解為彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變兩部分，即，圖中所示應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)是對(duì)應(yīng)無保持時(shí)間

20、的應(yīng)變循環(huán)作出的，總的應(yīng)變范圍。對(duì)某種轉(zhuǎn)子鋼材，在不同溫度和應(yīng)變幅值()下作低周 （0.024Hz0.5Hz）疲勞試驗(yàn)，測得一系列試件出現(xiàn)宏觀裂紋(=0.10.38mm)或穩(wěn)定載荷開始明顯下降(下降5)時(shí)的循環(huán)周次,作為試件的失效壽命。將一系列總應(yīng)變范圍與對(duì)應(yīng)的失效循環(huán)周次的點(diǎn)繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，并用曲線連接起來得到低周疲勞曲線。圖598為國內(nèi)外汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼材低周疲勞曲線實(shí)例。 利用該曲線可對(duì)汽輪機(jī)各種變工況(如冷態(tài)、熱態(tài)、變負(fù)荷及甩負(fù)荷等)運(yùn)行進(jìn)行疲勞壽命損耗估算和壽命分配。首先應(yīng)該計(jì)算汽輪機(jī)在某工況運(yùn)行時(shí)危險(xiǎn)截面的交變熱應(yīng)力和總應(yīng)變范圍，在圖縱坐標(biāo)中找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)，作平行線與曲線相交，得到橫坐標(biāo)

21、上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的，其倒效l就表示該工況下應(yīng)力 (或應(yīng)變)交變一個(gè)完整循環(huán)的疲勞壽命損耗率。如果汽輪機(jī)在整個(gè)服役期內(nèi)(一般20一30年)出現(xiàn)上述工況運(yùn)行有次，則該工況總疲勞損耗率為；同理，求出另一變工況時(shí)危險(xiǎn)截面的應(yīng)力、應(yīng)變幅和總應(yīng)變范圍，查得，若在規(guī)定期限內(nèi)這種工況有次，則該工況運(yùn)行總疲壽命損耗率為。如果已知汽輪機(jī)服役期內(nèi)各種變工況運(yùn)行對(duì)應(yīng)的失效循環(huán)周次及總次數(shù)， 那么疲勞壽命總損耗率按線性累積準(zhǔn)則(又稱Miner準(zhǔn)則)為 （5.9.21）式中1，2，3，k，是指該汽輪機(jī)在服役期內(nèi)可能的變工況運(yùn)行方式。 應(yīng)該指出；圖5，98中各低周疲勞曲線差別很大，即在同一值下，從不同曲線上查得的各自疲勞壽命次數(shù)，

22、在不同的應(yīng)變范圍內(nèi)，它們的壽命損耗率l之比是不相同的，例如，在小應(yīng)變范圍(002)時(shí)，壽命損耗率比值甚至達(dá)100倍以上；在在0.0020.01時(shí)，壽命損耗率比值為9100倍之間，在0.010.026時(shí)，壽命損耗率比值為912倍。造成上述壽命損耗率偏差的原因主要有下列幾方面： （1）疲勞壽命失效標(biāo)準(zhǔn)不同 如Timo曲線即圖中A曲線以試件達(dá)到斷裂的循環(huán)周次作為疲勞壽命(實(shí)際上這是疲勞總壽命)；而蘇聯(lián)疲勞曲線D、E定義宏觀裂紋尺寸達(dá)0.11.0 m m時(shí)為疲勞壽命失效循環(huán)周次，西安熱工研究所曲線B則以應(yīng)力松弛5的相應(yīng)循環(huán)周次作為失效壽命。由于疲勞壽命失效標(biāo)準(zhǔn)不同，各試驗(yàn)曲線自然不一樣。 (2)試驗(yàn)的

23、保持時(shí)間不同 如Timo曲線是根據(jù)不同的應(yīng)變保持時(shí)間(024h)整理而成的，蘇聯(lián)曲線D、E的保持時(shí)間為4h而B曲線為無保持時(shí)間。試驗(yàn)證明在相同的下，保持時(shí)間越長，疲勞壽命周次越短。由此可知試驗(yàn)保持時(shí)間不同得到的曲線也各不相同。 (3)試件材料不同 了Timo曲線為CrMoV轉(zhuǎn)子鋼材，蘇聯(lián)鋼材相當(dāng)國內(nèi)的27Cr2MoV鋼材，而B曲線為30Cr2Mov鋼材。由于材料不同,試驗(yàn)結(jié)果也會(huì)不同。 (4)材料的不均勻性 試驗(yàn)表明，即使相同材料在相同條件下作疲勞試驗(yàn)，各試件測得的結(jié)果亦有較大分散性，這是由于各試件材料的不均勻性所致。 由于上還原田，以致低周疲萬曲線各不相同，且有時(shí)相差很大。國內(nèi)多采用A、B、

24、E曲線。對(duì)采用不同計(jì)算方法進(jìn)行比較時(shí)，建議最好用同一條低周疲勞曲線。以便比較。 3轉(zhuǎn)子鋼材螺變壽命曲線與矮變壽命損耗率 轉(zhuǎn)子在穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)，熱應(yīng)力可以不計(jì)，但在高溫和機(jī)械應(yīng)力作用下(如高中壓轉(zhuǎn)子第一級(jí)區(qū)域)，材料會(huì)發(fā)生蠕變損傷，即塑性應(yīng)變值隨時(shí)間增加而增大。 一般把蠕變第一、二期(即蠕變速度減速和等速階段)時(shí)間之和定義為蠕變壽命。試驗(yàn)表明，隨著溫度和應(yīng)力不同，其蠕變壽命亦不等。若溫度一定蠕變壽命隨應(yīng)力增加而縮短，反之。應(yīng)力一定，蠕變壽命隨溫度升高而減小。圖599為C rMoV轉(zhuǎn)子鋼材的蠕變壽命曲線，根據(jù)應(yīng)力和工作溫度便可從圖中查得蠕變壽命。 若汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在某一穩(wěn)定工況(即應(yīng)力和溫度一定)下的蠕變壽命為。其倒數(shù)就表示在該工況下運(yùn)行單位小時(shí)的蠕變壽命損耗率。若在汽輪機(jī)服役期內(nèi)該穩(wěn)定工況共運(yùn) h，則該工況下蠕變壽命的總損耗率為；若在不同溫度和應(yīng)力下有g(shù)個(gè)穩(wěn)定工況，則汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在服役期內(nèi)的總?cè)渥儔勖鼡p耗率按線性累積準(zhǔn)則(又稱Robinson準(zhǔn)則)為 （5.9.22）式中，j=1,2,3,g表示該汽輪機(jī)在服設(shè)期內(nèi)可能的穩(wěn)定工況種類。 4轉(zhuǎn)子疲勞-蠕變壽命損耗累積準(zhǔn)則(又稱Miner Robinson準(zhǔn)則)汽輪機(jī)在服役期內(nèi)既有各種不同的變工況又有各種穩(wěn)定工況。前者引起轉(zhuǎn)子疲勞壽命損耗，后者引起蠕變壽命損耗。如果不考慮兩種損傷性質(zhì)的區(qū)別以及疲勞和