汽轮机转子在低周与高周疲劳作用下寿命设计与监控方法

技术领域

本发明涉及汽轮机技术领域，特别是涉及一种汽轮机转子在低周与高周疲劳作用下寿命设计与监控方法。

背景技术

在汽轮机的起动与停机的瞬态工况，由于力载荷和热载荷引起的低周疲劳作用，导致汽轮机转子外表面发生裂纹萌生与裂纹扩展。在汽轮机带负荷稳定运行过程中，由于重力载荷引起的高周疲劳作用，导致汽轮机转子外表面发生裂纹萌生与裂纹扩展。因此，在汽轮机的运行过程中，起动与负荷变动的瞬态工况和带负荷稳定运行工况交替出现，汽轮机转子交替发生低周疲劳与高周疲劳损伤，发生裂纹萌生与裂纹扩展。然而，目前在汽轮机的设计阶段与使用阶段，汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的设计与监控，还没有合适的方法可供使用。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种汽轮机转子在低周与高周疲劳作用下寿命设计与监控方法，在汽轮机的设计阶段来监控汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下的总寿命、以及在汽轮机的使用阶段来监控汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下的剩余寿命。

为实现上述目的，本发明提供一种汽轮机转子在低周与高周疲劳作用下寿命设计与监控方法，包括以下步骤：

S1、获取汽轮机的运行参数、汽轮机转子的性能参数、裂纹尺寸参数、总寿命判据值τ

S2、在汽轮机的设计阶段，根据汽轮机的运行参数、汽轮机转子的性能参数、以及裂纹尺寸参数计算汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下的理论总寿命τ

当理论总寿命τ

当理论总寿命τ

S3、在汽轮机的使用阶段，根据汽轮机的运行参数、汽轮机转子的性能参数、以及裂纹尺寸参数计算汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下的理论剩余寿命τ

当理论剩余寿命τ

当理论剩余寿命τ

进一步地，所述汽轮机的运行参数包括年均冷态起动次数y

进一步地，所述汽轮机转子的性能参数包括转子材料力学性能参数、汽轮机第i种工况下的转子低周疲劳应变幅ε

进一步地，所述转子材料力学性能参数包括材料弹性模量E、材料疲劳强度系数σ

进一步地，所述汽轮机第i种工况下的转子低周疲劳应变幅ε

进一步地，所述汽轮机第i种工况下的最大应力σ

进一步地，所述步骤S3中，所述理论剩余寿命τ

进一步地，所述理论总寿命τ

A1、计算汽轮机转子年均高周疲劳次数y

A2、计算汽轮机第i种工况下的汽轮机转子低周疲劳裂纹萌生寿命N

N

A3、计算汽轮机转子高周疲劳裂纹萌生寿命N

A4、计算汽轮机转子高周疲劳裂纹扩展的裂纹尺寸界限值a

其中，M为与裂纹形状参数Q有关的常数，

a、c

A5、计算汽轮机转子高周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸a

A6、计算汽轮机转子低周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸a

A7、当椭圆形裂纹短轴半径a不大于裂纹尺寸界限值a

其中，a

第一阶段低周疲劳裂纹扩展寿命N

A8、当椭圆形裂纹短轴半径a大于裂纹尺寸界限值a

第二阶段低周疲劳裂纹扩展寿命N

A9、计算汽轮机转子的高周疲劳裂纹扩展寿命N

A10、计算汽轮机转子的年均低周疲劳与高周疲劳裂纹萌生寿命损耗e

A11、计算汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生日历寿命τ

A12、计算汽轮机转子第一阶段年均疲劳裂纹扩展寿命损耗e

A13、计算汽轮机转子第一阶段疲劳裂纹扩展日历寿命τ

A14、计算汽轮机转子第二阶段年均疲劳裂纹扩展寿命损耗e

A15、计算汽轮机转子第二阶段疲劳裂纹扩展日历寿命τ

A16、所述理论总寿命τ

如上所述，本发明涉及的汽轮机转子在低周与高周疲劳作用下寿命设计与监控方法，具有以下有益效果：

本申请在汽轮机的设计阶段来监控汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下的总寿命、以及在汽轮机的使用阶段来监控汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下的剩余寿命，并通过优化汽轮机转子的性能参数或汽轮机的运行参数来保证汽轮机转子的总寿命或剩余寿命合格，最终保证汽轮机转子的安全服役。

附图说明

图1为本申请中汽轮机转子在低周与高周疲劳作用下寿命设计与监控系统的结构框图。

图2为本申请中汽轮机转子在低周与高周疲劳作用下寿命设计与监控方法的流程图。

图3为本申请中计算服务器的计算流程框图。

图4为汽轮机转子的结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本申请提供一种汽轮机转子在低周与高周疲劳作用下寿命设计与监控方法，使用汽轮机转子在低周与高周疲劳作用下寿命设计与监控系统进行。如图1所示，汽轮机转子在低周与高周疲劳作用下寿命设计与监控系统包括数据库服务器1、计算服务器2、网页服务器3和用户端浏览器4，数据库服务器1和计算服务器2相连，数据库服务器1和网页服务器3相连，计算服务器2和网页服务器3相连，网页服务器3和用户端浏览器4相连。本申请涉及的汽轮机转子在低周与高周疲劳作用下寿命设计与监控方法可以采用C语言编写成计算机软件、运行在计算服务器2上，用于监控汽轮机设计阶段的汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下的理论总寿命τ

进一步地，如图2和图3所示，本发明提供一种汽轮机转子在低周与高周疲劳作用下寿命设计与监控方法，包括以下步骤：

步骤S1、获取汽轮机的运行参数、汽轮机转子的性能参数、裂纹尺寸参数、总寿命判据值τ

步骤S2、在汽轮机的设计阶段，计算服务器2根据从数据库服务器1中调用的汽轮机的运行参数、汽轮机转子的性能参数、以及裂纹尺寸参数计算汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下的理论总寿命τ

当理论总寿命τ

当理论总寿命τ

步骤S3、在汽轮机的使用阶段，计算服务器2根据从数据库服务器1中调用的汽轮机的运行参数、汽轮机转子的性能参数、以及裂纹尺寸参数计算汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下的理论剩余寿命τ

当理论剩余寿命τ

当理论剩余寿命τ

因此，本申请在汽轮机的设计阶段来监控汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下的总寿命、以及在汽轮机的使用阶段来监控汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下的剩余寿命，并通过优化汽轮机转子的性能参数或汽轮机的运行参数来保证汽轮机转子的总寿命或剩余寿命合格，最终保证汽轮机转子的安全服役。

下述提供汽轮机转子在低周与高周疲劳作用下寿命设计与监控方法的优选实施例，如图2和图3所示，其具体包括以下步骤：

第一步、将年均冷态起动次数y

第二步、将转子材料力学性能参数输入数据库服务器1中，转子材料力学性能参数包括材料弹性模量E、材料疲劳强度系数σ

第三步、将汽轮机第i种工况下的转子低周疲劳应变幅ε

第四步、计算汽轮机转子年均高周疲劳次数y

上述式(1)中，t

第五步、计算汽轮机第i种工况下的汽轮机转子低周疲劳裂纹萌生寿命N

上述式(2)中，ε

第六步、计算汽轮机转子高周疲劳裂纹萌生寿命N

上述式(3)中，ε

第七步、计算汽轮机转子高周疲劳裂纹扩展的裂纹尺寸界限值a

上述式(4)中，

第八步、计算汽轮机转子高周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸a

上述式(5)中，σ

第九步、计算汽轮机转子低周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸a

上述式(6)中，

第十步、计算汽轮机转子的第一阶段低周疲劳裂纹扩展寿命N

在汽轮机转子的椭圆形裂纹短轴半径a不大于裂纹尺寸界限值a

上述式(7)中，a

第十一步、计算汽轮机转子的第二阶段低周疲劳裂纹扩展寿命N

在汽轮机转子的椭圆形裂纹短轴半径a大于裂纹尺寸界限值a

上述式(8)中，a

第十二步、计算汽轮机转子的高周疲劳裂纹扩展寿命N

在汽轮机转子的椭圆形裂纹短轴半径a大于裂纹尺寸界限值a

上述式(9)中，a

第十三步、计算汽轮机转子的年均低周疲劳与高周疲劳裂纹萌生寿命损耗e

上述式(10)中，y为汽轮机年均冷态起动次数；y

第十四步、计算汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生日历寿命τ

上述式(11)中，e

第十五步、计算汽轮机转子第一阶段年均疲劳裂纹扩展寿命损耗e

上述式(12)中，y

第十六步、计算汽轮机转子第一阶段疲劳裂纹扩展日历寿命τ

上述式(13)中，e

第十七步、计算汽轮机转子第二阶段年均疲劳裂纹扩展寿命损耗e

上述式(14)中，y

第十八步、计算汽轮机转子第二阶段疲劳裂纹扩展日历寿命τ

上述式(15)中，e

第十九步、理论总寿命τ

τ

上述式(16)中，τ

第二十步、确定汽轮机转子裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的判据值τ

根据电站业主要求，确定汽轮机转子裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的判据值τ

第二十一步、确定汽轮机转子裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的监控类型：

在汽轮机的设计研制阶段和使用阶段，按照以下情况确定汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的监控类型：

(1)在汽轮机的设计阶段，开展汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的设计监控，则进入下述第二十二步；

(2)在汽轮机的使用阶段，开展汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展剩余寿命的运行监控，则进入下述第二十三步。

第二十二步、在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命设计监控：

在汽轮机的设计阶段，应用汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的监控系统，对于汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命进行优化设计控制：

(1)若τ

(2)若τ

第二十三步、计算汽轮机的运行寿命τ：

统计转子从汽轮机首次并网投入运行日至裂纹扩展剩余日历寿命评定日之间的日历年数称为运行寿命τ。

第二十四步、计算汽轮机转子剩余寿命τ

τ

第二十五步：低周疲劳与高周疲劳作用下剩余寿命的运行监控：

在汽轮机转子的使用阶段，应用汽轮机转子低周疲劳与高周疲劳裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的监控系统，对于汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下剩余寿命进行优化运行控制：

(1)若τ

(2)若τ

第二十六步、打印输出结果

根据需要打印输出汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的设计与监控结果以及优化控制措施。因此，还需要配置打印机，打印机与计算服务器2相连。

综上所述，本发明提供了汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的监控方法与系统，实现了汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的定量评定、设计监控和运行监控。在设计阶段，如果汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的设计监控不合格，通过采用转子结构改进措施，使汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命处于受控状态，达到了使用汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的监控方法和系统来监控汽轮机转子裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的技术效果。在使用阶段，如果转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下剩余寿命的运行监控不合格，通过减少汽轮机的年均正常停机次数，使汽轮机转子低周疲劳与高周疲劳作用下剩余寿命处于受控状态，达到了使用汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的监控方法和系统来控制汽轮机转子剩余寿命的技术效果。

下述提供本发明涉及的汽轮机转子在低周与高周疲劳作用下寿命设计与监控方法的两个优选应用实施例。

应用实施例一、

某型号1100MW半速核电汽轮机，焊接低压转子的结构如图4所示，该焊接低压转子的寿命薄弱部位是转子外表面的部位B。在该汽轮机的设计阶段，应用本发明涉及的汽轮机转子在低周与高周疲劳作用下寿命设计与监控方法对该汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命进行监控。电站业主要求该汽轮机内缸在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的判据值τ

第一步、将表1-1中的汽轮机的运行参数输入数据库服务器1中。

表1-1汽轮机的运行参数

第二步、将表1-2中汽轮机转子的材料力学性能参数输入数据库服务器1中。

表1-2汽轮机转子的材料力学性能参数

第三步、将表1-3中汽轮机第i种工况下的转子低周疲劳应变幅ε

表1-3汽轮机第i种工况下的转子低周疲劳应变幅ε

第四步、计算汽轮机转子年均高周疲劳次数y

第五步、计算汽轮机第i种工况下的汽轮机转子低周疲劳裂纹萌生寿命N

表1-4汽轮机第i种工况下的汽轮机转子低周疲劳裂纹萌生寿命N

第六步、根据

第七步、计算汽轮机转子高周疲劳裂纹扩展的裂纹尺寸界限值a

第八步、计算汽轮机转子高周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸a

第九步、计算汽轮机转子低周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸a

第十步、计算汽轮机转子的第一阶段低周疲劳裂纹扩展寿命N

第十一步、计算汽轮机转子的第二阶段低周疲劳裂纹扩展寿命N

第九步至第十一步的计算结果见下表1-5所示：

表1-5

第十二步、计算汽轮机转子的高周疲劳裂纹扩展寿命N

第十三步、计算汽轮机转子的年均低周疲劳与高周疲劳裂纹萌生寿命损耗e

第十四步、计算汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生日历寿命τ

第十五步、计算汽轮机转子第一阶段年均疲劳裂纹扩展寿命损耗e

第十六步、计算汽轮机转子第一阶段疲劳裂纹扩展日历寿命τ

第十七步、计算汽轮机转子第二阶段年均疲劳裂纹扩展寿命损耗e

第十八步、计算汽轮机转子第二阶段疲劳裂纹扩展日历寿命τ

第十九步、理论总寿命τ

τ

第十三步至第十九步的计算结果见下表1-6所示：

表1-6

第二十步、确定汽轮机转子裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的判据值τ

该1100MW核电汽轮机τ

第二十一步、确定汽轮机转子裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的监控类型：

(1)该实施例1开展汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的设计监控，故进入下述第二十二步；

(2)该实施例1不开展汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展剩余寿命的运行监控，故不进入下述第二十三步。

第二十二步、在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命设计监控：

由于τ

表1-7

第二十六步、打印输出结果

根据需要打印输出汽轮机焊接低压转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命监控的设计与监控结果以及优化控制措施。

使用发明提供的汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的监控方法与系统，实现了该1100MW汽轮机焊接低压转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的定量评定和设计监控。在设计阶段，原设计方案汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的设计监控不合格，通过采用增大转子表面的结构圆角半径的结构改进措施，使该汽轮机焊接低压转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命超过60年，达到了使用汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的监控方法和系统来监控该汽轮机焊接低压转子裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的技术效果。

应用实施例二、

某型号1100MW半速核电汽轮机，焊接低压转子的结构如图4所示，该焊接低压转子的寿命薄弱部位是转子外表面的部位B。在该汽轮机的使用阶段，应用本发明涉及的汽轮机转子在低周与高周疲劳作用下寿命设计与监控方法对该汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展剩余寿命监控。电站业主要求该汽轮机内缸在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的判据值τ

第一步、将表2-1中的汽轮机的运行参数输入数据库服务器1中。

表2-1汽轮机的运行参数

第二步、将表2-2中汽轮机转子的材料力学性能参数输入数据库服务器1中。

表2-2汽轮机转子的材料力学性能参数

第三步、将表2-3中汽轮机第i种工况下的转子低周疲劳应变幅ε

表2-3汽轮机第i种工况下的转子低周疲劳应变幅ε

第四步、计算汽轮机转子年均高周疲劳次数y

第五步、计算汽轮机第i种工况下的汽轮机转子低周疲劳裂纹萌生寿命N

表2-4汽轮机第i种工况下的汽轮机转子低周疲劳裂纹萌生寿命N

第六步、根据

第七步、计算汽轮机转子高周疲劳裂纹扩展的裂纹尺寸界限值a

第八步、计算汽轮机转子高周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸a

第九步、计算汽轮机转子低周疲劳裂纹扩展的临界裂纹尺寸a

第十步、计算汽轮机转子的第一阶段低周疲劳裂纹扩展寿命N

第十一步、计算汽轮机转子的第二阶段低周疲劳裂纹扩展寿命N

第九步至第十一步的计算结果见下表2-5所示：

表2-5

第十二步、计算汽轮机转子的高周疲劳裂纹扩展寿命N

第十三步、计算汽轮机转子的年均低周疲劳与高周疲劳裂纹萌生寿命损耗e

第十四步、计算汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生日历寿命τ

第十五步、计算汽轮机转子第一阶段年均疲劳裂纹扩展寿命损耗e

第十六步、计算汽轮机转子第一阶段疲劳裂纹扩展日历寿命τ

第十七步、计算汽轮机转子第二阶段年均疲劳裂纹扩展寿命损耗e

第十八步、计算汽轮机转子第二阶段疲劳裂纹扩展日历寿命τ

第十九步、理论总寿命τ

τ

第十三步至第十九步的计算结果见下表2-6所示：

表2-6

第二十步、确定汽轮机转子裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的判据值τ

该1100MW核电汽轮机τ

第二十一步、确定汽轮机转子裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的监控类型：

(1)该实施例2不开展汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的设计监控，故不进入下述第二十二步；

(2)该实施例2开展汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展剩余寿命的运行监控，故进入下述第二十三步。

第二十三步、计算汽轮机的运行寿命τ：

统计该焊接低压转子从该1100MW汽轮机首次并网投入运行日至裂纹扩展剩余日历寿命评定日之间的日历年数称为运行寿命τ，对于该汽轮机的低压焊接转子τ＝5年。

第二十四步、计算汽轮机转子剩余寿命τ

τ

第二十五步：低周疲劳与高周疲劳作用下剩余寿命的运行监控：

由于原方案τ

表2-7

第二十六步、打印输出结果

根据需要打印输出汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展剩余寿命的运行监控结果以及优化控制措施。

使用发明提供的汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的监控方法与系统，实现了该1100MW汽轮机焊接低压转子在低周疲劳与高周疲劳作用下裂纹萌生与裂纹扩展总寿命的定量评定和剩余寿命监控。在使用阶段，原方案汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹萌生与裂纹扩展剩余寿命的运行监控不合格，通过对汽轮机的年均正常停机次数进行优化改进，该汽轮机年均正常停机次数由原方案的y

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。