艦用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子始裂壽命研究

江能軍（海裝裝備采購中心，北京 100071）

艦用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子始裂壽命研究

江能軍
（海裝裝備采購中心，北京 100071）

對轉(zhuǎn)子裂紋形成壽命（始裂壽命）進(jìn)行研究，為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)提供支撐，比較已建立的轉(zhuǎn)子始裂壽命估算模型。在此基礎(chǔ)上以某型艦用轉(zhuǎn)子材料 34CrNiMo 鋼為實(shí)例，采用間接評價(jià)法進(jìn)行計(jì)算并作出轉(zhuǎn)子的表面均不會有裂紋萌生可能的分析，證明某型艦用轉(zhuǎn)子材料選用合理。

艦用汽輪機(jī)；轉(zhuǎn)子；始裂壽命

0　引 言

轉(zhuǎn)子是艦用汽輪機(jī)組的主要部件之一。由于機(jī)組啟停頻繁及負(fù)荷升降的變化，轉(zhuǎn)子長期在高溫下工作并承受較大交變應(yīng)力，結(jié)果導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生脆化、疲勞和蠕變損傷。因而轉(zhuǎn)子壽命是整個(gè)機(jī)組壽命的重要部分，對它的定壽對于保證汽輪機(jī)組安全運(yùn)行具有重要意義。

轉(zhuǎn)子的壽命可分為裂紋形成壽命（始裂壽命）和裂紋擴(kuò)展壽命（擴(kuò)展壽命）2 部分。從國內(nèi)外現(xiàn)有資料來看，對轉(zhuǎn)子的壽命預(yù)測可以概括為間接評價(jià)法（解析法）和直接評價(jià)法，主要研究的部位是溫度較高的轉(zhuǎn)子近汽部位和應(yīng)力較高的軸孔表面或應(yīng)力集中區(qū)。

間接評價(jià)法是數(shù)值計(jì)算方法（有限元、邊界元）或近似解析公式，計(jì)算轉(zhuǎn)子的溫度和應(yīng)力分布，然后根據(jù)溫度、應(yīng)力以及應(yīng)變范圍，分別用蠕變斷裂溫度和疲勞曲線求得蠕變損傷和疲勞損傷。這種方法是目前評價(jià)轉(zhuǎn)子壽命的有效方法。

本文采用間接評價(jià)法來研究轉(zhuǎn)子的始裂壽命。結(jié)合某型艦用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行實(shí)例計(jì)算并分析。

1　裂紋形成壽命預(yù)測

裂紋形成壽命（安全壽命法）可由基于溫度和壓力的蠕變損傷和疲勞損傷的結(jié)果來預(yù)測。轉(zhuǎn)子的壽命損耗率用線性累積損傷理論確定（由蠕變損傷和疲勞損傷的線性疊加，低于蠕變溫度以下工作的轉(zhuǎn)子，可以不考慮蠕變影響），當(dāng)其累積損傷到達(dá)小于 1的某一極限值時(shí)即表示轉(zhuǎn)子產(chǎn)生裂紋。對于蠕變損傷壽命預(yù)測，應(yīng)具備蠕變斷裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)和蠕變斷裂強(qiáng)度實(shí)際數(shù)據(jù)。低周疲勞損傷壽命，可由局部應(yīng)力應(yīng)變法和曲線估算。

間接評價(jià)法評估轉(zhuǎn)子壽命的準(zhǔn)確性受到許多因素的影響，如載荷譜的真實(shí)性、材料性能的代表性、壽命計(jì)算公式及疲勞累積損傷理論的科學(xué)性等。應(yīng)用機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性理論研究在國外發(fā)展較快［1］，一般大型發(fā)電設(shè)備中都提出了可靠性指標(biāo)。國內(nèi)汽輪機(jī)行業(yè)也開展了這方面的工作。

2　轉(zhuǎn)子材料疲勞裂紋起始壽命估算方法

2.1始裂壽命公式

文獻(xiàn)［2-3］給出了根據(jù)拉伸性能和疲勞極限估算金屬材料疲勞裂紋起始壽命的公式和方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，疲勞裂紋起始壽命公式以及估算方法有效。

始裂壽命公式 Ni為：

式（1）經(jīng)對數(shù)變換后得：

式（2）是較為完善的始裂壽命表達(dá)式，它揭示了始裂壽命與拉伸性能，循環(huán)加載條件以及始裂門檻值間的關(guān)系，因而有可能根據(jù)拉伸性能及疲勞極限的數(shù)據(jù)，預(yù)測金屬材料的始裂壽命，并根據(jù)拉伸性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷材料的裂紋起始抗力。

2）斷裂強(qiáng)度（Sf）

首先估算出平均斷裂力

式中 Sb為抗拉強(qiáng)度。

再按 bridgeman 公式進(jìn)行頸縮修正，求得 ：

3）應(yīng)變硬化指數(shù)（n）

式中 S0.2為屈服強(qiáng)度。

式中：S-1為應(yīng)力比為 R=-1 時(shí)的疲勞極限，可由材料性能手冊查出。

將上述 4 項(xiàng)參數(shù)值代入式（1）即可得材料始裂壽命方程式。

2.2蘭格（Langer）關(guān)系

式中：Sg為當(dāng)量彈性應(yīng)力，MPa；E為彈性模量，MPa；N為出現(xiàn)裂紋的往復(fù)次數(shù)；S-1為疲勞極限；Kth為熱應(yīng)力集中系數(shù)；Sth為軸面熱應(yīng)力，MPa；St為離心力引起的切向應(yīng)力。

只要材料的斷面收縮率和疲勞極限取值合理，可按蘭格關(guān)系估算工程上汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子疲勞壽命。但須注意，Langer 關(guān)系式有一個(gè)特定的適應(yīng)范圍，即只限于蠕變溫度以下。

3　裂紋起始壽命估算實(shí)例及分析

某型艦用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子采用 34CrNiMo 鋼，本節(jié)采用第2節(jié)所述 2 種方法對其進(jìn)行始裂壽命估算并作出相應(yīng)分析。

由某型艦用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料的拉伸性能參數(shù)，估算到的始裂壽命公式中各參數(shù)值列于表1。

表1　34CrNiMo 材料裂紋起始壽命公式中參數(shù)估算結(jié)果

由此，34CrNi3Mo 始裂壽命可表示為：

由 Langer 關(guān)系通過計(jì)算可得 34CrNi3Mo 材料關(guān)系為：

只要求得轉(zhuǎn)子表面應(yīng)力集中區(qū)的當(dāng)量應(yīng)力，由式（9）和式（10）就可估算相應(yīng)的疲勞壽命。文獻(xiàn)［4］已對某型艦用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子表面關(guān)鍵部位的最大等效應(yīng)力作了詳細(xì)計(jì)算，當(dāng)量應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　ΔSeqv，Sg值

4　結(jié) 語

通過以上計(jì)算分析，可得到如下結(jié)論：轉(zhuǎn)子材料34 CrNi3Mo的起始裂紋門檻值疲勞極限因此無論是用公式（9），還是用較保守的蘭格公式（10），轉(zhuǎn)子的表面均不會有裂紋萌生的可能，其當(dāng)量應(yīng)力均小于疲勞極限和始裂門檻值。

［1］孫惠琴.汽輪機(jī)可靠性分析報(bào)告［R］.北京：可靠性振興目標(biāo)研究課題組，1988.

［2］鄭修麟.金屬疲勞裂紋起始壽命的估算［J］.機(jī)械強(qiáng)度，1986（4）：18-22.

［3］姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2003.

［4］楊自春.某型艦主動力裝置及其關(guān)鍵零部件剩余壽命預(yù)測技術(shù)研究［D］.武漢：海軍工程大學(xué)，2005.

Research on life of crack-beginning of warship steam turbine rotor

JIANG Neng-jun
（Equipment Procurement Center of Naval Equipment Ministry，Beijing 100071，China）

The crack life of rotor（crack-beginning）is studied in this paper supporting the design of turbine rotor.The estimation model of crack initiation life of totor is lucubrated and compared，based on which a certaip type of warship rotor material 34CrNiMo steel is calculated with indirect evaluation method and concludes that no crack will engender in the surface of rotor，which proves that the choice of the certain type of warship rotor material is reasonable.

warship steam turbine rotor；turbine rotor；crack-beginning

TK 263

A

1672-7619（2016）07-0068-03

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.015

2015-12-01；

2016-01-15

江能軍（1977-），男，工程師，從事裝備采購工作。