束國(guó)剛， 陳 堅(jiān)， 張曉毅， 范 瑋， 宋志強(qiáng)， 魏澤明， 吳 宏

(中國(guó)聯(lián)合重型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)有限公司， 北京 100016)

符號(hào)說(shuō)明：

σa——應(yīng)力，MPa

T——溫度，℃

N——應(yīng)力梯度下的低周疲勞壽命

?σ——應(yīng)力梯度，MPa

N0——不考慮應(yīng)力梯度的低周疲勞壽命

燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)完整性主要指在設(shè)計(jì)要求的使用期限內(nèi)，燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度(變形)、振動(dòng)、疲勞、蠕變、氧化/腐蝕、裂紋擴(kuò)展和熱障涂層失效等滿足燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)壽命要求，在保證燃?xì)廨啓C(jī)功能和性能的前提下確保結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。重型燃?xì)廨啓C(jī)尺寸大、檢修間隔時(shí)間長(zhǎng)，在研發(fā)及驗(yàn)證階段涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、材料、固體力學(xué)和振動(dòng)等多學(xué)科，各部件之間存在復(fù)雜的多學(xué)科耦合，結(jié)構(gòu)完整性分析與驗(yàn)證作為重型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中的重要組成部分，直接關(guān)系到重型燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的可靠性、安全性以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于重型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)及后期維護(hù)等尖端技術(shù)，德國(guó)西門子、美國(guó)通用電氣和日本三菱等少數(shù)公司有深入研究，目前以中國(guó)聯(lián)合重型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱中國(guó)重燃)為代表，國(guó)內(nèi)正在逐步形成重型燃?xì)廨啓C(jī)材料研發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)體系。

為設(shè)計(jì)制造出符合市場(chǎng)需求的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品，需要借鑒和對(duì)標(biāo)國(guó)際主流燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)制造商的研發(fā)體系，形成自主研發(fā)的設(shè)計(jì)流程和方法，構(gòu)建燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)完整性分析和驗(yàn)證的體系。筆者首先簡(jiǎn)要介紹了燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)及結(jié)構(gòu)完整性分析的基本流程，闡述了燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)的主要失效模式與損傷機(jī)理；對(duì)標(biāo)國(guó)際主流燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)制造商，系統(tǒng)性地介紹了燃?xì)廨啓C(jī)主要部件結(jié)構(gòu)完整性分析的內(nèi)容和任務(wù)、燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)完整性分析的試驗(yàn)驗(yàn)證方法，分析了某商業(yè)機(jī)組事故原因，論證了燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)完整性分析在確保燃?xì)廨啓C(jī)可靠性和安全性方面的關(guān)鍵作用。

1 結(jié)構(gòu)完整性分析流程

重型燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)需要結(jié)合市場(chǎng)需求，并且需要具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，首先，開(kāi)展市場(chǎng)需求分析，掌握重型燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行壽命、運(yùn)行環(huán)境及產(chǎn)品特點(diǎn)，評(píng)估不同重型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，估算運(yùn)營(yíng)成本等。其次，根據(jù)市場(chǎng)需求分析結(jié)果，制定新設(shè)計(jì)重型燃?xì)廨啓C(jī)的整機(jī)規(guī)范，并逐級(jí)分解為部件規(guī)范和零件規(guī)范，明確其運(yùn)行條件、性能參數(shù)、商業(yè)策略、檢修間隔、成本控制要求及部件壽命設(shè)計(jì)要求等。由于重型燃?xì)廨啓C(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的運(yùn)行模型和運(yùn)行環(huán)境不同，因此需要依據(jù)零部件的損傷機(jī)理，將復(fù)雜多變的實(shí)際運(yùn)行工況簡(jiǎn)化為具有代表性的設(shè)計(jì)點(diǎn)工況和非設(shè)計(jì)點(diǎn)工況。最后，開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、二次空氣系統(tǒng)分析、傳熱分析和結(jié)構(gòu)完整性分析等工作，對(duì)零部件進(jìn)行壽命評(píng)估，通過(guò)迭代設(shè)計(jì)使得零部件滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及功能和壽命要求。研發(fā)流程如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品研發(fā)和壽命評(píng)估流程

完成重型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造后，首先需要在試驗(yàn)電站上對(duì)試驗(yàn)機(jī)組開(kāi)展性能測(cè)試和可靠性初步驗(yàn)證，然后在商業(yè)運(yùn)行中對(duì)所設(shè)計(jì)的重型燃?xì)廨啓C(jī)可靠性和壽命進(jìn)行最終驗(yàn)證。

2 零部件的失效模式與損傷機(jī)理

2.1 主要失效模式

為了確保燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)完整性滿足部件設(shè)計(jì)壽命要求和安全運(yùn)行，根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)部件的失效模式，壽命設(shè)計(jì)要求必須轉(zhuǎn)化為與失效模式及損傷機(jī)理相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

燃?xì)廨啓C(jī)的主要失效模式包括：(1) 零部件在局部高應(yīng)力下發(fā)生脆性斷裂；(2) 高溫高應(yīng)力下的蠕變變形和蠕變斷裂；(3) 循環(huán)載荷下發(fā)生的高周疲勞(HCF)、低周疲勞及疲勞斷裂；(4) 局部接觸面的磨損與微動(dòng)疲勞斷裂；(5) 高溫下的金屬氧化與腐蝕；(6) 由于熱端部件的熱障涂層脫落而導(dǎo)致的局部過(guò)熱等。

在重型燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際運(yùn)行中許多故障是由于設(shè)計(jì)不當(dāng)或多種因素綜合作用下而導(dǎo)致的意外失效，這種失效形式不包括在正常的結(jié)構(gòu)完整性分析流程中。

2.2 低周疲勞

低周疲勞和熱-機(jī)械疲勞是燃?xì)廨啓C(jī)的主要損傷機(jī)理之一，決定了整機(jī)或部件的起停次數(shù)。

疲勞載荷主要由熱應(yīng)力或應(yīng)變以及機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變組成。對(duì)于靜子部件，氣體壓力引起的應(yīng)力為主要機(jī)械應(yīng)力，但通常遠(yuǎn)低于由溫度梯度引起的熱應(yīng)力；對(duì)于旋轉(zhuǎn)部件，由離心力引起的機(jī)械應(yīng)力是疲勞載荷的重要部分。

若使用熱-機(jī)械疲勞數(shù)據(jù)評(píng)估一個(gè)零部件熱-機(jī)械疲勞壽命，需要根據(jù)最高與最低循環(huán)溫度以及溫度與應(yīng)變之間的相位關(guān)系盡可能地模擬零部件的疲勞狀態(tài)，還需要大量的材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真計(jì)算。因此，燃?xì)廨啓C(jī)的熱-機(jī)械疲勞壽命評(píng)估通常采用等溫低周疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行，也就是將變溫的熱-機(jī)械疲勞等效為一個(gè)等溫的低周疲勞。不同的燃?xì)廨啓C(jī)制造商對(duì)等溫低周疲勞所用的參考溫度(等效損傷溫度)有不同的定義，甚至對(duì)于同一型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)不同部件的參考溫度也會(huì)根據(jù)材料數(shù)據(jù)的置信度、部件在運(yùn)行中的溫度變化范圍以及熱載荷與機(jī)械載荷變化特征采用不同的定義，以兼顧結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性。需要強(qiáng)調(diào)的是，低周疲勞分析時(shí)使用等效損傷溫度代替零部件的瞬態(tài)溫度是疲勞壽命評(píng)估存在偏差的主要因素之一。

低周疲勞分析主要是針對(duì)疲勞裂紋萌生階段，包含以下3個(gè)分析步驟：

(1) 溫度場(chǎng)的計(jì)算。對(duì)于轉(zhuǎn)子或厚壁結(jié)構(gòu)，瞬態(tài)起動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中的溫度梯度和應(yīng)力較大，需要計(jì)算起動(dòng)、穩(wěn)態(tài)和停機(jī)過(guò)程中的瞬態(tài)溫度場(chǎng)。對(duì)于熱慣性較小的部件，如空心葉片、靜葉或燃燒室火焰筒，計(jì)算穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)即可。

(2) 考慮溫度載荷和機(jī)械載荷，進(jìn)行應(yīng)力與應(yīng)變計(jì)算。

(3) 確定整個(gè)加載周期內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變幅以及等效損傷溫度，并與低周疲勞數(shù)據(jù)或者熱-機(jī)械疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算疲勞裂紋萌生時(shí)的低周疲勞次數(shù)，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展斷裂力學(xué)分析。

2.3 疲勞斷裂

為了開(kāi)展損傷容限設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行斷裂力學(xué)分析。斷裂力學(xué)分析主要是為了評(píng)估零部件在循環(huán)載荷下的最大許用裂紋長(zhǎng)度(即臨界裂紋尺寸)，從而保證部件的安全運(yùn)行；也可以評(píng)估出達(dá)到最大允許裂紋尺寸時(shí)，裂紋擴(kuò)展可達(dá)到的循環(huán)次數(shù)，并且可以確定部件安全檢查間隔時(shí)間。

工程設(shè)計(jì)中，疲勞斷裂分析一般采用一維的線彈性斷裂力學(xué)分析方法，必要時(shí)則需要進(jìn)一步采用三維斷裂力學(xué)分析方法。需要注意的是，一維線彈性斷裂力學(xué)計(jì)算精準(zhǔn)度遠(yuǎn)低于低周疲勞壽命分析精準(zhǔn)度；為獲得準(zhǔn)確的疲勞斷裂壽命，則需要采用三維斷裂力學(xué)分析方法，但此時(shí)需要大量的有限元建模和耗時(shí)的計(jì)算工作。

2.4 高周疲勞

高周疲勞壽命分析一般使用海格(Haigh)圖或古德曼(Goodman)圖進(jìn)行分析。以海格圖為例，其中持久極限與溫度相關(guān)：在低溫時(shí)，持久極限與時(shí)間無(wú)關(guān)，一般取材料的疲勞極限(>107循環(huán)次數(shù))；在高溫時(shí)，持久極限與時(shí)間有關(guān)，一般取材料的蠕變強(qiáng)度(如30 000 h持久強(qiáng)度)。此外，其許用動(dòng)應(yīng)力與平均應(yīng)力有關(guān)。在存在裂紋情況下，如果發(fā)生高周疲勞時(shí)部件將會(huì)迅速斷裂，因此必須避免在高周疲勞條件下的裂紋擴(kuò)展，并且將產(chǎn)生初始裂紋或裂紋擴(kuò)展閾值作為高周疲勞失效判斷的準(zhǔn)則。

2.5 蠕變與應(yīng)力松弛

長(zhǎng)期運(yùn)行在高溫高應(yīng)力作用下，零部件會(huì)發(fā)生蠕變變形或斷裂。燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)間通常為15～25 a，意味著除了運(yùn)維中需要更換的燃燒室部件和透平葉片等高溫部件外，其他零部件的蠕變壽命設(shè)計(jì)要求為96 000～144 000 h，而燃燒室和透平高溫部件的蠕變壽命通常要求為24 000～48 000 h。

針對(duì)旋轉(zhuǎn)部件，由離心力和氣動(dòng)壓力等機(jī)械載荷引起的一次應(yīng)力，將會(huì)導(dǎo)致零部件發(fā)生較大的非彈性變形，從而發(fā)生蠕變斷裂。對(duì)于靜子部件，由溫度梯度引起的熱應(yīng)力屬于二次應(yīng)力，在熱應(yīng)力的作用下靜止部件會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象。在停機(jī)過(guò)程中，由于已經(jīng)累積了較大的蠕變，零部件將會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力或者變形。因此針對(duì)旋轉(zhuǎn)部件，使用一維評(píng)估方法，比較零部件的一次應(yīng)力和材料的持久強(qiáng)度，避免發(fā)生蠕變斷裂；當(dāng)需要較精確的蠕變損傷評(píng)估時(shí)，則需要開(kāi)展三維的黏塑性有限元分析，對(duì)其局部蠕變應(yīng)變和蠕變變形進(jìn)行評(píng)估。

2.6 熱障涂層剝落

熱障涂層剝落是燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件典型失效模式。熱障涂層一旦剝落，涂層下面的金屬表面直接暴露在熱環(huán)境中，會(huì)導(dǎo)致熱疲勞開(kāi)裂、蠕變變形和燃?xì)飧g等后續(xù)損傷。熱障涂層剝落的主要原因包括黏結(jié)層的氧化層過(guò)厚和熱障涂層熱疲勞開(kāi)裂等因素。因此，在設(shè)計(jì)中需要考慮的重要參數(shù)包括黏結(jié)層和陶瓷層的厚度、黏結(jié)層溫度以及噴涂表面的曲率等因素。燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以通過(guò)限制熱障涂層表面和黏合涂層的溫度值以及熱障涂層應(yīng)變值，避免熱障涂層剝落。

2.7 磨損與微動(dòng)疲勞

在循環(huán)載荷作用下，當(dāng)相互接觸的燃?xì)廨啓C(jī)部件發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，就可能會(huì)產(chǎn)生磨損損傷或微動(dòng)疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展。磨損引起的損傷機(jī)理是接觸部件的1個(gè)或2個(gè)材料的損失。磨損損傷的結(jié)果是局部弱化甚至是帶有隨后開(kāi)裂的缺口[1-3]。磨損損傷多由結(jié)構(gòu)振動(dòng)/高周疲勞載荷驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生。影響磨損損傷的主要參數(shù)有材料、溫度、接觸壓力、振動(dòng)或循環(huán)載荷頻率。

磨損與微動(dòng)疲勞評(píng)估通常需要根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試值來(lái)進(jìn)行。磨損試驗(yàn)需要選擇合適的材料配對(duì)，并在試驗(yàn)中測(cè)試其最低的材料損耗。在振動(dòng)臺(tái)上通過(guò)測(cè)量可以得到部件磨損行為和動(dòng)力學(xué)特性，如果部件發(fā)生共振，其磨損損傷可能會(huì)顯著增強(qiáng)，在振動(dòng)臺(tái)開(kāi)展相關(guān)測(cè)試時(shí)，需要將部件的固定方式接近真實(shí)燃?xì)廨啓C(jī)安裝條件。針對(duì)磨損故障，通常以材料損耗情況作為判斷依據(jù)，如壁厚減薄的百分比等。

2.8 氧化與腐蝕

熱端部件在高溫燃?xì)獾淖饔孟掳l(fā)生氧化或腐蝕，其損傷的特征包括材料損失和微觀組織變化等，材料的老化將會(huì)導(dǎo)致其承力能力下降甚至喪失。當(dāng)燃料中含有一些化學(xué)元素(如硫)時(shí)，將會(huì)加劇損害熱端部件的氧化和腐蝕情況。

燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子和冷端結(jié)構(gòu)件雖然不直接暴露在高溫燃?xì)庵?，但是依舊會(huì)發(fā)生腐蝕。如在燃?xì)廨啓C(jī)冷卻后，水分將會(huì)沉積在部件上，根據(jù)金屬的化學(xué)成分以及水分中的鹽含量和氧含量，將會(huì)形成銹膜或局部腐蝕坑。點(diǎn)蝕導(dǎo)致局部銹蝕，降低零件的低周疲勞強(qiáng)度和裂紋萌生閾值。腐蝕與氧化相關(guān)的其他壽命問(wèn)題是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和應(yīng)力加速晶間腐蝕，在應(yīng)力、材料和腐蝕環(huán)境的共同影響下，裂紋萌生和擴(kuò)展。

在重型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)中需要考慮材料氧化與腐蝕的厚度以及氧化膜生長(zhǎng)與剝落機(jī)理，常用的評(píng)估方法是計(jì)算金屬溫度并與材料氧化與腐蝕厚度曲線進(jìn)行比較。

2.9 非設(shè)計(jì)點(diǎn)工況下壽命敏感性

針對(duì)非設(shè)計(jì)點(diǎn)工況，燃?xì)廨啓C(jī)部件的溫度與設(shè)計(jì)工況溫度會(huì)有偏差。燃?xì)廨啓C(jī)部件的幾種主要失效模式都與溫度相關(guān)，因此可以使用一維壽命分析模型對(duì)其壽命(蠕變、低周疲勞與氧化)變化進(jìn)行初步評(píng)估。以高溫透平葉片為例，幾種失效模式對(duì)平均溫度變化量(ΔT)的敏感度如圖2所示，在相同的平均溫度變化量下，蠕變壽命的變化最為敏感。需要強(qiáng)調(diào)的是，在設(shè)計(jì)中充分考慮非設(shè)計(jì)點(diǎn)工況下燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)各類損傷累積的敏感性是保證燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)可靠性和安全性的重要措施。

圖2 平均溫度變化對(duì)壽命的敏感性曲線

3 結(jié)構(gòu)完整性分析要求

結(jié)構(gòu)完整性分析工作任務(wù)包括針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)主要失效模式，分析其零部件是否在設(shè)計(jì)要求的運(yùn)行時(shí)間和起停次數(shù)范圍內(nèi)能安全正常地工作, 即開(kāi)展國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)定義的燃?xì)廨啓C(jī)標(biāo)準(zhǔn)工況和非設(shè)計(jì)點(diǎn)工況下零部件的結(jié)構(gòu)完整性分析，特別是壽命評(píng)估是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求；需要基于試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)壽命模型進(jìn)行驗(yàn)證；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)支持，如剩余壽命預(yù)測(cè)；對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行技術(shù)支持，如壁厚和涂層厚度限制；對(duì)制造過(guò)程中的不符合項(xiàng)進(jìn)行處理。下面以壓氣機(jī)葉片、透平葉片、轉(zhuǎn)子和氣缸為例，介紹各部件結(jié)構(gòu)完整性分析的要求和任務(wù)。

3.1 壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)完整性分析

壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)完整性分析流程如圖3所示。首先對(duì)壓氣機(jī)動(dòng)葉進(jìn)行有限元分析，包括靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析，獲得靜態(tài)載荷下的應(yīng)力分布和振動(dòng)坎貝爾(Campbell)圖。根據(jù)坎貝爾圖判斷頻率避開(kāi)率是否合格，若不合格則調(diào)整葉型并進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析，直至氣動(dòng)設(shè)計(jì)和振動(dòng)分析合格。振動(dòng)頻率合格后，進(jìn)行高周疲勞壽命分析。將靜態(tài)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力作為輸入，在古德曼圖中評(píng)估其高周疲勞壽命。同時(shí)，開(kāi)展部件測(cè)試以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)完整性，若不合格則返回并調(diào)整葉型，直至高周疲勞壽命合格。高周疲勞壽命合格后開(kāi)始整機(jī)測(cè)試，驗(yàn)證最終結(jié)果，確認(rèn)設(shè)計(jì)合格。

圖3 壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)完整性分析流程

壓氣機(jī)葉片靜強(qiáng)度分析是分析在各種載荷作用下葉片的受力狀態(tài)。壓氣機(jī)動(dòng)葉在工作過(guò)程中承受離心力和氣動(dòng)力等多種載荷的作用。離心力對(duì)葉片主要產(chǎn)生徑向拉力，氣動(dòng)力施加在葉片上表現(xiàn)為切向力和軸向力，進(jìn)而對(duì)葉片根部圓角部位產(chǎn)生氣動(dòng)彎矩。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為減小動(dòng)葉根部圓角部位的應(yīng)力，可以通過(guò)離心力彎矩平衡氣動(dòng)力彎矩。當(dāng)動(dòng)葉質(zhì)心與葉型根部圓角部位在周向上存在一定偏差時(shí)，動(dòng)葉離心力會(huì)對(duì)動(dòng)葉根部圓角部位產(chǎn)生一個(gè)彎矩。當(dāng)質(zhì)心偏差方向與氣動(dòng)力方向相同時(shí)，離心力產(chǎn)生的彎矩方向與氣動(dòng)力彎矩相反，達(dá)到相互抵消的作用，從而減小根部圓角部位應(yīng)力。

壓氣機(jī)動(dòng)葉在各種力的作用下會(huì)產(chǎn)生變形，這就導(dǎo)致產(chǎn)品狀態(tài)和工作狀態(tài)下的葉型存在差異，即冷態(tài)葉型和熱態(tài)葉型。在壓氣機(jī)葉片設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)三維有限元分析獲得葉片變形量或葉型角度變化量，不斷迭代反算，最終通過(guò)修正獲得冷態(tài)(產(chǎn)品狀態(tài))的葉片。

壓氣機(jī)葉片振動(dòng)包括氣流引起的振動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)，其中氣流引起的振動(dòng)包括強(qiáng)迫振動(dòng)(共振)和氣彈不穩(wěn)定性問(wèn)題，氣彈不穩(wěn)定性問(wèn)題主要指顫振和失速喘振。

對(duì)于強(qiáng)迫振動(dòng)問(wèn)題，需通過(guò)振動(dòng)分析識(shí)別葉片的共振點(diǎn)，要求在額定轉(zhuǎn)速附近不發(fā)生共振，并具有足夠的避開(kāi)裕度。振動(dòng)分析結(jié)果通過(guò)坎貝爾圖的形式呈現(xiàn)，其中需要考慮的激振源包括上、下游葉片數(shù)和葉片數(shù)之差以及低階激振力。

對(duì)于壓氣機(jī)葉片，顫振是指非線性效應(yīng)導(dǎo)致的自激振動(dòng)。一般情況下，葉片傾向于以小振幅的固有模式振動(dòng)，非穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)力加載到葉片上導(dǎo)致葉片變形，葉片受到氣動(dòng)力從而獲取能量，當(dāng)葉片的機(jī)械阻尼不能消耗所吸收的能量時(shí)，初始的小振動(dòng)就會(huì)放大，從而發(fā)生顫振。根據(jù)顫振發(fā)生的氣動(dòng)條件，顫振可分為亞音失速顫振、堵塞顫振、跨音失速顫振和跨音非失速顫振4類[4]。

除了葉片本身的振動(dòng)問(wèn)題，還需分析外部激振力的影響，減小葉片振動(dòng)失效風(fēng)險(xiǎn)。為了避免壓氣機(jī)下游葉片對(duì)上游葉片的激勵(lì)作用引起的振動(dòng)失效，需考慮壓氣機(jī)軸向間隙大小。壓氣機(jī)上下游葉片軸向間隙減小，尾流摻混減弱，效率增加，但是下游葉片對(duì)上游葉片的擾動(dòng)增強(qiáng)。太小的軸向間隙可能會(huì)導(dǎo)致葉片激振增強(qiáng)[5]，因此壓氣機(jī)葉片設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮合適的軸向間隙，兼顧氣動(dòng)性能和振動(dòng)安全要求。

壓氣機(jī)葉片振動(dòng)分析完成后，需通過(guò)古德曼圖評(píng)估其高周疲勞分析，根據(jù)靜載荷計(jì)算獲得的靜應(yīng)力，在古德曼圖中確定允許的最大動(dòng)應(yīng)力。進(jìn)而考核計(jì)算的動(dòng)應(yīng)力或試驗(yàn)監(jiān)測(cè)獲得的動(dòng)應(yīng)力是否滿足要求，評(píng)估高周疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 透平結(jié)構(gòu)完整性分析

透平部件的結(jié)構(gòu)完整性分析主要是為了保證透平部件在檢修周期內(nèi)具有足夠的設(shè)計(jì)壽命。透平部件結(jié)構(gòu)完整性分析的基本流程如圖4所示：基于計(jì)算得出的金屬基體溫度場(chǎng)分布，開(kāi)展一維、二維和三維應(yīng)力場(chǎng)分析，并對(duì)金屬基體和涂層壽命開(kāi)展壽命評(píng)估；根據(jù)熱電偶測(cè)溫或示溫漆試驗(yàn)以及燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)修正傳熱分析模型，并基于新的溫度場(chǎng)再次開(kāi)展壽命迭代分析。

圖4 透平部件壽命分析流程

在燃?xì)廨啓C(jī)不同設(shè)計(jì)階段，透平部件的結(jié)構(gòu)完整性分析內(nèi)容也不相同。在概念設(shè)計(jì)階段，重點(diǎn)是開(kāi)展方案的設(shè)計(jì)迭代，一般使用一維分析方法進(jìn)行靜強(qiáng)度校核。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，需要采用三維(或二維)壽命分析方法開(kāi)展詳細(xì)的壽命分析和校核工作以及振動(dòng)強(qiáng)度校核計(jì)算。

一維分析重點(diǎn)是開(kāi)展圍帶、葉根和葉身等關(guān)鍵位置在不同工況下的靜強(qiáng)度校核。采用基于梁理論的簡(jiǎn)單一維方法獲得葉片的質(zhì)量、徑向平均金屬溫度分布和徑向平均應(yīng)力分布的信息，并開(kāi)展應(yīng)力優(yōu)化，氣流彎應(yīng)力根據(jù)葉片傾斜的離心應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到一次應(yīng)力最優(yōu)的情況。

三維(或二維)壽命分析則需要開(kāi)展動(dòng)力學(xué)評(píng)估、低周疲勞壽命分析、斷裂力學(xué)分析、蠕變壽命評(píng)估、葉片及涂層的氧化壽命評(píng)估以及熱障涂層壽命評(píng)估等。

針對(duì)透平葉片，需要開(kāi)展動(dòng)力學(xué)評(píng)估，以避免高周疲勞失效。針對(duì)低頻的激振源和激振頻率，在設(shè)計(jì)中葉片的固有頻率滿足避開(kāi)率設(shè)計(jì)要求；針對(duì)上下游靜葉等帶來(lái)的高頻激振力，動(dòng)葉的固有頻率也需要保持一定的避開(kāi)率；針對(duì)葉片的顫振，可以使用一維分析方法對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，必要時(shí)需要使用三維流固耦合的分析方法。當(dāng)葉片發(fā)生共振時(shí)，可以使用古德曼圖或海格圖對(duì)其動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行校核，同時(shí)還需要對(duì)其磨損情況進(jìn)行校核和評(píng)估。

透平部件的疲勞壽命評(píng)估通常使用線彈性分析方法進(jìn)行三維有限元應(yīng)力計(jì)算，可以根據(jù)局部應(yīng)力與應(yīng)變結(jié)果開(kāi)展低周疲勞壽命分析，以獲得疲勞裂紋萌生的次數(shù)。但是對(duì)于應(yīng)力集中位置(如樅樹(shù)型葉根)，直接采用峰值應(yīng)力計(jì)算則會(huì)過(guò)于保守，可采用考慮應(yīng)力梯度的壽命分析模型[6]，對(duì)其低周疲勞壽命進(jìn)行分析。針對(duì)冷卻孔等結(jié)構(gòu)，為避免網(wǎng)格過(guò)多，在有限元分析過(guò)程中可以忽略冷卻孔結(jié)構(gòu)，低周疲勞壽命分析時(shí)則使用應(yīng)力集中系數(shù)和名義應(yīng)力作為應(yīng)力輸入。針對(duì)靜子部件，比如透平靜葉，則需要進(jìn)一步進(jìn)行斷裂力學(xué)分析，可以允許部件存在一定長(zhǎng)度的裂紋。對(duì)于旋轉(zhuǎn)部件，比如透平動(dòng)葉，不同的燃?xì)廨啓C(jī)制造商會(huì)根據(jù)自身設(shè)計(jì)和運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)判斷是否允許動(dòng)葉在一定范圍內(nèi)存在裂紋擴(kuò)展。

透平部件的蠕變壽命需要對(duì)其蠕變斷裂強(qiáng)度和局部蠕變應(yīng)力進(jìn)行分析，主要采用三維有限元蠕變分析，保證在設(shè)計(jì)壽命期間其局部蠕變應(yīng)變和葉片蠕變變形在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。隨著機(jī)械載荷的增加和金屬溫度的升高，蠕變損傷會(huì)加速。因此，一個(gè)良好的設(shè)計(jì)中應(yīng)防止葉片的蠕變損傷進(jìn)入加速蠕變階段。

通常，金屬基體和抗氧化涂層的氧化厚度只是溫度和時(shí)間的函數(shù)。為了保障零部件的可靠性，需要確保抗氧化涂層和金屬基體在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，兩者的氧化厚度低于設(shè)計(jì)允許值。

對(duì)于帶熱障涂層材料，需要對(duì)其剝落壽命進(jìn)行評(píng)估，包括檢查黏結(jié)層的最小厚度、葉片曲率大位置的熱障涂層厚度、運(yùn)行過(guò)程中的最大許用應(yīng)變值、黏結(jié)層溫度和涂層燒結(jié)溫度等，以避免涂層提前剝落。在設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要考慮異物損傷引起的熱障涂層脫落。熱障涂層裂紋由基材和黏結(jié)或覆蓋涂層的變形不匹配導(dǎo)致的，在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，涂層表現(xiàn)出韌性，在室溫下涂層變脆。如果在停機(jī)期間，涂層達(dá)到一定的應(yīng)力或應(yīng)變極限，則會(huì)發(fā)生脆性涂層開(kāi)裂。

針對(duì)透平部件的壽命預(yù)測(cè)，邊界條件、材料數(shù)據(jù)、有限元模型、壽命安全系數(shù)以及實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行差異等因素會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)壽命造成一定的不確定性。因此透平部件的實(shí)際壽命會(huì)通過(guò)試驗(yàn)機(jī)組的試驗(yàn)校核溫度分布和實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

3.3 轉(zhuǎn)子和氣缸結(jié)構(gòu)完整性分析

轉(zhuǎn)子及氣缸零部件(特別是排氣缸)在燃?xì)廨啓C(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中承受較高溫度，易發(fā)生蠕變從而產(chǎn)生蠕變應(yīng)變和蠕變變形。為了防止燃?xì)廨啓C(jī)在運(yùn)行期間轉(zhuǎn)子和氣缸零部件發(fā)生蠕變斷裂，通常根據(jù)材料的蠕變方程在穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)作用下開(kāi)展蠕變分析，考核蠕變應(yīng)變，防止蠕變進(jìn)入加速蠕變階段。同時(shí)為了防止燃?xì)廨啓C(jī)在運(yùn)行期間由于零部件的蠕變變形而發(fā)生碰摩，在整機(jī)間隙設(shè)計(jì)中需要提取蠕變變形，將其作為設(shè)計(jì)輸入或限制零部件的蠕變變形量。

燃?xì)廨啓C(jī)在運(yùn)行期間頻繁起停，在循環(huán)載荷作用下易發(fā)生疲勞開(kāi)裂，通常用基于標(biāo)準(zhǔn)試樣的材料低周疲勞參數(shù)開(kāi)展低周疲勞壽命分析。通常材料的低周疲勞試驗(yàn)采用應(yīng)變控制方法，在測(cè)試載荷下降2%～5%時(shí)即可認(rèn)為疲勞裂紋萌生[7]。一般采用標(biāo)準(zhǔn)試樣的低周疲勞試驗(yàn)測(cè)出的疲勞裂紋深度小于1 mm[8]。

基于光滑試樣的材料疲勞參數(shù)開(kāi)展燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子的低周疲勞壽命評(píng)估時(shí)，轉(zhuǎn)子局部缺口處的低周疲勞壽命計(jì)算值往往過(guò)于保守。由于缺口處應(yīng)力梯度較大，因此為了計(jì)算出較為準(zhǔn)確的低周疲勞壽命，會(huì)開(kāi)展缺口試樣的低周疲勞試驗(yàn)，用于修正采用材料的標(biāo)準(zhǔn)疲勞參數(shù)計(jì)算出的低周疲勞壽命。應(yīng)力梯度下的低周疲勞實(shí)際壽命總是高于標(biāo)準(zhǔn)疲勞參數(shù)計(jì)算出的壽命值[6]，如圖5所示。

圖5 某材料帶應(yīng)力梯度下循環(huán)壽命與標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命的對(duì)比

不考慮應(yīng)力梯度下低周疲勞壽命評(píng)估如下：

N0=f(σa,T, 低周疲勞材料參數(shù))

(1)

轉(zhuǎn)子應(yīng)力梯度下壽命增強(qiáng)因子為：

(2)

通常會(huì)將轉(zhuǎn)子、氣缸零部件低周疲勞計(jì)算壽命與實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行比較驗(yàn)證，例如某F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)某氣缸的低周疲勞計(jì)算壽命(疲勞裂紋萌生壽命)較高，但在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)該氣缸產(chǎn)生裂縫，值得注意的是氣缸上裂紋萌生并不意味著使用壽命的結(jié)束，通常使用壽命是疲勞裂紋萌生壽命疊加疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。針對(duì)氣缸上裂縫破裂帶來(lái)的漏氣風(fēng)險(xiǎn)，可以通過(guò)在線監(jiān)測(cè)以及焊接維修來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。

在循環(huán)載荷的作用下，當(dāng)相互接觸的燃?xì)廨啓C(jī)部件相對(duì)移動(dòng)時(shí)，特別是相互接觸的轉(zhuǎn)動(dòng)零部件，例如轉(zhuǎn)子輪盤槽與動(dòng)葉根部、拉桿轉(zhuǎn)子相鄰輪盤、拉桿與輪盤等，在接觸面區(qū)域是可能發(fā)生微動(dòng)疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展的[2]。各大燃?xì)廨啓C(jī)廠商并未建立能較好地預(yù)測(cè)微動(dòng)疲勞裂紋萌生的評(píng)估準(zhǔn)則，但是根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)限制兩接觸面上的平均擠壓應(yīng)力可以有效降低微動(dòng)疲勞裂紋萌生的風(fēng)險(xiǎn)。在不需要考慮蠕變影響的溫度范圍內(nèi)，可以認(rèn)為設(shè)計(jì)允許的最大接觸面平均擠壓應(yīng)力大約為50%～70%的屈服極限。

3.4 壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

3.4.1 通用流程與準(zhǔn)則

燃?xì)廨啓C(jī)各部件的壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則必須保證部件壽命有足夠的安全裕度。當(dāng)一個(gè)部件有一種或幾種損傷機(jī)理，或者當(dāng)它對(duì)其他部件造成風(fēng)險(xiǎn)，或者當(dāng)它不再能夠發(fā)揮其功能時(shí)，就達(dá)到了部件的使用壽命。但是，產(chǎn)品真實(shí)壽命結(jié)束通常無(wú)法量化準(zhǔn)確描述，任何一種壽命評(píng)估方法的精度水平都不允許部件在實(shí)際運(yùn)行中工作至失效才結(jié)束。相反，零部件的設(shè)計(jì)壽命應(yīng)與真實(shí)壽命有一個(gè)合理的安全裕度，這在設(shè)計(jì)準(zhǔn)則或者計(jì)算過(guò)程中應(yīng)予以考慮。安全裕度的大小取決于相應(yīng)部件損壞的后果，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)安全風(fēng)險(xiǎn)影響大的部件需要足夠大的安全裕度，對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)影響小的部件可以減小安全裕度。

在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，部件壽命設(shè)計(jì)與評(píng)估通過(guò)多步驟流程進(jìn)行。在這個(gè)過(guò)程中，隨著評(píng)估精準(zhǔn)度的提高，評(píng)估工作量會(huì)越來(lái)越大，保守性也會(huì)逐步降低。如果一個(gè)壽命評(píng)估，可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單保守的準(zhǔn)則(比如簡(jiǎn)化的一維公式)校核，不需要進(jìn)行后續(xù)的評(píng)估，那么就可以節(jié)省時(shí)間和成本。如果第一步簡(jiǎn)單準(zhǔn)則校核不通過(guò)，這并不能說(shuō)明該部件不滿足最終壽命要求，因此評(píng)估流程需要考慮提高評(píng)估方法的復(fù)雜程度，降低預(yù)設(shè)條件的保守性，從而提高評(píng)估的精準(zhǔn)性。在大多數(shù)情況下，使用第一步校核僅能表明在經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)，該部件所需的壽命能夠得到保證，但無(wú)法從這種方法中獲得比較確切的壽命數(shù)值。相對(duì)準(zhǔn)確的壽命評(píng)估只有在后幾個(gè)步驟中才能獲得。

3.4.2 各部件的壽命設(shè)計(jì)要求

高溫部件和轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)壽命要求不同，存在差異的主要原因是當(dāng)前燃?xì)廨啓C(jī)溫度水平下，高溫部件的設(shè)計(jì)壽命無(wú)法滿足4次大修所需的間隔時(shí)間。另一個(gè)區(qū)別在于如何處理結(jié)構(gòu)裂紋的擴(kuò)展，比如對(duì)于透平和壓氣機(jī)動(dòng)葉，裂紋產(chǎn)生決定了其部件壽命的終結(jié)，即動(dòng)葉要求其不發(fā)生裂紋擴(kuò)展；而對(duì)于靜葉片和燃燒室內(nèi)襯等靜態(tài)部件，裂紋是可以接受的，并且可以將一定量的低于臨界裂紋尺寸的裂紋擴(kuò)展包含在壽命設(shè)計(jì)過(guò)程中。對(duì)于采用高溫合金鋼的轉(zhuǎn)子，裂紋擴(kuò)展也可以包含在壽命設(shè)計(jì)中。與動(dòng)葉相比，轉(zhuǎn)子壽命設(shè)計(jì)的差異是因?yàn)椴捎玫霓D(zhuǎn)子材料具有相當(dāng)?shù)捻g性并具有高斷裂韌性和低裂紋擴(kuò)展速率。這種材料特性與轉(zhuǎn)子檢修相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋擴(kuò)展的風(fēng)險(xiǎn)可控，允許存在一部分的裂紋擴(kuò)展壽命。

當(dāng)前主流F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)透平壽命設(shè)計(jì)要求約為1 200次起停、24 000運(yùn)行小時(shí)(OH)，即1次大修間隔時(shí)間。針對(duì)透平動(dòng)葉，低周疲勞壽命設(shè)計(jì)不包括疲勞裂紋擴(kuò)展壽命，即不允許疲勞裂紋擴(kuò)展；針對(duì)透平靜葉，如果疲勞裂紋萌生壽命偏小，則低周疲勞壽命可疊加疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。燃燒室高溫部件壽命最小滿足1次大修間隔，可在第1、第2次大修間隔之間進(jìn)行維修，即要求1 200次(24 000 OH)或2 400次起停(48 000 OH)；該部件的裂紋擴(kuò)展壽命可以包含在設(shè)計(jì)壽命中。轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)壽命需至少滿足4次大修間隔，即達(dá)到96 000 OH以上；對(duì)于可修復(fù)的部位，要求滿足2 400次起停，對(duì)于不可修復(fù)的部位，要求滿足4 800次起停。裂紋擴(kuò)展壽命可以包含在設(shè)計(jì)壽命中。氣缸設(shè)計(jì)壽命與轉(zhuǎn)子相當(dāng)，即9 6000 OH以上，滿足2 400次起停，且裂紋擴(kuò)展壽命包含在設(shè)計(jì)壽命中。

4 轉(zhuǎn)子與整機(jī)動(dòng)力學(xué)分析

轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)及整機(jī)動(dòng)力學(xué)是結(jié)構(gòu)完整性的一個(gè)重要組成。因其建模方式和分析方法的獨(dú)特性以及對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行安全的重要性，轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)及整機(jī)動(dòng)力學(xué)分析需要著重描述。

為了保證重型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子安全穩(wěn)定運(yùn)行，需開(kāi)展軸系轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，考核臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應(yīng)以及扭振固有頻率。轉(zhuǎn)子軸系臨界轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之間需具備足夠的避開(kāi)率，通常臨界轉(zhuǎn)速避開(kāi)率不小于10%；軸頸振動(dòng)位移以及軸承座振動(dòng)速度必須滿足國(guó)際ISO標(biāo)準(zhǔn)[9]。由于發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可能會(huì)發(fā)生電氣故障，因此還需考核電氣故障下軸系軸頸的剪切應(yīng)力以及扭振疲勞壽命損耗，保證在極端工況下燃?xì)廨啓C(jī)能夠安全運(yùn)行。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析中通常對(duì)轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行一維簡(jiǎn)化，將氣缸和支撐結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化為支撐參數(shù)，這樣就不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子橫向振動(dòng)頻率。為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子與氣缸支撐的動(dòng)態(tài)特征，燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用轉(zhuǎn)子和氣缸的詳細(xì)有限元模型開(kāi)展整機(jī)動(dòng)力學(xué)分析，進(jìn)行模態(tài)分析以及不平衡響應(yīng)分析，獲得振型圖、振動(dòng)頻率、軸頸振動(dòng)位移及軸承座振動(dòng)速度等。在整機(jī)動(dòng)力學(xué)分析模型中，轉(zhuǎn)子采用一維梁?jiǎn)卧?，并考慮結(jié)構(gòu)阻尼；建立三維氣缸與支撐的裝配模型，靜葉和持環(huán)等氣缸內(nèi)部零部件以質(zhì)量點(diǎn)方式加載，在不影響計(jì)算速度的情況下采用更詳細(xì)的計(jì)算模型開(kāi)展整機(jī)動(dòng)力學(xué)分析，可以提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。

5 整機(jī)間隙設(shè)計(jì)

合理的間隙設(shè)計(jì)能保證燃?xì)廨啓C(jī)性能，也是結(jié)構(gòu)完整性分析工作的一個(gè)組成部分，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性有重要影響。

燃?xì)廨啓C(jī)在起動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)、再起動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子與靜子零部件在離心力、熱及壓力等載荷作用下產(chǎn)生不同的變形，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與靜子之間產(chǎn)生變形差(即脹差)，且變形大小隨時(shí)間而變化，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)子與靜子之間的間隙在起停過(guò)程中不斷變化。

間隙設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)置足夠大的冷態(tài)間隙，確保燃?xì)廨啓C(jī)在運(yùn)行期間靜子與轉(zhuǎn)動(dòng)部件碰摩可控；同時(shí)獲得盡可能小的穩(wěn)態(tài)間隙，以確保良好的整機(jī)性能。

為了設(shè)定合理的間隙，首先通過(guò)整機(jī)二維熱與結(jié)構(gòu)分析獲得整機(jī)瞬態(tài)變形數(shù)據(jù)，計(jì)算出關(guān)鍵位置的瞬態(tài)軸向和徑向脹差，尋找機(jī)組運(yùn)行過(guò)程最大脹差；然后疊加二維變形計(jì)算中未涉及因素影響，如制造裝配公差、氣缸與持環(huán)橢圓度、氣缸撓度和葉片三維變形修正等，并給予一定的設(shè)計(jì)裕度，從而得到機(jī)組安全運(yùn)行所需的最小冷態(tài)間隙。

為了防止穩(wěn)態(tài)工況下大徑向間隙影響整機(jī)性能，可采用以下措施：

(1) 在氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面，減小各級(jí)負(fù)荷系數(shù)，增加葉片的剛性，例如每級(jí)葉片數(shù)增多。

(2) 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，提高燃?xì)廨啓C(jī)零部件之間的對(duì)中，減小裝配公差；采用被動(dòng)間隙控制，例如控制冷卻量和采用不同線膨脹系數(shù)的材料降低脹差。

(3) 在運(yùn)行中控制碰磨，比如在調(diào)試過(guò)程中按設(shè)定仔細(xì)控制機(jī)器磨合過(guò)程以及噴涂立方氮化硼涂層。

(4) 采用主動(dòng)間隙控制和特殊的葉頂輪廓設(shè)計(jì)等。

6 結(jié)構(gòu)完整性試驗(yàn)驗(yàn)證

由于燃?xì)廨啓C(jī)零部件的完整性分析是在諸多假設(shè)以及簡(jiǎn)化下進(jìn)行的，無(wú)法考慮不同失效模式之間的相互影響，有些失效模式無(wú)法預(yù)測(cè)，而且錯(cuò)誤的生命周期預(yù)測(cè)會(huì)對(duì)商業(yè)運(yùn)行產(chǎn)生重大影響，因此燃?xì)廨啓C(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證是必不可少的。

非保守的結(jié)構(gòu)完整性分析可能會(huì)使燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組產(chǎn)生事故停機(jī)，無(wú)法滿足可靠性和安全性的設(shè)計(jì)要求。過(guò)于保守的結(jié)構(gòu)完整性分析可能導(dǎo)致零部件不必要的更換，延長(zhǎng)研發(fā)周期，降低部件利用率。

在試驗(yàn)條件下開(kāi)展部件試驗(yàn)測(cè)試周期短、成本相對(duì)較低，可以對(duì)比不同結(jié)構(gòu)特性下的試驗(yàn)結(jié)果，校驗(yàn)結(jié)構(gòu)完整性分析方法和工具。在真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)條件下開(kāi)展整機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，作為結(jié)構(gòu)完整性試驗(yàn)驗(yàn)證的最終步驟，可以對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)可靠性和壽命進(jìn)行驗(yàn)證。如果在客戶商業(yè)機(jī)組上開(kāi)展整機(jī)試驗(yàn)則會(huì)帶來(lái)不可忽略的商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，因此通常在試驗(yàn)機(jī)組上開(kāi)展整機(jī)試驗(yàn)。同時(shí)，將新設(shè)計(jì)的燃?xì)廨啓C(jī)與類似機(jī)組或早期機(jī)型的整機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，有助于驗(yàn)證壽命評(píng)估工具，可開(kāi)展統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)估設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。本節(jié)以壓氣機(jī)、燃燒室和透平葉片為例，介紹各部件試驗(yàn)驗(yàn)證的目的與方法。

6.1 壓氣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

重型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)會(huì)采用縮尺試驗(yàn)件開(kāi)展試驗(yàn)，以驗(yàn)證氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)完整性結(jié)果。通過(guò)試驗(yàn)，以一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品?？s尺壓氣機(jī)試驗(yàn)件要求其馬赫數(shù)、雷諾數(shù)等無(wú)量綱參數(shù)與原尺寸壓氣機(jī)保持一致以及氣流速度和速度三角形保持一致，保證氣動(dòng)相似。

在縮尺試驗(yàn)中，壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)完整性參數(shù)也能保證一定的相似。試驗(yàn)件所承受的離心力和氣動(dòng)彎應(yīng)力與原尺寸工況下受力基本相等。試驗(yàn)件葉片頻率與原尺寸葉片頻率的比值約等于縮尺系數(shù)的倒數(shù)，但因試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速與原尺寸壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速的比值為縮尺系數(shù)的倒數(shù)，可保證其振動(dòng)坎貝爾圖基本相似。

在試驗(yàn)過(guò)程中，可通過(guò)應(yīng)變片和遙測(cè)裝置或葉尖計(jì)時(shí)(Blade Tip Time)測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)件葉片振動(dòng)情況，獲得葉片振動(dòng)應(yīng)力、共振頻率和葉尖振幅等參數(shù)，為高周疲勞壽命分析提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，并驗(yàn)證葉片是否存在共振風(fēng)險(xiǎn)。

6.2 燃燒室試驗(yàn)驗(yàn)證

燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)制造商通常需要在接近燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組運(yùn)行條件下進(jìn)行燃燒室部件試驗(yàn)，以驗(yàn)證壽命評(píng)估方法。圖6展示了某F級(jí)兩級(jí)環(huán)形燃燒室環(huán)保型燃燒器襯套部件試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)主要包括以下內(nèi)容：

(1) 襯套以及襯套側(cè)壁開(kāi)展1 200次循環(huán)的壽命試驗(yàn)。

(2) 側(cè)壁冷卻孔開(kāi)展壽命試驗(yàn)。

(3) 在循環(huán)載荷條件下測(cè)試不同磨損保護(hù)涂層，測(cè)量裂紋萌生壽命和裂紋擴(kuò)展速率，并測(cè)量襯套殘余變形量。

(4) 根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)完整性分析和冷卻設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)傳熱分析進(jìn)行標(biāo)定，預(yù)測(cè)裂紋萌生壽命和裂紋擴(kuò)展壽命，評(píng)估蠕變變形。

圖6 某F級(jí)環(huán)形燃燒室試驗(yàn)臺(tái)及襯套結(jié)構(gòu)示意圖

6.3 透平試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)透平部件的壽命驗(yàn)證，由于長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，一般通過(guò)試驗(yàn)機(jī)組和商業(yè)機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

在試驗(yàn)機(jī)組上開(kāi)展透平葉片動(dòng)頻試驗(yàn)，以驗(yàn)證其振動(dòng)特性的可靠性，避免透平葉片發(fā)生高周疲勞失效。通過(guò)應(yīng)變片和遙測(cè)裝置或者葉尖計(jì)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)可以在燃?xì)廨啓C(jī)起停過(guò)程和滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下開(kāi)展葉片的振動(dòng)響應(yīng)幅值監(jiān)測(cè)，以獲得透平葉片在起停過(guò)程中的坎貝爾圖，并監(jiān)測(cè)葉片的振動(dòng)響應(yīng)幅值。通過(guò)坎貝爾圖分析可以獲得透平葉片的共振轉(zhuǎn)速和共振頻率，從而驗(yàn)證葉片是否存在共振的風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)振動(dòng)響應(yīng)幅值監(jiān)測(cè)，能評(píng)估葉片的動(dòng)應(yīng)力幅值和高周疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)。

在試驗(yàn)機(jī)組中，通過(guò)測(cè)量透平部件溫度達(dá)到對(duì)葉片壽命修正和驗(yàn)證的目的，具體流程如圖7所示。在試驗(yàn)機(jī)組中，在透平部件中及燃?xì)馔ǖ乐胁贾脺囟葴y(cè)點(diǎn)或開(kāi)展示溫漆試驗(yàn)，可以獲得燃?xì)庵芟驕囟炔痪鶆蚨?ODTF)和徑向溫度不均勻度(RTDF)以及透平葉片自身溫度分布。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正三維溫度場(chǎng)模型，可以進(jìn)一步修正葉片等透平部件的壽命模型，以提高透平部件壽命預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)性。

圖7 透平葉片壽命驗(yàn)證試驗(yàn)流程

透平部件的實(shí)際壽命驗(yàn)證需要在商業(yè)機(jī)組中進(jìn)行，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的商業(yè)機(jī)組透平葉片等部件的定期檢查和統(tǒng)計(jì)，以驗(yàn)證透平葉片等部件的壽命是否滿足設(shè)計(jì)要求。

6.4 商業(yè)機(jī)組事故分析

即使國(guó)際上各大燃?xì)廨啓C(jī)制造廠商制定了完善的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估體系，并通過(guò)了部件級(jí)甚至試驗(yàn)機(jī)組的驗(yàn)證，但商業(yè)運(yùn)營(yíng)的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組事故仍時(shí)有發(fā)生。因此，需要對(duì)出現(xiàn)事故的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行事故原因分析，以改進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)。事故原因分析過(guò)程中需要結(jié)合事故現(xiàn)象和金相分析結(jié)果，對(duì)零部件失效形式進(jìn)行初步判斷，從設(shè)計(jì)、制造、材料及使用等方面開(kāi)展事故原因分析，并對(duì)相應(yīng)的設(shè)計(jì)和制造規(guī)范進(jìn)行改進(jìn)。

以某F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)透平第三級(jí)動(dòng)葉事故為例，在機(jī)組運(yùn)行早期，出現(xiàn)了2次葉片斷裂事故，均發(fā)生在15%葉高位置，如圖8所示。通過(guò)對(duì)斷口位置進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)斷口截面存在大面積的疏松(見(jiàn)圖9)，導(dǎo)致該截面承力面積減小，拉伸應(yīng)力過(guò)大而使葉片斷裂。

圖8 某F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片斷裂位置示意圖

圖9 某F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片斷口截面示意圖

針對(duì)該位置的疏松缺陷，通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鑄件供應(yīng)商改變后，在透平葉片鑄造過(guò)程中，在疏松位置較敏感的位置調(diào)整了保溫棉厚度，從而導(dǎo)致葉身截面存在較大面積疏松；其次通過(guò)熱等靜壓工序，并未改善該位置的疏松情況；最后在射線檢查過(guò)程中，由于缺陷對(duì)射線檢查不敏感，導(dǎo)致未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷。最終導(dǎo)致在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行早期，透平葉片內(nèi)部缺陷在循環(huán)載荷的作用下逐漸擴(kuò)大而斷裂。

通過(guò)對(duì)事故原因調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行葉片的檢查，一方面重新修訂了葉片的驗(yàn)收規(guī)范，采用高分辨率的電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的射線檢查，修訂了葉身許用的最大疏松值和疏松寬度；另一方面，通過(guò)改進(jìn)鑄造過(guò)程中的保溫棉厚度改善鑄造質(zhì)量。

7 結(jié) 語(yǔ)

(1) 重型燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)需要結(jié)合市場(chǎng)需求，最終具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)流程必須兼顧技術(shù)先進(jìn)性和成本經(jīng)濟(jì)性。結(jié)構(gòu)完整性分析是研發(fā)流程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，影響燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性和安全性。

(2) 基于斷裂破壞、蠕變與應(yīng)力松弛、疲勞失效(低周疲勞、高周疲勞與疲勞斷裂)、磨損與微動(dòng)疲勞、氧化與腐蝕、熱障涂層失效等失效模式，開(kāi)展重型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)完整性分析，確保滿足壽命設(shè)計(jì)要求。

(3) 重型燃?xì)廨啓C(jī)作為復(fù)雜系統(tǒng)，各零部件的失效模式和損傷機(jī)理具有十分復(fù)雜的偶然性，需要通過(guò)必要的部件試驗(yàn)和試驗(yàn)機(jī)組整機(jī)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)的可靠性及壽命。

(4) 由于燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)，即使通過(guò)試驗(yàn)機(jī)組驗(yàn)證的燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)，在商業(yè)運(yùn)行中仍可能有事故發(fā)生。對(duì)事故原因的查找和分析是進(jìn)一步更新、改進(jìn)、完善燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)完整性分析方法的有效手段，是保證后續(xù)改進(jìn)機(jī)型商業(yè)運(yùn)行可靠性和安全性的必由之路。