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摘要:燃氣輪機是一種大型的動力裝置，由壓氣機、燃燒室及燃氣透平三大部件組成，被廣泛的應用于工業領域。燃氣輪機渦輪葉片的疲勞壽命關系到發電設備的安全，對于我國工業領域的經濟發展具有十分重要的作用。本文將對大型燃氣輪機的渦輪葉片疲勞壽命進行初步研究，旨在為其未來的發展奠定科學基礎。

關鍵詞:大型燃氣輪機；渦輪葉片；疲勞壽命

1燃氣輪機的運作及特點

1．1燃氣輪機的工作原理

壓氣機吸入周圍的空氣，并經過各式葉片對氣體進行壓縮，形成的高壓使空氣的溫度上升，高壓氣體進入到燃燒室，待遇燃料有效結合后點燃，產生高溫、高壓的燃氣，最后將高溫燃氣送入燃氣透平中，通過膨脹做功使發電機高速運轉，最終實現氣體向機械功的轉化，輸出做功。燃氣輪機的啟動需要依靠產生大扭矩的外界驅動裝置，通常采用柴油機、交流電機等。帶動轉動開始后，壓氣機內部的壓比增大，在點火完畢后繼續升速，當透平產生的功率大于壓氣機功率時，啟動裝置會自動脫離，而燃氣輪機進入到獨立的工作階段。在完成任務后，燃氣輪機需要停機，主要通過停止燃燒室內的燃料供應，使內部運作減速，直至冷卻停止。需要注意的是，緊急情況下需要迅速停機，此時不僅需要停止燃燒室內的燃料供應，還要借助外力條件對燃氣輪機進行反向施力，從而使其能夠快速靜止。

1．2燃氣輪機的工作特點

燃氣輪機雖然在運作時產生高溫，但這并不代表周圍溫度越高越好，相反的，燃氣輪機的工作需要遵循不超溫、不超速、不超振等要求。燃氣輪機的運行速度快、啟動快，且熱沖擊劇烈，因此對于熱通道的部件壽命要求高。燃氣輪機極易受到環境及氣候條件的影響，一旦天氣發生變化，其功率、熱效率等參數都會發生變化，因此在不同季節，應匹配相應的運作計劃。隨著科學技術的發展，自動化、半自動化技術廣泛的應用的工業中，現代大型燃氣輪機多采用自動控制系統，在操作上更加簡單，每天可保持12－14小時的工作時間，在使用高峰期通常啟停一次即可。

2大型燃氣輪機渦輪葉片疲勞壽命研究方法探析

2．1單軸疲勞

主要指只能承受單向應力的材料或部件在單向循環荷載作用下產生的時效現象。常見的研究方法主要分為以下幾種:

(1)Manson－Coffin方法。該方法主要針對低周疲勞破壞，研究的主體為發生疲勞破壞時的載荷反向次數與循環塑性應變引起的塑性應變幅間的經驗關系。

(2)通用斜率法。該方法是建立在Manson深入應變循環中的彈性與塑性部分以及單軸拉伸性能基礎上的一種經驗公式。

(3)應變范圍劃分法。該方法主要研究非彈性應變材料，對于高溫條件下的額流變及蠕變機理進行分析而得出的研究方法。

2．2多軸疲勞

又稱為復合疲勞，主要指材料或部件在多向應變循環載荷作用下產生的疲勞，根據應力的變化周期不同，可分為比例循環加載與非比例循環加載。我國對于多軸疲勞的研究起步較晚，條件較發達國家落后，但隨著電液伺服疲勞試驗機的誕生，我國的多軸疲勞研究也取得了巨大的突破，目前相對成熟的預測方法主要有以下幾種:

(1)線性累積損傷法。該方法最早由日本教授Taira提出，他將材料及構建的損傷范圍劃分兩種，一種是與時間有關，另一種是與時間無關的疲勞累積損傷，通過線性疊加進行壽命判定。該方法的操作簡單，便于計算，但由于精確度不高，所以在實際的應用中并未發揮有效的功能。自上世紀九十年代，Manson將該理論進行了更為細致的劃分，通過計算循環次數，將疲勞過程中的裂紋形成與裂紋擴展兩部分相分離，并在不同的階段分別采用線性累積損傷規律的方法進行分析計算，從而使研究的數據更加的精準，至此產生了雙線性疲勞累積損傷理念。本世紀初期，我國在該理論的研究上也得到了一定的突破，由王王旭亮等人組成的研究隊伍，針對傳統的Manson理論進行分析，對于其無法考慮荷載加載順序這一缺陷進行了技術糾正，通過研究不同載荷順序下的疲勞損傷程度，提出了疲勞損傷門檻值與擴展值的概念，從而使該項理論得到了更加深化的全面，更加適用于渦輪葉片的疲勞壽命預測工作。

(2)粘塑性損傷統一本構模型，顧名思義，是一種計算儀器，通過在該儀器中計入損傷變量、損傷演化方程等，進行累積損傷的計算。該方法由于采用有限元數據分析技術，在工程結構的處理上占有一定的優勢，因此近年來一直作為羅輪葉片疲勞壽命研究的主要方法。我國更是在今年來通過研究，改善了傳統模型中的缺陷，塑造出了新的本構模型，從而為我國今后的研究發展開辟了新的道路。

(3)非線性有限元方法。通過采用該方法推算出渦輪葉片蠕變的演變規律，通過迭代得到總應變，進而預測出材料或結構的壽命。在現代的疲勞預測工作中，技術人員常常將該方法與模型本構模型結合使用，無論在計算方法還是結構要求上都占有很大的優勢。

3結語

渦輪葉片是燃氣輪機的重要組成部分，在運轉過程中不僅需要承受循環載荷，還要承載熱載荷與氣動載荷，因此為了確保燃氣渦輪葉片在服役期間能夠安全可靠的運行，應結合先進的研究方法與科學技術，對設備材料及部件進行有效的預測與計算，加強對其壽命的控制，從而確保燃氣輪機的正常運作。

參考文獻:

［1］陳志英，王朝，周平．渦輪葉片疲勞－蠕變壽命穩健性優化方法［J］．航空發動機，2017，43(04):11～16．

［2］孫權，紀冬梅，郭恒超．燃氣輪機透平葉片材料及疲勞蠕變研究進展［J］．汽輪機技術，2017，59(02):81～83.

作者：朱滿軍；李瑞民；蘇寶華 單位：中國航發黎明