[发明专利]一种汽轮发电机护环高周疲劳寿命的预测方法与监控装置

权利要求书

1.一种汽轮发电机护环高周疲劳寿命的监控装置，其特征在于，由超声波探伤仪和计算服务器组成，超声波探伤仪与汽轮发电机护环和计算服务器连接。

2.一种汽轮发电机护环高周疲劳寿命的预测与监控方法，其特征在于，使用权利要求1所述的汽轮发电机护环高周疲劳寿命的监控装置，采用C语言编写的汽轮发电机护环高周疲劳寿命的计算机软件，运行在计算服务器上，应用于汽轮发电机护环高周疲劳寿命的预测与监控，具体步骤为：

第一步：计算汽轮发电机护环表面的最大主应力：

对于汽轮发电机护环，采用现有的有限元计算分析方法，计算在稳态额定负荷工况下护环表面的最大主应力，在汽轮发电机护环三维模型的表面某一点在护环底部时确定最大主应力σ₁，在该护环的表面在护环顶部的相同半径与相同轴向位置的点的三个正应力和六个剪应力构成三个应力向量，这三个应力向量投影到底部σ₁方向得出该方向上的正应力σ₁′；

第二步：计算汽轮发电机护环的应力幅σ_a：

汽轮发电机护环在稳态额定负荷工况下，由于转子与护环的重力载荷引起的交变应力幅σ_a的计算公式为：

σa=σ1-σ1′2]]>

第三步：计算汽轮发电机护环的平均应力σ_m：

汽轮发电机护环在稳态额定负荷下的平均应力σ_m的计算公式为：

σm=σ1+σ1′2+σr]]>

式中：

σ_r——护环的残余应力；

第四步：计算汽轮发电机护环的应力比R：

汽轮发电机护环在稳态额定负荷工况下的应力比R的计算公式为：

R=σm-σaσm+σa]]>

式中：

σ_m——平均应力

σ_a——应力幅；

第五步：确定疲劳裂纹扩展的应力强度因子门槛值ΔK_th^R：

对于汽轮发电机护环，应力比为R的疲劳裂纹扩展的应力强度因子门槛值ΔK_th^R的计算公式为：

ΔK_th^R＝ΔK_th⁰(1-R)^m

式中：

ΔK_th⁰——应力比为R＝0的疲劳裂纹扩展的应力强度因子门槛值

R——应力比

m——材料试验常数；

第六步：计算汽轮发电机护环的初始裂纹尺寸的界限值a_th：

汽轮发电机护环初始表面裂纹尺寸的界限值a_th的计算公式为：

ath=(ΔKthR)2(2σa)2M]]>

式中：

σ_a——应力幅

M——与裂纹形状参数Q有关的常数，

对于表面裂纹，

Q=∫0π2(1-c2-a2c2sin2θ)dθ=∫0π2{1-[1-(ac)2]sin2θ}dθ;]]>

a——椭圆裂纹短轴半径；

c——椭圆裂纹长轴半径；

θ——过裂纹周线上任意一点径向线与椭圆长轴的夹角；

第七步：确定护环高周疲劳寿命设计的安全系数n_a：

汽轮发电机护环的高周疲劳寿命预测需要留有安全余量，定义汽轮发电机护环的高周疲劳寿命的安全系数为：n_a＝2；

第八步：计算护环高周疲劳的的允许初始裂纹尺寸a₀：

汽轮发电机护环高周疲劳的允许初始裂纹尺寸a₀的计算公式为：

a0=athna]]>

设计阶段高周疲劳寿命预测进入第九步，制造阶段高周疲劳寿命监控进入第十步；

第九步：预测汽轮发电机护环高周疲劳寿命设计的安全性：

若a₀≥2mm，在稳态额定负荷工况的应力幅σ_a作用下，汽轮发电机护环高周疲劳寿命设计是安全的，汽轮发电机护环的高周疲劳寿命为N_f≥4.0×10¹⁰，进入第十二步；

若a₀＜2mm，在稳态额定负荷工况的应力幅σ_a作用下，汽轮发电机护环高周疲劳寿命设计是不安全的，汽轮发电机护环的高周疲劳寿命N_f达不到4.0×10¹⁰，推荐的控制措施为增大护环表面应力集中部位的圆角半径，重新进行高周疲劳寿命预测；

第十步：探伤确定汽轮发电机护环的裂纹尺寸：

在汽轮发电机护环制造阶段，采用超声波探伤仪确定护环表面裂纹的所在部位和裂纹尺寸，裂纹所在部位指的是护环表面半椭圆形裂纹中心位置的三个坐标数值，裂纹尺寸指的是护环表面半椭圆形裂纹的短轴半径a；

第十一步：监控汽轮发电机护环裂纹高周疲劳寿命的安全性：

若a≤a₀，在稳态额定负荷工况的应力幅σ_a作用下，汽轮发电机护环探伤发现的裂纹不会发生疲劳扩展，汽轮发电机护环具有无限寿命，其高周疲劳寿命为N_f≥4.0×10¹⁰，进入第十二步；

若a＞a₀，在稳态额定负荷工况的应力幅σ_a作用下，汽轮发电机护环探伤发现的裂纹会发生疲劳扩展；汽轮发电机护环高周疲劳寿命的安全性没有达到要求，需要去除汽轮发电机护环的表面裂纹缺陷，重新进行高周疲劳寿命预测并监控其安全性；

第十二步：打印输出结果：

输出汽轮发电机护环高周疲劳寿命的预测结果与控制措施，应用于设计阶段汽轮发电机护环的结构优化改进和制造阶段的制造质量控制。