用于验证创新型涡轮机使用寿命预测之先进的 TMF 技术

深度解析

StuartHoldsworth博士和Empa研究人员正在采用一种创新型TMF（热机械疲劳）方法，来模拟贴近实际的涡轮机操作条件并验证新预测方法的有效性。

Empa的服务周期部件特征样品TMF测试方法需要一个如下测试系统：能够在同一周期内从机械应变切换至负载控制，同时能够叠加高频振动。

灵活的编程环境允许创建高度定制的波形，以及一个具有两种单独控制模式的单一多段循环。

如今的燃气及蒸汽涡轮机设计正在解决几十年前并不存在的各种挑战。更高的效率需要更高的操作温度以及能够在这些条件下抗氧化和蠕变的材料。更灵活的占空比意味着这些材料还必须抵抗热机械疲劳的损伤。当然，所有这些改进都必须在不影响运营成本或可靠性的情况下完成。

为了达到这些目标，设计理念需要不断改变。因此，对于准确地预测涡轮机部件的使用寿命来说，传统的使用寿命估计方法不再总是Z佳选择。这就需要各种新方法，但是新方法必须在获得制造商和Z终用户的信任之前进行测试和验证。

率先在这一领域取得发展的实验室是Empa-一个位于苏黎世附近城市迪本多夫的瑞士联邦研究所。采用一种创新方法进行热机械疲劳(TMF)测试，Empa研究人员能够模拟贴近实际的涡轮机操作条件并验证新预测方法的有效性。

Empa高温完整性小组组长StuartHoldsworth博士说：“历来，TMF测试都被用于测试材料特性。我们还使用此类测试的结果来构建先进材料变形和损伤模型概念的基础，Z重要的是，确定用于预测部件使用寿命的新高温评估程序的有效性基准。”

新涡轮机内部件的设计旨在尽可能热的状态下运行-因而尽可能有效-但是组分材料的热量也不得超过属性限制。为了避免在高温下过早损坏，必须充分考虑诸如蠕变和氧化之类的时变损伤过程，及其对疲劳损伤累计产生的相互影响。

简单的蠕变或蠕变疲劳研究专注于材料在稳定的高负载及高温条件下受控时如何反应。但是，这并不能准确地反映实际的涡轮机工作负载切换情况，其中负载和温度都在波动。

Holdsworth说：“随着20世纪90年代两班制作业的趋势与日俱增，以及随后越来越多地采用联合循环机组，如下两个方面的需求也不断增加：更灵活的操作以及客户涡轮机启动/停止数量的期望。今天，此类需求更加严格。”

同样地，喷气式发动机的占空比也在不断变化。此类发动机用于起飞和着陆之间的时间较短的短途及支线飞机。这些飞机具有较短的机翼和较窄的机体，因此，与较大的长途飞机中的发动机相比，这些飞机中的发动机会遇到更多不同的振动应力情况。

由于这一系列日新月异的占空比，涡轮机制造商很难自信地预测每个涡轮机部件将持续多长时间。了解“Z薄弱环节”，有助于制造商避免“过度设计”，优化新设计的可靠性，并制定侧重于潜在弱点的有效维护计划。

这就是Holdsworth及其团队不仅想出一种创新方法来进行高温涡轮机部件评估（该评估涉及非线性有限元素部件分析），而且制定出一种有效手段来确定用于测试和验证预测的基准的原因所在。

该分析技术遵循迭代过程，从特定涡轮机部件的初始蠕变疲劳评估开始。先进的非线性有限元素分析用于确定工作负载切换期间这些部件中的应力/应变状态以及关键位置。基于这些信息，该团队可以作出关于部件使用寿命的预测。

为了确定这些预测的准确性，Holdsworth的团队开发出一种服务周期部件特征样品TMF测试方法，这种方法能够复制在初始分析中确定之实际部件上的相同热应力/应变状态及机械应力/应变状态。然后，重复进行此过程，所得结果用来优化分析过程，直至它能够准确地预测使用寿命得到验证。

为了进行测试，Empa实验室使用MTS的两个伺服液压测试系统，而这两个系统都能够运行复杂的TMF测试。这些系统及其配件、数字控制器的功能和软件架构都能够满足EmpaTMF测试方法的两个独特方面。

首先，能够在实际涡轮机操作条件下准确地再现部件的关键位置应力/应变状态。要做到这一点，测试必须在同一周期内从机械应变控制切换至负载控制，而此操作需要前所未有的灵活性。先进的补偿技术可以实现精确的伺服阀控制。此外，MTSTestSuite™软件不仅允许操作员创建高度定制的波形（其中包括坡道的正确顺序），而且允许操作员创建一个具有两种单独控制模式的单一多段循环。

其次，能够在相对低频的循环应力/应变条件下叠加高频振动以进行模拟，例如，叠加在循环离心负载上的涡轮机机翼上的气体弯曲负载。机翼上出现气体压力变化是由于运动和静止叶片的循环交互，而循环离心负载则是涡轮机运行负载条件的结果。此外，MTS测试解决方案的控制架构可提供将这些振动添加到TMF测试所需的处理速度和编程灵活性，并创建高度逼真的模拟。

Empa独特的TMF测试方法的Z终受益者是燃气及蒸汽涡轮机组件和结构的制造商，以及利用这些组件和结构的飞机和电厂运营商。由于Empa目前能够得出并验证更准确的使用寿命预测，而这些预测与涡轮机将如何实际操作相符，因此，制造商可以充满自信地开发并优化新设计，而Z终用户同样有信心涡轮机将满足其对性能、可靠性、有效性和安全性的需求。

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2004-07-29