旋转部件循环塑性及高温蠕变行为数值模拟及可靠性分析研究

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转子作为大型汽轮机机组的核心部件,也是服役环境复杂和制造难度最大的部件之一,其安全性决定着汽轮机机组的可靠性和服役寿命。在多个运行循环中转子叶根槽等部位累积着大量的循环塑性变形,同时结构在高温条件下的蠕变效应将与循环塑性行为相耦合,这都给设备的安全运行带来重大挑战。因此确立转子的安定、棘轮边界等极限条件,探究高温下的蠕变与循环塑性耦合作用对于保障汽轮机机组的稳定安全运行至关重要。基于此,本文以某汽轮机转子模拟件为研究对象,基于线性匹配方法,开展了该部件的安定、稳定循环状态、棘轮、蠕变疲劳及蠕变断裂等方面的结构完整性评估。主要完成内容及相关结论如下:  1.汽轮机转子运行工况模拟及机械、温度载荷线弹性解计算,转子结构安定性分析。经研究:基于实际参考载荷工况,转子塑性应变主要发生于机械应力集中的轮槽区域,并被周围弹性反应的材料包围;转子自身离心力对结构安定极限仅有1.9%的数值影响,但对塑性应变范围大小的影响则高达21.5%;提出了转子结构在耦合循环热-机载荷下的安定极限图,通过ABAQUS增量弹塑性分析验证所得安定极限图的正确性。  2.承受耦合循环热-机载荷转子的稳定循环状态分析、棘轮分析。经研究:拟合了基于路径的塑性应变范围计算公式;转子自身离心力仅对结构棘轮极限产生不足2.1%的数值影响;提出了转子结构在耦合循环热-机载荷及恒定机械载荷下的棘轮极限图;  3.修改线性匹配方法FROTRAN子程序研究转子主要运行参数对蠕变-疲劳行为的影响,目标蠕变断裂寿命下转子结构蠕变断裂分析计算。经研究:蠕变及疲劳损伤的增大与蠕变保载时间的增长、转子转速的增快正相关,研究载荷范围下结构蠕变行为所引起的损伤远远超过疲劳效应所带来的损伤;计算得到不同蠕变断裂寿命下结构的蠕变断裂曲线,由于计算修正屈服应力的平衡机制,随着目标蠕变断裂时间的增长,蠕变断裂曲载荷线逐渐趋于重合。
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