大容量核电半转速汽轮机长叶片疲劳特性研究

论文摘要

汽轮机叶片的疲劳寿命是叶片强度设计和安全性考核的重要内容，本文研究了大容量核电半转速汽轮机末级长叶片的疲劳特性。叶片的工作阶段按照转速可以分为启动、稳定转动以及停机三个阶段。在启动停机过程中，叶片会经历很大的离心变幅载荷以及同步的稳态汽动载荷，属于低周疲劳；在高速稳定运转过程中，叶片会承受汽流扰动产生的激振力而振动，幅值较小，但频率很高，属于高周疲劳。叶片的启动停机过程是裂纹萌生和稳态扩展的主要因素，是整个生命周期中的分析重点。为了研究长叶片的高周与低周疲劳寿命，首先，利用ABAQUS对单只长叶片有限元模型进行了分析，设置旋转循环对称约束模拟整圈叶片结构，得出其应力分布，并找到疲劳计算所关心区域；之后，对叶片所用材料进行了疲劳特性试验，利用最小二乘拟合的方法得出其SN曲线及方程；最后，结合有限元应力结果与疲劳试验结果，利用nSoft疲劳分析软件对叶片无损状态下的高周与低周疲劳寿命进行了评估。此外，对叶片指定位置含有特定初始微裂纹，即有损情况下的疲劳寿命进行了试探性分析和研究。所有的计算都是在假定最危险的状态下进行。结果表明，无损长叶片在实际使用生命周期内不会损坏，而有损长叶片寿命大大降低，在实际使用中指定位置应避免产生裂纹。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号对照表
• 第1章 引言
• 1.1 研究内容
• 1.2 论文各章主要内容
• 第2章 疲劳分析基本理论与方法
• 2.1 疲劳问题基本概念与分类
• 2.1.1 无损疲劳
• 2.1.2 有损疲劳
• 2.2 影响疲劳寿命因素
• 2.3 疲劳计算方法选取
• 2.3.1 应力疲劳与应变疲劳
• 2.3.2 单轴疲劳与多轴疲劳
• 2.4 基于有限元的疲劳分析流程
• 2.5 本章小结
• 第3章 汽轮机叶片轮槽有限元模型强度计算
• 3.1 长叶片有限元模型
• 3.1.1 模型建立与简化设置
• 3.1.2 边界条件与载荷
• 3.1.3 分析步设置
• 3.2 长叶片有限元模型强度计算
• 3.2.1 应力强度准则
• 3.2.2 离心力作用下叶片强度计算
• 3.2.3 离心力与稳态汽流力共同作用下叶片强度计算
• 3.2.4 汽流激振力作用下叶片强度计算
• 3.3 本章小结
• 第4章 材料疲劳特性试验
• 4.1 常温力学性能试验
• 4.2 材料 SN 曲线疲劳实验
• 4.2.1 实验方法
• 4.2.2 数据处理
• 4.3 本章小结
• 第5章 叶片疲劳寿命计算与分析报告
• 5.1 有限元结果输出处理
• 5.2 无损叶片应力疲劳寿命分析
• 5.2.1 离心力作用下叶片寿命计算
• 5.2.2 汽流激振力作用下叶片寿命计算
• 5.3 无损应变疲劳寿命分析
• 5.3.1 材料选取
• 5.3.2 弹塑性考虑
• 5.3.3 双轴效应评估
• 5.3.4 应变疲劳寿命计算
• 5.4 有损叶片疲劳寿命分析
• 5.4.1 断裂计算模型与数据准备
• 5.4.2 含圆坑初始微裂纹寿命计算
• 5.4.3 含刻痕初始微裂纹寿命计算
• 5.5 本章小结
• 第6章 全文总结
• 6.1 主要成果
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果