Stuart Holdsworth 博士和 Empa 研究人員正在采用一種創(chuàng)新型 TMF（熱機械疲勞）方法，來模擬貼近實際的渦輪機操作條件并驗證新預測方法的有效性。



Empa 的服務周期部件特征樣品 TMF 測試方法需要一個如下測試系統(tǒng)：能夠在同一周期內(nèi)從機械應變切換至負載控制，同時能夠疊加高頻振動。



靈活的編程環(huán)境允許創(chuàng)建高度定制的波形，以及一個具有兩種單獨控制模式的單一多段循環(huán)。

用于驗證創(chuàng)新型渦輪機使用壽命預測之先進的 TMF 技術(shù)

如今的燃氣及蒸汽渦輪機設計正在解決幾十年前并不存在的各種挑戰(zhàn)。更高的效率需要更高的操作溫度以及能夠在這些條件下抗氧化和蠕變的材料。更靈活的占空比意味著這些材料還必須抵抗熱機械疲勞的損傷。當然，所有這些改進都必須在不影響運營成本或可靠性的情況下完成。

為了達到這些目標，設計理念需要不斷改變。因此，對于準確地預測渦輪機部件的使用壽命來說，傳統(tǒng)的使用壽命估計方法不再總是*選擇。這就需要各種新方法，但是新方法必須在獲得制造商和zui終用戶的信任之前進行測試和驗證。

在這一領域取得發(fā)展的實驗室是 Empa - 一個位于蘇黎世附近城市迪本多夫的瑞士聯(lián)邦研究所。采用一種創(chuàng)新方法進行熱機械疲勞 (TMF) 測試，Empa 研究人員能夠模擬貼近實際的渦輪機操作條件并驗證新預測方法的有效性。

Empa 高溫完整性小組組長 Stuart Holdsworth 博士說：“歷來，TMF 測試都被用于測試材料特性。我們還使用此類測試的結(jié)果來構(gòu)建先進材料變形和損傷模型概念的基礎，zui重要的是，確定用于預測部件使用壽命的新高溫評估程序的有效性基準。”

新渦輪機內(nèi)部件的設計旨在盡可能熱的狀態(tài)下運行 - 因而盡可能有效 - 但是組分材料的熱量也不得超過屬性限制。為了避免在高溫下過早損壞，必須充分考慮諸如蠕變和氧化之類的時變損傷過程，及其對疲勞損傷累計產(chǎn)生的相互影響。

簡單的蠕變或蠕變疲勞研究專注于材料在穩(wěn)定的高負載及高溫條件下受控時如何反應。但是，這并不能準確地反映實際的渦輪機工作負載切換情況，其中負載和溫度都在波動。

Holdsworth 說：“隨著 20 世紀 90 年代兩班制作業(yè)的趨勢與日俱增，以及隨后越來越多地采用聯(lián)合循環(huán)機組，如下兩個方面的需求也不斷增加：更靈活的操作以及客戶渦輪機啟動/停止數(shù)量的期望。今天，此類需求更加嚴格。”

同樣地，噴氣式發(fā)動機的占空比也在不斷變化。此類發(fā)動機用于起飛和著陸之間的時間較短的短途及支線飛機。這些飛機具有較短的機翼和較窄的機體，因此，與較大的長途飛機中的發(fā)動機相比，這些飛機中的發(fā)動機會遇到更多不同的振動應力情況。

由于這一系列日新月異的占空比，渦輪機制造商很難自信地預測每個渦輪機部件將持續(xù)多長時間。了解“zui薄弱環(huán)節(jié)”，有助于制造商避免“過度設計”，優(yōu)化新設計的可靠性，并制定側(cè)重于潛在弱點的有效維護計劃。

這就是 Holdsworth 及其團隊不僅想出一種創(chuàng)新方法來進行高溫渦輪機部件評估（該評估涉及非線性有限元素部件分析），而且制定出一種有效手段來確定用于測試和驗證預測的基準的原因所在。

該分析技術(shù)遵循迭代過程，從特定渦輪機部件的初始蠕變疲勞評估開始。先進的非線性有限元素分析用于確定工作負載切換期間這些部件中的應力/應變狀態(tài)以及關(guān)鍵位置?；谶@些信息，該團隊可以作出關(guān)于部件使用壽命的預測。

為了確定這些預測的準確性，Holdsworth 的團隊開發(fā)出一種服務周期部件特征樣品 TMF 測試方法，這種方法能夠復制在初始分析中確定之實際部件上的相同熱應力/應變狀態(tài)及機械應力/應變狀態(tài)。然后，重復進行此過程，所得結(jié)果用來優(yōu)化分析過程，直至它能夠準確地預測使用壽命得到驗證。

為了進行測試，Empa 實驗室使用 MTS 的兩個伺服液壓測試系統(tǒng)，而這兩個系統(tǒng)都能夠運行復雜的 TMF 測試。這些系統(tǒng)及其配件、數(shù)字控制器的功能和軟件架構(gòu)都能夠滿足 Empa TMF 測試方法的兩個*方面。

首先，能夠在實際渦輪機操作條件下準確地再現(xiàn)部件的關(guān)鍵位置應力/應變狀態(tài)。要做到這一點，測試必須在同一周期內(nèi)從機械應變控制切換至負載控制，而此操作需要的靈活性。先進的補償技術(shù)可以實現(xiàn)的伺服閥控制。此外，MTS TestSuite™ 軟件不僅允許操作員創(chuàng)建高度定制的波形（其中包括坡道的正確順序），而且允許操作員創(chuàng)建一個具有兩種單獨控制模式的單一多段循環(huán)。

其次，能夠在相對低頻的循環(huán)應力/應變條件下疊加高頻振動以進行模擬，例如，疊加在循環(huán)離心負載上的渦輪機機翼上的氣體彎曲負載。機翼上出現(xiàn)氣體壓力變化是由于運動和靜止葉片的循環(huán)交互，而循環(huán)離心負載則是渦輪機運行負載條件的結(jié)果。此外，MTS 測試解決方案的控制架構(gòu)可提供將這些振動添加到 TMF 測試所需的處理速度和編程靈活性，并創(chuàng)建高度逼真的模擬。

Empa *的 TMF 測試方法的zui終受益者是燃氣及蒸汽渦輪機組件和結(jié)構(gòu)的制造商，以及利用這些組件和結(jié)構(gòu)的飛機和電廠運營商。由于 Empa 目前能夠得出并驗證更準確的使用壽命預測，而這些預測與渦輪機將如何實際操作相符，因此，制造商可以充滿自信地開發(fā)并優(yōu)化新設計，而zui終用戶同樣有信心渦輪機將滿足其對性能、可靠性、有效性和安全性的需求。

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