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

Empa 的服務(wù)周期部件特征樣品 TMF 測試方法需要一個(gè)如下測試系統(tǒng)：能夠在同一周期內(nèi)從機(jī)械應(yīng)變切換至負(fù)載控制，同時(shí)能夠疊加高頻振動(dòng)。

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

用于驗(yàn)證創(chuàng)新型渦輪機(jī)使用壽命預(yù)測之先進(jìn)的 TMF 技術(shù)

如今的燃?xì)饧罢羝麥u輪機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)械疲勞的損傷。當(dāng)然，所有這些改進(jìn)都必須在不影響運(yùn)營成本或可靠性的情況下完成。

為了達(dá)到這些目標(biāo)，設(shè)計(jì)理念需要不斷改變。因此，對于準(zhǔn)確地預(yù)測渦輪機(jī)部件的使用壽命來說，傳統(tǒng)的使用壽命估計(jì)方法不再總是最佳選擇。這就需要各種新方法，但是新方法必須在獲得制造商和最終用戶的信任之前進(jìn)行測試和驗(yàn)證。

率先在這一領(lǐng)域取得發(fā)展的實(shí)驗(yàn)室是 Empa，一個(gè)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(jìn)行熱機(jī)械疲勞 (TMF) 測試，Empa 研究人員能夠模擬貼近實(shí)際的渦輪機(jī)操作條件并驗(yàn)證新預(yù)測方法的有效性。

Empa 高溫完整性小組組長 Stuart Holdsworth 博士說：“TMF 測試一直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(jìn)材料變形和損傷模型概念的基礎(chǔ)，最重要的是，確定用于預(yù)測部件使用壽命的新高溫評(píng)估程序的有效性基準(zhǔn)。”

新渦輪機(jī)內(nèi)部件的設(shè)計(jì)旨在盡可能熱的狀態(tài)下運(yùn)行 - 所以會(huì)保證盡可能有效 - 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(shí)變損傷過程，及其對疲勞損傷累積產(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(fù)載及高溫條件下受控時(shí)如何反應(yīng)。但是，這并不能準(zhǔn)確地反映實(shí)際的渦輪機(jī)工作負(fù)載切換情況，其中負(fù)載和溫度都在波動(dòng)。

Holdsworth 說：“隨著 20 世紀(jì) 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(jī)組，更靈活的操作以及客戶渦輪機(jī)啟動(dòng)/停止次數(shù)的期望方面的要求不斷增加。今天，此類需求更加嚴(yán)格。”

同樣地，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的占空比也在不斷變化。此類發(fā)動(dòng)機(jī)用于起飛和著陸之間相隔時(shí)間較短的短途及支線飛機(jī)。這些飛機(jī)具有較短的機(jī)翼和較窄的機(jī)體，因此與較大的長途飛機(jī)中的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，這些飛機(jī)中的發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)遇到更多不同的振動(dòng)應(yīng)力情況。

由于這一系列日新月異的占空比，渦輪機(jī)制造商很難自信地預(yù)測每個(gè)渦輪機(jī)部件將持續(xù)多長時(shí)間。了解“最薄弱環(huán)節(jié)”，有助于制造商避免“過度設(shè)計(jì)”，優(yōu)化新設(shè)計(jì)的可靠性，并制定側(cè)重于潛在弱點(diǎn)的有效維護(hù)計(jì)劃。

這就是 Holdsworth 及其團(tuán)隊(duì)不僅想出一種創(chuàng)新方法來進(jìn)行高溫渦輪機(jī)部件評(píng)估（該評(píng)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(yàn)證預(yù)測的基準(zhǔn)的原因所在。

該分析技術(shù)遵循迭代過程，從特定渦輪機(jī)部件的初始蠕變疲勞評(píng)估開始。先進(jìn)的非線性有限元素分析可用于確定工作負(fù)載切換期間這些部件中的應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)以及關(guān)鍵位置。基于這些信息，該團(tuán)隊(duì)可以作出關(guān)于部件使用壽命的預(yù)測。

為了確定這些預(yù)測的準(zhǔn)確性，Holdsworth 的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種服務(wù)周期部件特征樣品 TMF 測試方法，這種方法能夠復(fù)制在初始分析中確定之實(shí)際部件上的相同熱應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)及機(jī)械應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)。然后，重復(fù)進(jìn)行此過程，所得結(jié)果用來優(yōu)化分析過程，直至它能夠準(zhǔn)確地預(yù)測使用壽命得到驗(yàn)證。

為了進(jìn)行測試，Empa 實(shí)驗(yàn)室使用 MTS 的兩個(gè)伺服液壓測試系統(tǒng)，而這兩個(gè)系統(tǒng)都能夠運(yùn)行復(fù)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(gè)獨(dú)特方面。

首先，能夠在實(shí)際渦輪機(jī)操作條件下準(zhǔn)確地再現(xiàn)部件的關(guān)鍵位置應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)。要做到這一點(diǎn)，測試必須在同一周期內(nèi)從機(jī)械應(yīng)變控制切換至負(fù)載控制，而此操作需要前所未有的靈活性。先進(jìn)的補(bǔ)償技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)精確的伺服閥控制。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(gè)具有兩種單獨(dú)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(yīng)力/應(yīng)變條件下疊加高頻振動(dòng)以進(jìn)行模擬，例如，疊加在循環(huán)離心負(fù)載上的渦輪機(jī)機(jī)翼上的氣體彎曲負(fù)載。機(jī)翼上出現(xiàn)氣體壓力變化是由于運(yùn)動(dòng)和靜止葉片的循環(huán)交互，而循環(huán)離心負(fù)載則是渦輪機(jī)運(yùn)行負(fù)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(dòng)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 獨(dú)特的 TMF 測試方法的最終受益者是燃?xì)饧罢羝麥u輪機(jī)部件和結(jié)構(gòu)的制造商，以及利用這些部件和結(jié)構(gòu)的飛機(jī)和電廠運(yùn)營商。由于 Empa 目前能夠得出并驗(yàn)證更準(zhǔn)確的使用壽命預(yù)測，而這些預(yù)測與渦輪機(jī)將如何進(jìn)行實(shí)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(shè)計(jì)，而最終用戶同樣有信心渦輪機(jī)將滿足其對性能、可靠性、有效性和安全性的需求。

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