客户挑战
今天的燃气轮机和蒸汽轮机的设计正在解决几十年前不存在的挑战。更高的效率需要更高的工作温度和在这些条件下能够抵抗氧化和蠕变的材料。更灵活的任务循环意味着这些材料还必须抵抗热机械疲劳造成的损坏。当然，所有这些改进都必须在不影响运营成本或降低可靠性的情况下进行。
为了实现这些目标，设计理念正在发生变化。因此，传统的使用寿命估算方法并不总是准确预测涡轮机部件使用寿命的最佳选择。需要新的方法，但必须先对其进行测试和验证，然后制造商和最终用户才能信任它们。
Empa是该领域的一个开创性发展实验室，这是一家位于苏黎世附近Dübendorf的瑞士联邦研究机构。Empa研究人员使用创新的热机械疲劳（TMF）测试方法，能够以高保真度模拟接近实际的涡轮机运行条件，并验证新预测方法的有效性。
研究人员使用TMF技术来有效预测涡轮机的使用寿命。
“TMF测试传统上用于材料表征，”Empa高温完整性小组负责人Stuart Holdsworth博士说。“我们正在使用此类测试的结果，为先进的材料变形和损伤建模奠定基础，最重要的是，为预测组件寿命的新高温评估程序的有效性设定基准。
新涡轮机中的组件被设计运行于尽可能高的温度 - 从而尽可能高效地运行 - 但温度不能超过组成材料的性能限制。为了避免在高温下过早失效，有必要充分考虑蠕变和氧化等随时间变化的损伤过程，以及它们对疲劳损伤累积的交互影响。
简单的蠕变或蠕变疲劳研究侧重于材料在恒定的高负载和高温下的反应。但这并不能准确反映实际的涡轮机工作负载，即负载和温度会发生波动。
Holdsworth说：“随着20世纪90年代两班制操作的趋势日益增加，以及随后联合循环机组的采用增加，对更加灵活的操作和提升涡轮机启/停次数的需求也随之增加。“今天，这些要求更加苛刻。
同样，喷气发动机的任务循环也在发生变化。短途和支线飞机中使用的发动机在起飞和着陆之间的时间更短。这些飞机较短的机翼和较窄的机身意味着发动机遇到与大型长途飞机中的发动机截然不同的振动应力条件。
由于这种不断变化的任务循环阵列，涡轮机制造商很难自信地预测每个涡轮机组件将持续多长时间。了解“最薄弱环节”使制造商能够优化新设计的可靠性，并建立有效的维护计划，重点关注潜在的脆弱点。
这就是为什么Holdsworth和他的团队设计了一种创新的高温涡轮机部件评估方法，包括非线性有限元分析和蠕变疲劳损伤分析，以及一种有效的方法来基准测试和验证预测。
分析技术是一个迭代过程，从特定涡轮机部件的初始蠕变疲劳评估开始。高级非线性有限元分析用于确定这些组件在服役期间的应力/应变状态和关键位置。然后，团队可以根据此信息预测组件的使用寿命。
为了确定这些预测的准确性，Holdsworth的团队开发了一种TMF测试方法，该方法可以复制服役周内与实际组件初始分析相同的热和应力/应变状态。然后重复此过程，得到的结果用于优化分析过程，直到验证以准确预测使用寿命。
MTS 解决方案
为了进行测试，Empa实验室使用MTS的两个伺服液压测试系统，能够运行复杂的TMF测试。这些系统的功能、附件以及数字控制器和软件架构适应了 Empa TMF 测试方法的两个独特方面。
首先是能够在实际涡轮机运行条件下再现组件的关键位置应力/应变状态。为此，测试必须在同一周期内从应变控制切换到载荷控制，这需要前所未有的灵活性。先进的补偿技术提供了切换控制模式所需的精确伺服阀控制。此外，MTS TestSuite™ 软件允许操作员创建高度定制的波形，其中包含正确的斜坡和保持顺序，以及创建具有两种独立控制模式的单个多段循环。
MTS TestSuite 软件允许测试设计人员创建自定义的波形。
第二种是能够在相对低频的循环应力/应变条件下叠加高频振动，以模拟例如叠加在循环离心载荷上的涡轮机翼上的气体弯曲载荷。翼型上气体压力的变化是由于移动叶片和静止叶片的循环相互作用，而循环离心载荷是涡轮机工作条件的结果。同样，MTS测试解决方案的控制架构提供了将这些振动添加到TMF测试中所需的处理速度和编程灵活性，并创建了高度逼真的仿真。
客户利益
Empa独特的TMF测试方法的最终受益者是燃气和蒸汽轮机组件和结构的制造商，以及部署它们的飞机和发电厂运营商。由于Empa现在可以生成和验证更准确的使用寿命预测，这些预测与涡轮机的实际运行方式一致，因此制造商可以充满信心地开发和优化新设计，最终用户也可以同样确信涡轮机将满足他们对性能，可靠性，效率和安全性的要求。
