空冷风机-结构耦合系统微动疲劳可靠性研究

Air-cooling technique is widely used in power plants due to its great advantage for water conservation. In the long term service of an air-cooling structure，the fretting fatigue damage and fracture induced by the vibration of mechanical fans are its major failure mechanisms. On the basis of recorded structural responses， blade/structure coupled FEM models will be established， and a stochastic function model for disturbing forces of the fans will then be developed via the inverse probability density evolution equation. Moreover，we are going to conduct fretting fatigue tests and SEM observation to develop the P-S-N life model and discover the fatigue damage and failure modes for bolted connections. FEM simulation will be employed to analyze the factors affecting the fretting fatigue life. In addition，fretting fatigue reliability of the coupled air-cooling structure will be evaluated in terms of the fatigue damage evolution method， and corresponding design method will also be proposed. The expected findings would provide not only a scientific method for the engineering design of air-cooling structures， but also new ways to fulfill vibration equipment-structure modelling，load inversion and fretting fatigue damage evaluation.

空冷技术显著的节水优势使其得到了业界广泛的关注和应用。风机振动导致高强螺栓连接部位发生微动疲劳损伤和断裂是长期运行过程中空冷结构的主要失效模式。在现场实测结构振动响应的基础上，建立风机叶片-结构相互作用模型，采用倒向概率密度演化方程构建风机扰力随机函数模型。通过微动疲劳试验和断口扫描电镜观察建立高强螺栓连接板的概率微动疲劳寿命模型，揭示其微动疲劳损伤演化机理，并基于有限元模拟进行微动疲劳寿命主要影响因素的参数分析。进而，采用疲劳损伤概率密度演化方法开展耦合结构可靠度分析，提出工程设计方法。预期研究成果对保障空冷结构长期运行安全具有重要的工程应用价值。同时，对于拓展振动设备-结构耦合建模方法、丰富荷载反演理论和微动疲劳损伤可靠度方法具有重要的科学意义。

空冷技术由于采用空气代替水作为介质实现热交换，具有显著的节水效益。因此，国家规定在富煤缺水地区建设火电项目必须采用空冷机组。针对大型空冷风机振动所引起的支撑结构损伤及疲劳失效问题，本课题在五次方流型的基础上建立了风机叶片模型，分析了其振动特性，并对风机进行流固耦合分析，得到风机不同运转状态下气流对叶片的作用。发现叶片的振型主要有挥舞、摆振和扭转三种。风机-桥架耦合系统的前六阶振型则呈现出单个叶片挥舞振动，且前六阶振动频率与单个叶片的一阶频率接近。单向流固耦合分析表明，风速不同时气动荷载的分布规律相似，最大值均在叶尖附近位置。随着风速的增加，气动荷载的最大值也在增加。继而，以现场实测振动响应为反演目标识别出风机扰力，建立风机扰力的随机函数模型。随着风机转速的增加，振动响应功率谱的幅值也在增加，其振动响应也在增大，体现了桥架振动的窄带随机特性。然后，通过试验和数值模拟的方法研究空冷结构摩擦型高强螺栓连接（疲劳热点部位）的微动失效机理，建立基于连续损伤力学的裂纹萌生模型以及裂纹扩展模型（基于SEAM和扫描裂纹），模拟结果与试验结果吻合较好，预紧力、循环应力、摩擦系数以及粗糙度均与萌生寿命呈正相关，扩展寿命则主要受应力强度因子范围影响。进而，基于Archard理论建立了微动磨损模型。分析表明，磨损主要发生在部分滑移区，磨损导致该区域的法向应力与切向应力均有所提高。最后，利用雨流计数法统计循环次数，开展空冷结构微动疲劳可靠性分析，建立相应的工程分析理论和设计方法。本课题研究成果对于完善空冷结构设计内容，保障电厂安全、经济运行具有重要的工程应用价值。同时，相关研究方法和结论对于开展风机-结构相互作用建模、揭示摩擦型高强螺栓连接疲劳破坏机理、丰富荷载反演理论及疲劳可靠度分析方法也具有重要的理论意义。