本文以国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目“基于温度直接检测和‘损伤-力学’耦合分析的(超)超临界汽轮机转子寿命评价技术”为课题研究背景。针对汽轮机转子低周疲劳寿命评价中存在的若干关键性问题,本文进行了详细的试验和理论研究。在此基础上,结合国内外金属结构完整性规范,提出了一种适用于汽轮机转子低周疲劳寿命评价的常规体系,考虑到工程应用中可能出现的特殊情况,提出了两种简化的汽轮机转子低周疲劳寿命评价体系。首先,针对汽轮机转子热应力分析中热力学边界条件设置问题,本文提出使用红外辐射测温方式直接测量转子表面温度,为转子热应力的计算提供第一类边界条件。研究了红外辐射测温技术在汽轮机上应用的影响因素,确定转子表面发射率是关键性因素。为此,建立了测量转子钢表面发射率的实验装置,并研究了在高参数水蒸气环境下氧化后的转子钢试样表面发射率及其对红外测温的影响。结果表明：可以采用设置固定发射率的方式使用红外测温技术测量转子表面温度。为避免红外测温装置受到汽缸内高参数水蒸气的干扰,需要设置一个光学视窗将红外测温装置隔离开来。高参数水蒸气试验结果显示：石英玻璃受高参数水蒸气作用,表层形成的羟基对红外测温的精度有很大的影响,石英玻璃不适合作为高参数水蒸气下的视窗材料,而人造蓝宝石材料是光学视窗理想的选择。最后,提出使用过渡熔焊封接技术实现蓝宝石玻璃与金属基管的密封连接,通过数值计算验证了该方案的可行性,并完成了测温探针样机的设计。第二,在汽轮机内部,汽缸-蒸汽-转子组成了一个完整的热力学系统。该系统复杂的几何结构和多场耦合特性给传统的转子温度场数值计算带来很大的难度。针对该问题,本文将汽缸-蒸汽-转子视为孤立系统,采用简单模型分析了使用商业软件计算汽缸-蒸汽-转子系统热-流-固耦合问题的可行性,然后,给出了经过叶栅结构简化的汽轮机汽缸-蒸汽-转子模型,计算了变工况过程中系统的温度场,该温度场数据可以用于转子的热应力分析。第三,汽轮机转子钢材料的低周疲劳试验和静力学试验数据是对转子进行寿命评价的基础。为丰富我国现役(超)超临界汽轮机转子钢高温低周疲劳试验数据,本文对五种国产(超)超临界汽轮机转子钢(包括两种30Cr1Mo1V和三种精炼12Cr)进行了540℃和593℃的控制应变的低周疲劳试验和静拉伸试验,给出了材料的低周疲劳特性(如应变-寿命关系、维氏硬度和循环软化特性等)和静力学特性(如弹性模量、屈服强度、抗拉强度等参数)。结果表明,经过低周疲劳试验后,上述材料的维氏硬度分别降低了15(540℃)和20(593℃),材料表现出明显的循环软化特性。对试验数据分析后,得出了循环弹性模量E*、循环强度系数K和循环应变硬化系数n随循环周次的变化规律。研究了弹性模量修正前后寿命估算结果与试验数据的差异,结果表明：540℃时,弹性模量的修正有助于疲劳寿命估算精度的提高,而在593℃时,这种修正对估算精度的提高没有显著影响。该研究为此类转子钢的低周疲劳寿命评价提供了基础的试验数据,第四,在缺少疲劳试验数据时,可以采用静力学参数估算材料的应变-寿命关系。本文结合9种常用转子钢试验数据,比较了包括四点关联法、通用斜率法和中值法在内的9种估算材料应变-寿命方法的精度。在双对数坐标系下,对这9种方法进行线性修正,提高了估算的精度。在对试验数据分析的基础上,将Manson-Coffin公式中弹性项系数与温度相关联,基于中值法提出了一种考虑温度参数的新的应变-寿命估算方法,称为温度修正法。使用试验数据对该方法进行了验证,结果表明,温度修正法具有较高的估算精度,可以用于转子钢高温低周疲劳寿命估算。另外,在工程应用时,欲获得结构的S-N曲线,必须对材料S-N曲线进行修正。本文根据参数灵敏度分析理论,研究了修正参数(如应力集中系数Kt、尺寸系数CD、疲劳缺口敏感系数q、表面加工系数CS和抗拉强度σb等)的扰动对疲劳强度的影响,结果表明：疲劳强度对参数CS、CD和气的灵敏度因子最高,建议慎重选择这些参数的基准值；q的扰动对疲劳强度影响很小,按照相关手册中的经验数据选取即可；建议通过数值分析和弹塑性理论相结合的方法计算获得Kt。该研究对材料S-N曲线修正参数的经验选择提供了理论参考。最后,在前述关键问题研究成果的基础上,本文提出了一种适合工程应用的汽轮机转子低周疲劳全寿命常规评价体系。该体系借鉴了国外金属结构完整性评价规范(如R6)的方法,并充分考虑了我国电站汽轮机疲劳寿命评价导则的内容。该体系主要包括：寿命评价所需要的转子资料的准备、现役转子状态的评估、载荷谱的制定、寿命评价判据、裂纹的形成寿命和扩展寿命计算方法以及寿命评价报告的内容等。针对工程应用中可能出现的特殊情况,进一步给出了两种简化的汽轮机转子疲劳寿命评价体系。