用于估计旋转组件的消耗的寿命的方法与流程

用于估计旋转组件的消耗的寿命的方法
1.相关申请的交叉引用本专利申请要求来自2020年12月11日提交的编号为20213606.5的欧洲专利申请的优先权，其整个公开通过引用并入本文中。
技术领域
2.本发明涉及用于估计旋转组件的消耗的寿命（life）的方法。
3.旋转组件是旋转机器（尤其是诸如燃气涡轮、蒸汽涡轮、涡轮式发电机、水力发电机或类似物之类的大型旋转机器）的一部分。


背景技术：

4.在下文中，特别参考诸如燃气涡轮之类的旋转机器；类似考虑无论如何都可应用于其它种类的旋转机器，诸如蒸汽涡轮、涡轮式发电机或水力发电机等。
5.燃气涡轮具有压缩机、燃烧室和涡轮；压缩机和涡轮具有多个级，每个级包括桨叶（vane）和转子叶片。转子叶片连接到转子并且由转子支撑。燃气涡轮常常具有从压缩机延伸到涡轮的一个转子，具有对于压缩机和涡轮的单独转子的其它配置无论如何都是可能的。
6.在操作期间，由于热应力和机械应力，转子经历退化（degradation）。为了监测这个退化，通常定义对于转子的使用寿命（lifetime）（即，转子能够操作的最大寿命）并且计算由于操作而消耗的转子寿命。当转子使用寿命完全被消耗时，转子被废除并且被替换。
7.消耗的转子寿命取决于多个因素，主要是转子温度和负载。作为对于转子温度的参考，可采取循环通过燃气涡轮的气体（压缩空气或者热气体）的温度和/或周围温度。
8.传统地，为了计算在操作期间消耗的转子寿命，测量循环通过燃气涡轮的气体的温度（压缩空气和/或热气体温度），从而基于气体温度，计算转子金属温度；然后基于假定的材料性质，计算消耗的寿命。
9.然而，这个传统的方法依赖于关于气体（压缩空气或者热气体）温度和转子温度之间的关系的假定，并且依赖于关于转子温度和消耗的转子寿命之间的关系的假定。还要求关于转子材料性质的附加假定。必须考虑到最坏的条件来作出所有那些假定，因此，根据这些传统的方法估计的消耗的转子寿命经证明是非常保守的。


技术实现要素：

10.本发明的方面包括提供用于估计旋转组件的消耗的寿命的方法，所述方法不依赖于例如关于气体温度与转子温度之间的关系或者转子温度与消耗的转子寿命之间的关系的假定，或者也不依赖于关于转子材料性质的假定，但是所述方法基于局部蠕变伸长（local creep elongation）的多次测量。
11.有利地，局部蠕变伸长可提供包括热应力（被关联（link）到周围温度和负载，其转而被关联到压缩空气温度和热气体温度）的关于转子操作的历史的信息和/或关于转子机
械应力（离心力和转矩）的信息和/或关于材料性质的信息，而无需任何假定，其可能是不正确的。
12.有利地，相比于传统方法，本发明的方法更加精确。这些和另外的方面通过提供根据所附权利要求的方法来实现。
附图说明
13.根据通过附图中非限制性示例的方式图示的方法的优选的但是非排他性的实施例的描述，另外的特性和优点将更加明白，其中：图1示出实现本发明的方法的燃气涡轮的示例；图2是将组合蠕变伸长关联到转子消耗的寿命的第二关系的图形表示。
具体实施方式
14.组件优选地是旋转机器的转子，并且旋转机器是例如燃气涡轮和/或蒸汽涡轮和/或涡轮式发电机和/或水力发电机。在下文中，参考燃气涡轮。
15.参照附图，这些示出具有压缩机2、燃烧室3和涡轮4的燃气涡轮1。压缩机2和涡轮4连接到转子6。
16.参考10、11、12、13指示针对所述方法的实现所涉及的不同的位置（转子6的参考横截面）。显然，可根据要求来选择参考位置或者横截面，但是优选地，它们可包括压缩机2的中间轴位置处的第一横截面10、压缩机2的出口处的第二横截面11、与燃烧器3对应（in correspondence of）的第三横截面12、涡轮4的入口处的第四横截面13。
17.在下文中将参考这些定义：
‑ꢀ
蠕变应变：在组件的任何位置处（即，一般位置处）的点状（punctual）变形，这是材料性质；
‑ꢀ
极限蠕变应变（limit creep strain）：在组件的任何位置处（即，一般位置处）的最大允许蠕变应变，当蠕变应变在组件的任何位置处（即，一般位置处）达到极限蠕变应变时，组件使用寿命被认为完全消耗；
‑ꢀ
局部蠕变伸长：在组件的给定横截面处的径向永久变形或者蠕变伸长；这通常取决于温度（周围温度、气体温度）和负载；
‑ꢀ
组合蠕变伸长：由给定公式计算的值，并且它指示作为整体的局部蠕变伸长，并且因此指示由组件材料温度（取决于周围温度和负载）、机械应力以及还有材料性质引起的应力。组合蠕变伸长理想地独立于组件的操作条件，例如，它独立于温度和负载。
18.为了估计组件的剩余的寿命，首先定义组件使用寿命。
19.组件使用寿命是对于组件所允许的最大寿命；使用寿命在操作期间被消耗，并且当它完全被消耗时，替换组件。使用寿命是给定值；例如，对于组件，它可被提前预定义为保证的小时数，或者对于iso条件下的新组件，它可以是等价的小时数（即，对于在给定条件下操作的组件的给定小时数）；在下文中参考例如对于新燃气涡轮转子的120000小时。已经使用的组件的使用寿命通常低于新组件的使用寿命，并且例如它可以是原始的使用寿命（即，新组件的使用寿命）减去由于先前操作所引起的消耗的寿命。
20.所述方法包括提供在组件的多个位置处测量的局部蠕变伸长与组合蠕变伸长之
间的第一关系，所述组合蠕变伸长基本上与操作条件无关地指示组件蠕变伸长。
21.组件的操作引起局部蠕变伸长，其通常取决于操作条件，诸如气体温度（周围温度或者通过燃气涡轮的气体的温度，例如在压缩机的出口处的空气温度和/或在涡轮的入口或出口处的热气体温度）和负载。组合蠕变伸长独立于操作条件地关联到局部蠕变伸长，即：
‑ꢀ
不同的操作条件导致不同的局部蠕变伸长，但是
‑ꢀ
相同的局部蠕变伸长独立于已经引起局部蠕变伸长的操作条件而基本上导致相同的组合蠕变伸长。
22.在这方面，“基本上”意味着根据要求的精确度，某个浮动（play）是允许的；这个浮动可通过增加局部蠕变伸长的测量的数量来降低。例如，在不同操作条件下计算的组合蠕变伸长可以在参考组合蠕变伸长的
±
10%或
±
5%或
±
3%或
±
7%或
±
4%或
±
2%的范围中。经发现，在最多3次测量局部蠕变伸长的情况下，组合蠕变伸长处于参考组合蠕变伸长的
±
10%或
±
5%或
±
3%的范围中，而四次或更多次测量局部蠕变伸长允许处于参考组合蠕变伸长的
±
7%或
±
4%或
±
2%范围中的组合蠕变伸长的计算。
23.因此，根据所述方法，在组件的多个位置处（如同例如在横截面10到13处）测量局部蠕变伸长。
24.基于测量的局部蠕变伸长，可计算组合蠕变伸长。
25.因此，提供了组合蠕变伸长与组件的消耗的寿命之间的第二关系，并且基于这个第二关系和计算的组合蠕变伸长，计算消耗的寿命。
26.一旦消耗的寿命是已知的，就可基于初始定义的使用寿命和消耗的寿命来计算剩余的组件寿命。
27.第一关系优选是线性方程，诸如其中：
‑ꢀ
：是组合蠕变伸长；
‑ꢀ
：是系数；
‑ꢀ
：是局部蠕变伸长，其随诸如温度（周围温度和/或气体温度等）和负载之类的操作条件而变化。
28.考虑到下列来计算系数：在不同操作条件下操作组件达等于使用寿命的时间之后，消耗的寿命必须始终等于使用寿命。
29.因此，首先定义对于组件的多个操作条件，例如设置周围温度和负载；同样提供使用寿命，例如120000小时。
30.因此，假定组件已经操作达等于其使用寿命的时间，确定不同位置处的局部蠕变伸长。例如，可在已经存在的组件上测量局部蠕变伸长或者可使用模拟软件来计算局部蠕变伸长。在预定义的使用寿命下（例如在120000小时的操作之后），针对操作条件中的每个操作条件执行测量或者计算。
31.因此，提供了参考组合蠕变伸长；这样的参考组合蠕变伸长可以是任何的，并且它的特定值不改变消耗的组件寿命估计的结果，因为它仅在操作组件达其整个使用寿命之后
才定义对于组合蠕变伸长的数字参考值。
32.因此，可使用测量的局部蠕变伸长或者计算的局部蠕变伸长以及参考组合蠕变伸长来计算线性方程的系数。
33.考虑下列来定义第二关系：在组件寿命的终点（end）处，组件的一般位置处的蠕变应变达到极限蠕变应变。因此，基于组件蠕变应变指示组件寿命的终点的条件被定义，并且对于组件的多个操作条件也被提供。
34.因此，在操作组件一直到其使用寿命的终点期间，利用模拟软件来计算针对操作条件中的每个操作条件的组件蠕变应变和局部蠕变伸长。
35.因此，可将消耗的寿命关联到蠕变应变，并且因此关联到局部蠕变伸长，并且因此关联到组合蠕变伸长。
36.可将这个第二关系提供为图形表示或者提供为查找表或方程或函数。
37.优选地，当转子从旋转机器取出（extract）时，在服务期间测量局部蠕变伸长。这允许局部蠕变伸长的简单和精确的测量。
38.示例1在下文中，解释了根据本发明的方法的计算的示例。参考燃气涡轮的转子；参照图1，在位置10到13处测量局部蠕变伸长。当转子从外壳（casing）取出时，通常在服务期间实现所述方法。无论如何都清楚的是，也可通过线上测量局部蠕变伸长在转子操作期间实现所述方法。
39.首先定义组件的初始使用寿命；将组件在其第一次操作时看作新转子，使用寿命通常被定为120000小时。
40.因此，提供关于位置10到13的第一关系。作为示例，第一关系可以是其中，ur
10
、ur
11
、ur
12
、ur
13
是分别在位置（即，横截面）10、11、12、13处测量的局部蠕变伸长。
41.因此，局部蠕变伸长被测量，例如其中结果在下表中：位置10位置11位置12位置130.07mm0.029mm0.33mm0.39mm因此，计算组合局部蠕变伸长，并且利用上图可获得。
42.然后，参照第二关系，可计算消耗的寿命。图2以图的形式再现第二关系的示例；根据这个图，可以得到的是，对于0.95mm的组合蠕变伸长，消耗的寿命是10000小时。
43.一旦消耗的寿命是已知的，剩余的组件寿命也可被计算为使用寿命与消耗的寿命之间的差；在本示例中，剩余的组件寿命是110000小时。
44.示例2在下文中，描述确定第一关系的示例。第一关系采用以下形式。
45.参照四个横截面10到13，进行计算。
46.为了计算系数，1%的极限蠕变应变被定义为指示组件的寿命的终点的条件，并
且例如设置120000小时的组件使用寿命。
47.然后，定义多个操作条件；由于必须确定四个系数，因此提供四个操作条件。通常要求操作条件的数量与系数的数量相同。在操作条件的数量大于系数的数量的情况下，还要求回归分析。在目前情况下，提供四个操作条件，如例如下表中所例示的：操作条件1操作条件2操作条件3操作条件4周围温度15℃35℃20℃0℃负载满负载满负载部分负载（80%）部分负载（60%）基于设置的操作条件，计算或者测量针对操作条件中的每个操作条件的不同位置10到13处的局部蠕变伸长（如果例如对于已经操作经历它们的整个使用寿命的类似组件的数据是可获得的话）。考虑到组件已经操作达其整个使用寿命（即120000小时），进行计算或者测量。可使用用于有限元分析的软件（abaqus公司的abaqus）来完成计算。
48.因此可计算以下数据：
在位置10处的局部蠕变伸长在位置11处的局部蠕变伸长在位置12处的局部蠕变伸长在位置13处的局部蠕变伸长操作条件1ru
1,10
ru
1,11
ru
1,12
ru
1,13
操作条件2ru
2,10
ru
2,11
ru
2,12
ru
2,13
操作条件3ru
3,10
ru
3,11
ru
3,12
ru
3,13
操作条件4ru
4,10
ru
4,11
ru
4,12
ru
4,13
其中，ru
1,10
到ru
4,13
是计算或者测量的数值。
49.因此，提供参考组合蠕变伸长；例如，这个参考组合蠕变伸长被设置在2mm处（由于它被计算的方式，的尺寸是长度，但是它不具有物理含意）。
50.因此，可通过解方程组来计算系数ai=a
1 ru
1,10 a
2 ru
1,11 a
3 ru
1,12 a
4 ru
1,13
=a
1 ru
2,10 a
2 ru
2,11 a
3 ru
2,12 a
4 ru
2,13
=a
1 ru
3,10 a
2 ru
3,11 a
3 ru
3,12 a
4 ru
3,13
=a
1 ru
4,10 a
2 ru
4,11 a
3 ru
4,12 a
4 ru
4,13
考虑到对于所有操作条件，是相同的（因为通过定义，它独立或者基本上独立于操作条件）并且是被提供的一个（例如2mm）。
51.示例3在下文中，描述确定第二关系的示例。首先，例如1%的极限蠕变应变被设置为定义组件寿命的终点。因此，寿命消耗被定义，例如10000小时。
52.而且在此，定义操作条件，并且如示例2中所进行的，在在给定操作条件下操作组件达预定义的寿命消耗之后，使用模拟软件来计算遍及组件的蠕变应变和局部蠕变伸长；不同的模拟软件产品在市场上是可获得的，诸如abaqus公司的abaqus。
53.对于不同的寿命消耗值，重复计算许多次，例如对于从0到120000小时（组件使用寿命）的10000小时的循环。
54.最后，将消耗的组件寿命关联到局部蠕变伸长，并且因此（使用第一关系）关联到组合蠕变伸长；图2示出表示第二关系的简图。
55.有利地，经由软件来实现所述方法。
56.自然地，可彼此独立地提供所描述的特征。
57.在实践中，可根据要求并且根据目前工艺水平来任意选择所使用的材料和尺寸。