用于识别裂纹的涡轮叶片健康监测系统的制作方法

用于识别裂纹的涡轮叶片健康监测系统


背景技术：

1.涡轮机、并且特别是蒸汽涡轮机包括易受振动和高周疲劳影响的大型叶片(即，长的长宽比)。这些叶片的现场测量被证明是困难且不准确的。因此，经常采用频繁检查和保守操作来确保叶片不会意外失效。


技术实现要素：

2.在一种构造中，一种确定涡轮机的叶片中的裂纹的位置和尺寸的方法包括：操作包括叶片排的涡轮机，该叶片排包括包含有叶片的多个叶片；确定用于该叶片排中的每个叶片的第一振动条件；以及确定用于该叶片排中的每个叶片的第二振动条件。该方法还包括将用于每个叶片的第一振动条件与预先确定的基线第一振动条件进行比较，以确定第一振动条件的变化，以及将用于每个叶片的第二振动条件与预先确定的基线第二振动条件进行比较，以确定第二振动条件的变化。该方法还包括分析用于每个叶片的第一振动条件的变化和第二振动条件的变化，以确定叶片中的哪个叶片具有裂纹以及裂纹在该叶片内的可能位置，以及使用第一振动条件的变化的幅度和第二振动条件的变化的幅度来估计裂纹的尺寸。
3.在另一构造中，一种用于测量旋转叶片排的健康的叶片健康监测系统包括传感器和计算机，该传感器邻近旋转叶片排固定地定位并且能够操作成测量参数，该计算机包括处理器。处理器操作成基于所测量的参数来确定用于旋转叶片排的叶片中的每个叶片的第一模式振动条件和第二模式振动条件，处理器还操作成将每个第一模式振动条件和第二模式振动条件与基线第一振动条件和基线第二振动条件进行比较，以确定第一振动条件的变化和第二振动条件的变化。处理器利用第一振动条件的变化和第二振动条件的变化来确定叶片中的任何一个叶片中的裂纹的位置和尺寸。
4.在另一构造中，一种确定叶片中的裂纹的位置和尺寸的方法包括：测量叶片的梢部在旋转中在角位置处的到达时间，使用到达时间计算叶片的梢部的位移，以及使用该位移计算用于叶片的第一振动条件和第二振动条件。该方法还包括将用于叶片的第一振动条件和第二振动条件与用于叶片的预先确定的基线第一振动条件和预先确定的基线第二振动条件进行比较，以确定第一振动条件的变化和第二振动条件的变化，以及使用第二振动条件的变化的幅度相对于第一振动条件的变化的幅度来确定裂纹的可能位置，并且使用第一振动条件的变化的幅度和第二振动条件的变化的幅度来确定裂纹的尺寸。
附图说明
5.为了容易识别对任何特定元件或动作的讨论，附图标记中最重要的一个或多个数字指该元件被首次引入的图号。
6.图1图示了涡轮机转子。
7.图2图示了图1的涡轮机转子的叶片。
8.图3图示了图2的叶片的叶片振动模式300。
9.图4图示了图2的叶片上可能的裂纹位置。
10.图5图示了部分拆卸的叶片，其图示了裂纹。
11.图6图示了结合到低压涡轮机中的叶片健康监测系统600。
12.图7图示了包括传感器的低压涡轮机的内筒形件。
13.图8图示了单个传感器叶片健康监测系统的位移测量值，其图示了混叠。
14.图9示意性地图示了用于配置叶片健康监测系统的一种可能的布置。
15.图10图示了失效评估图。
16.图11是裂纹深度对频率变化的图表。
17.图12是图示具有三个叶片的叶片健康监测系统的操作的示例图表，其指示了裂纹。
18.图13包括两个图表，其图示了两个裂纹位置的第一模式和第二模式的频率变化。
19.图14图示了根据一个实施方式的例程。
具体实施方式
20.在详细解释本发明的任何实施方式之前，应当理解的是，本发明在其应用中不限于在本说明书中阐述的或在以下附图中图示的构造的细节和部件的布置。本发明能够具有其他实施方式并且能够以各种方式实践或实施。此外，应当理解的是，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的并且不应当被认为是限制性的。
21.现在将参照附图来描述与系统和方法有关的各种技术，其中，相同的附图标记始终表示相同的元件。下面讨论的附图以及在本专利文件中用于描述本公开的原理的各种实施方式仅作为说明并且不应当以任何方式被解释成限制本公开的范围。本领域技术人员将理解的是，本公开的原理可以在任何适当布置的设备中实现。
22.应当理解的是，被描述为由某些系统元件实施的功能可以由多个元件实现。类似地，例如，元件可以配置成实现被描述为由多个元件实施的功能。将参照示例性的非限制性实施方式来描述本技术的众多创新性教导。
23.此外，应当理解的是，除非在某些示例中明确地限制，否则本文中使用的词语或短语应当被广义地解释。例如，术语“包括”、“具有”和“包含”及其衍生词表示包括但不限于。除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式。此外，本文中所使用的术语“和/或”指代并且包含相关联的所列出的项目中的一个或更多个项目的任何可能的组合和所有可能的组合。除非上下文中另有明确指示，否则术语“或”是包括性的，意思是和/或。短语“与
……
相关联”和“与其相关联”及其衍生词可以意指包括、被包括在
……
内、与
……
互连、包含、被包含在
……
内、连接至或与
……
连接、联接至或与
……
联接、可以与
……
连通、与
……
配合、交错、并置、接近、结合至或与
……
结合、具有、具有
……
的性质等。此外，尽管本文可能描述了多个实施方式或构型，但是关于一个实施方式所描述的任何特征、方法、步骤、部件等同样适用于没有相反具体陈述的其他实施方式。
24.此外，尽管在本文中可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来指代各种元件、信息、功能或动作，但是这些元件、信息、功能或动作不应受这些术语限制。相反，这些数字形容词用于将不同的元件、信息、功能或动作彼此区分开。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件、第一信息、第一功能或第一动作可以被称为第二元件、第二信息、第二功能
或第二动作，并且类似地，第二元件、第二信息、第二功能或第二动作可以被称为第一元件、第一信息、第一功能或第一动作。
25.此外，除非上下文另有明确指示，否则术语“与
……
邻近”可以表示：元件相对接近另一元件但不与另一元件接触；或者元件与其他部分接触。此外，除非另有明确说明，否则短语“基于”意在表示“至少部分地基于”。术语“约”或“基本上”或类似术语意在涵盖数值方面的在该尺寸的正常行业制造公差范围内的变化。如果没有可用的行业标准，除非另有说明，否则百分之20的变化将落在这些术语的含义之内。
26.图1图示了涡轮机转子100、并且特别是如在发电设施中使用的蒸汽涡轮机中常见的低压蒸汽涡轮机转子100。涡轮机转子100包括轴102，该轴102支承多个叶片排。在该示例中，涡轮机转子100是双流低压涡轮机转子100，该双流低压涡轮机转子100布置成使得多个排在沿着轴102的两个相反的纵向方向上延伸，以限定两个相反的流。每个方向上的最后的排叶片包括由轴102支承以供旋转的多个叶片200。应当注意的是，在一些构型中，叶片中的每个叶片直接附接至轴102，而其他构型可以包括对叶片200进行支承并附接至轴102的单独的盘。
27.图2更详细地图示了图1的叶片200中的一个叶片。在该示例中，叶片200中的每个叶片是独立式(即，没有系线、护罩等)末级叶片并且包括轮叶部分202、根部204和平台206。当然，也可以采用非独立式叶片。所示的构造中的根部204是弯曲的枞树状根部204，其他根部设计也适用于将叶片200中的每个叶片附接至轴102或附接至盘。轮叶部分202是翼型部分，该翼型部分布置成与相邻的叶片200配合，以在工作流体(例如，蒸汽)穿过叶片200时有效地提供工作流体的膨胀。工作流体的膨胀提供了从工作流体中提取能量，使得叶片200将扭矩传输至轴102，该扭矩可以用于驱动另一部件比如发电机、泵、压缩机或任何其他期望的旋转装置。平台206作为轮叶部分202与根部204之间的交接点或连接点进行操作。
28.回到轮叶部分202，应当理解的是，每个轮叶部分202包括前缘208、后缘210、在前缘208与后缘210之间延伸的压力侧212以及在前缘208与后缘210之间延伸的吸入侧214。前缘208、后缘210、压力侧212和吸入侧214中的每一者都从平台206延伸至梢部216。
29.在蒸汽涡轮机的操作期间，独立式叶片200易受多种模式的振动影响。在典型的操作期间，叶片200中的每个叶片将以图3中所图示的两种叶片振动模式300在梢部216处表现出可测量的振动。第一模式302被称为基本的易弯曲模式，并且第二模式304被称为基本的不易弯曲模式。
30.除了这些基本的弯曲模式，包括涡轮机转子100的各种共振频率下的扭转振荡、或在叶片200自身的各种更高共振频率下的振荡在内的其他振动模式都可以在正常涡轮操作期间产生叶片200的可测量的运动。
31.图4图示了叶片200的根部204中的三个位置，在这些位置处响应于前述弯曲模式可能会形成限制寿命的裂纹。图4图示了从梢部216朝向平台206径向向内看的叶片200中的一个叶片。第一裂纹位置402在根部204的最上颈部中于平台206的下面位于后缘210处。第二裂纹位置404在根部204的最上颈部中于平台206的向内位置处位于后缘210处。第一裂纹位置402和第二裂纹位置404都倾向于形成在轮叶部分202的压力侧212附近。第三裂纹位置406在轮叶部分202的吸入侧214上和平台206的下面(径向向内)位于前缘208与后缘210之间的大约中间。
32.图5图示了处于部分拆卸状态的叶片200中的一个叶片。在第三裂纹位置406上方(径向向外)的区域中移除了轮叶部分202和平台206，以更好地图示形成在第三裂纹位置406中的裂纹502。
33.图6图示了叶片健康监测系统600的一部分，该叶片健康监测系统非常适合于检测在图3中所图示的叶片振动模式300以及其他振动模式下振动的叶片200。在所图示的构造中，第一传感器602和第二传感器602邻近旋转叶片200的梢部216定位。在图6中所图示的构造中，每个传感器602安装至内筒形件604(或壳体)，该内筒形件604包围并封围涡轮机转子100。来自每个传感器602的导线可以被封围在传感器管中，该传感器管也穿过外筒形件606。然后，导线可以连接至收发器，以将收集的数据610广播至计算机608，或者数据610可以经由有线连接被传输。
34.在一种构造中，第三传感器602与第一传感器602和第二传感器602一样连接至内筒形件604。每个传感器602相对于每个相邻的传感器602成120度(正负15度)周向地定位，使得传感器602围绕轴102的纵向轴线均匀地间隔开。虽然刚刚描述的布置包括彼此等距间隔开的传感器602，但是其他构造可以包括不等距的间隔。在其他构造中，可以采用少于三个传感器或者多于三个传感器。例如，一些构造仅采用单个传感器602并且可以包括作为备份的第二传感器602。
35.还应当注意的是，所有传感器可以位于涡轮机壳体的一个半部中或者可以均匀地分布。将传感器602或多个传感器602全部定位在下半部中具有允许传感器及其相关联的硬件和布线在典型的拆卸期间保持就位的优点。将传感器602或多个传感器602定位在上半部中使得更容易地将传感器及其相关联的硬件和布线安装到现有涡轮机中并且可以在操作期间提供更容易的访问。
36.传感器602中的每个传感器(或单个传感器602)测量用于每个叶片200的梢部216的到达时间。可以借助计算机608使用到达时间来确定梢部216的实际位移或梢部216相对于预期位置的位移。其他构造可以使用其他传感器或其他方法来确定梢部216的位移。
37.计算机608可以是本地计算机608，该本地计算机608是动力设备控制系统的一部分或独立于动力设备控制系统。在又一替代方案中，计算机608远程地定位，且由计算机608来进行分析并且分析然后被传输或以其他方式提供给动力设备或用户。
38.应当理解的是，示例计算机可以包括至少一个数据处理系统。数据处理系统可以包括至少一个处理器(例如，微处理器/cpu、gpu等)。处理器可以被配置成通过执行来自存储器的与一个或更多个应用程序(例如，软件和/或固件)对应或与一个或更多个应用程序的部分对应的计算机/处理器可执行指令来执行本文中描述的各种处理和功能，所述计算机/处理器可执行指令被编程为使至少一个处理器执行本文中所描述的各种处理和功能。
39.存储器可以对应于包括在处理器中以及/或者与处理器操作性连接的内部或外部易失性或非易失性处理器存储器(例如，主存储器、ram和/或cpu高速缓存)。这样的存储器还可以对应于与处理器操作性连接的非暂态非易失性存储装置(例如，闪存驱动器、ssd、硬盘驱动器、rom、eproms、光盘/驱动器或其他非暂态计算机可读介质)。
40.图7是用于传感器602的替代安装构造的放大图。在该构造中，传感器602直接附接至扩散器702上游的内筒形件604。图6中所图示的构造具有在操作期间可更换或至少不需要完全拆卸涡轮机的优点。图7的构造需要拆卸或至少部分拆卸涡轮机以更换传感器602。
41.图8图示了为什么可能会需要多于一个的传感器602。如图示的，单个传感器曲线802通过每转测量一次梢部位移而产生，并且更具体地测量叶片梢部216的到达时间确定梢部位移。测量值指示的是叶片200似乎以15hz振动。然而，以45hz、75hz、105hz或各种其他更高频率振动将产生相同的位移，使得这些频率也可以基于单个传感器602的测量值。然而，增加附加的传感器602可以通过测量每转在多个点处的位移来解决这种混叠问题。
42.虽然图8图示了可以采用多于一个的传感器602的情况，但是对于已知可能的频率的情况，可以使用单个传感器602并且单个传感器仍然可以提供准确的结果。已知许多混叠频率是不可能的并且可以被忽略，使得只考虑感兴趣的频率(即接近可能的频率的那些频率)。
43.每个叶片排200可以包括大量独立式叶片(例如，六十个或更多个)。虽然叶片200旨在是相同的，但是细微的差异会导致叶片200的固有频率的变化。叶片健康监测系统600使用失谐分析技术来分析作为联接系统的整个叶片排200。因为叶片200通过轴102动态联接，所以叶片200中的每个叶片可以以与各种节点直径相关联的多个第一弯曲模式频率进行响应。这使得利用仅单独考虑叶片200中的每个叶片的分析技术来精确和准确地评估用于叶片200中的每个叶片的固有频率变得非常困难。
44.失谐识别技术特别适用于对叶片涡轮机转子100进行健康监测。这种方法的主要优点在于该方法返回了子结构的频率(即，用于叶片200中的每个叶片的单独的频率)。跟踪所识别的子结构的固有频率可以允许检测裂纹、识别哪些叶片200受损以及评估叶片200中的每个叶片受损的严重程度。此外，该方法已经被证明用以检测比叶片200中的一个叶片与轴102机械分离的临界尺寸小得多的裂纹。
45.图9图示了用于使用基本失谐模型开发降阶模型(rom)的装置。该图示非常适合叶片盘式转子。如在图9中所图示的，首先收集频率数据。接下确定被分析的涡轮机转子100的基本性能并用于开发rom。然后将通过rom计算的响应数据与实际测试数据进行比较来验证rom。3
46.叶片健康监测系统600旨在识别可以导致轮叶部分202全部或大部分分离的裂纹。叶片健康监测系统600不依赖于用于叶片200中的每个叶片的实际振动频率或失谐比率，而是查看在一段时间内用于叶片200中的每个叶片的所测量的频率或失谐比率的变化。失谐比率是叶片的频率与叶片排中所有叶片的频率的平均值的比率或比较。因此，第一失谐比率将是叶片第一模式频率与用于该叶片排的平均第一模式频率的比率，并且第二失谐比率是第二模式频率的类似的比较。相对于参照频率或失谐比率的偏差为分析提供了更一致的值。如本文中所使用的，术语“振动条件”将用于包括振动频率和/或失谐比率二者。无论何时采用术语“振动条件”，都应当理解的是，术语“频率”、“失谐比率”或二者都可以替代“振动条件”。此外，第一振动条件将包括第一振动模式和/或第一失谐比率，并且第二振动条件是第二振动模式和/或第二失谐比率。
47.如关于图4所讨论的，叶片200中的每个叶片容易受所述的三个位置以及其他潜在的位置中的限制寿命的裂纹的影响。限制寿命的裂纹的实际位置是特定叶片设计、涡轮机的操作和系统的其他特性的函数。
48.参照图4中所图示的潜在的裂纹位置，这些位置中的任何位置处的裂纹通常可以被期望用以改变受影响的叶片的第一模式302频率和第一失谐比率。除了第一模式302之
外，通过监测第二模式304频率和/或第二失谐比率(即，振动条件)的变化，可以增强对这些位置中的某些位置处的裂纹的灵敏度。
49.叶片健康监测系统600依赖于检测操作中叶片200的频率或失谐比率(即，频率条件)的变化，并且将频率或失谐比率的这些变化或者频率条件的这些变化与裂纹尺寸相关联。如果允许的裂纹尺寸是相对大的，则频率条件对应的变化更容易检测。但是如果只能允许小的裂纹，则叶片健康监测系统600必须足够灵敏以检测频率条件的对应的较小变化。因此，使用具有高韧性的叶片材料提供了显著益处。
50.有多种方法可以用于评估含有缺陷的部件的可接受性或临界条件。常用的方法是基于如图10中所图示的失效评估图1000。评估点a 1002代表可接受的小裂纹。点b 1004代表计算的临界裂纹尺寸。点c 1006预测失效，即，大于所计算的该临界裂纹尺寸的裂纹失效，并且不一定是部件的失效。
51.在叶片健康监测系统600的运转期间，选择至少一个样本数据集为频率条件的潜在变化的后续评估建立基线。用于该基线的操作条件选择在预期随机宽带激励的区域中，并且预期单元在该区域中重复操作且至少连续操作一小时。涡轮机操作条件可以随时间显著变化，并且在基本不同的操作条件下，激励模式的变化可能大到足以在所评估的失谐中产生可测量的变化。为了提高叶片健康监测系统600处理的灵敏度，因此在一些情况下可能希望建立多于一个的基线。然后，随后的评估可以与最合适的基线进行比较，以评估频率或失谐比率的潜在变化。例如，通过计算降阶失谐模型中节点直径力分布之间的相关系数，可以量化评估条件下的激励与基线条件中的每个基线条件下的激励的相似性。通常，基线包括频率和/或失谐比率对，其中，每对频率和/或失谐比率对包括在不同操作条件下收集的基线第一模式频率和/或失谐比率以及基线第二模式频率和/或失谐比率。
52.图11示出了针对单一设计的若干叶片200测量的评估的频率变化1102和相关的裂纹深度1104。开放点1106代表叶片根部裂纹，对于叶片根部裂纹而言，频率变化1102小于叶片健康监测系统600的检测阈值。可以看出，随着裂纹尺寸变得更大，数据的可变性降低。这是因为较小的裂纹形状不同(即，深度与长度的比率)。随着裂纹变大，裂纹的形状变得更一致。
53.图12示出了其中叶片健康监测系统600用于管理停机计划的示例。在该示例中，叶片健康监测系统600检测到低压蒸汽涡轮机的最后一排中的第一叶片1202中的裂纹。在监测裂纹增长的同时，单元继续操作。叶片健康监测系统600指示裂纹稳定地增长了约三个月，然后在恢复其增长之前暂停了约三个月。
54.在该示例中，八个月之后移除并更换第一叶片1202。基于评估的裂纹增长率和计划的停机时间表，叶片健康监测系统600预测第一叶片1202将在停机前达到第一叶片1202的最大允许尺寸，从而迫使加速停机。叶片健康监测系统600指示第二叶片1204可能包括裂纹，但是在计划的停机之前不需要更换第二叶片1204。在该示例中，叶片健康监测系统600为提前计划提供了充足的通知。
55.在恢复使用之后，叶片健康监测系统600指示第二叶片1204中的裂纹继续以其之前所观察到的速度增长。该示例还说明了在第三叶片1206中形成和快速增长的裂纹。然而，叶片健康监测系统600预测该单元将能够成功地达到其预先安排的加料停机而不需要另一次停机维护。
56.叶片健康监测系统600也可以用于诊断目的，以识别可能产生裂纹的操作条件。在图12中所示的情况下，第3个月和第4个月的操作条件明显更有利。作为临时措施，涡轮机所有者可以利用该信息来调整操作参数，从而最小化潜在的裂纹增长。
57.如所讨论的，叶片健康监测系统600计算叶片200的频率变化，以确定裂纹是否可以形成以及裂纹可能形成的位置。图13包括指示在图4的第三裂纹位置406处形成的裂纹的第一曲线1302，以及指示在图4的第二裂纹位置404处形成的裂纹的第二曲线1304。可以从用于给定的叶片的两种模式的观察到的频率变化的相对幅度推断出导致频率变化的裂纹的位置。此外，两个频率的变化的幅度可以指示裂纹的尺寸，该尺寸可以与用于特定位置的允许的裂纹尺寸进行比较。
58.图14图示了可以由叶片健康监测系统600操作的例程1400。在框1402中，例程1400操作包括叶片排的涡轮机，该叶片排包括包含有叶片的多个叶片。在框1404中，例程1400确定用于该叶片排中的每个叶片的第一振动模式频率。在框1406中，例程1400确定用于该排叶片中的每个叶片的第二振动模式频率。在框1408中，例程1400将用于每个叶片的第一振动模式频率与预先确定的基线第一振动模式频率进行比较以确定第一频率变化。在框1410中，例程1400将用于每个叶片的第二振动模式的频率与预先确定的基线第二振动模式频率进行比较以确定第二频率变化。在框1412中，例程1400分析用于每个叶片的第一频率变化和第二频率变化，以确定叶片中的哪个叶片具有裂纹以及裂纹在该叶片内的可能位置。在框1414中，例程1400使用第一频率变化的幅度和第二频率变化的幅度来估计裂纹的尺寸。
59.叶片健康监测系统600原则上可以使用定期执行的手动启动的计算机计算来完成。然而，当监测非常少数量的叶片排时，手动处理变得不切实际。此外，期望频繁地执行叶片健康监测系统600处理，例如每天至少一次，以增加趋势分析的敏感性并且提供任何显著的频率偏差的早期识别。
60.为了高效且有效地执行频繁的叶片健康监测系统600评估，可能需要将到达时间数据包从动力设备自动传输至中心局以进行数据分析。这样的传输已经按照适用于核电站的网络安全要求成功完成。在已经接收到数据之后，可以自动对数据进行处理。如果识别出潜在的显著频率偏差，则可以自动向合格的专业工程师发出通知，以便对数据进行进一步的详细审查。
61.可以定期向涡轮机操作员报告叶片健康监测系统600结果的概要。如果频率变化被评估为可能是叶片裂纹的结果，则应立即发出报告。该报告还应当包含基于特定叶片设计和特定动力设备的已知特性的建议动作。例如，这些建议可能包括操作变化比如限制速度循环，或避免在已知可能产生较大叶片振动的特定载荷和冷凝器压力范围内操作。这些建议还可以包括建议的叶片更换时间、比如在即将到来的停机或维护周期期间。
62.尽管已经详细描述了本公开的示例性实施方式，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离本公开的最宽泛形式的精神和范围的情况下，可以做出本文所公开的各种改型、替代方案、变型和改进方案。
63.本技术的描述中的任何描述都不应被解读为暗示任何特定元件、步骤、动作或功能是必须被包括在权利要求范围内的基本元素：专利主题的范围仅由所允许的权利要求限定。此外，除非确切的词语“用于
……
的装置”后面是分词，否则这些权利要求中的任何权利要求都不意在援引装置加功能的权利要求结构。