用于运行涡轮发动机的方法和系统的制作方法

专利名称：用于运行涡轮发动机的方法和系统的制作方法
技术领域：
5 本发明申请大致涉及用于确定涡轮叶片变形的方法和系统。更具
体地，〗旦是并不以限制的方式，本申请涉及用于在涡轮机运行时测量 涡轮叶片变形的方法和系统。
背景技术：
10 工业燃气涡轮机、蒸汽涡轮机和航空发动机的涡轮叶片在高温环
境下运行，在这种环境中温度有规律地到达600。C到150(TC之间。此 夕卜，总的趋势是提高涡轮机运行温度以提高输出和发动机效率。与这 些条件相关联的置于涡轮叶片上的热应力非常严重。
一般而言，由于经由涡轮机的旋转速度所施加的力，涡轮叶片经
15 历高水平的机械应力。这些应力已经被驱向更高的水平以力图适应包 括更大环形区域的涡轮叶片设计，该设计在运行期间产生更高的输出 扭矩。此外，对于设计具有更大表面积的涡轮叶片叶冠的需要向涡轮 叶片的端部增加了额外的重量，这进一步增加了在运行期间施加到叶 片上的机械应力。当这些机械应力与严重的热应力结合时，导致涡轮
20 叶片以材料的设计极限或接近材料的设计极限而运行。在这样的条件 下，涡轮叶片通常经历緩慢变形，这通常被称作"金属蠕变"。金属 蠕变是指其中金属部件由于长期暴露于应力和高温而緩慢改变形状 的情况。涡轮叶片可在径向或轴向上变形。
同样，压缩机叶片由于经由压缩机的旋转速度施加的力而经历高
25水平的机械应力。结果，压缩机叶片也可经历与金属蠕变相关联的緩
'隄变形。
结果，在涡轮机中主要关注的涡轮叶片和压缩机叶片故障模式是 金属蠕变，且特别是径向金属蠕变(即，涡轮叶片或压缩机叶片的伸长)。如果不加以注意，金属蠕变最终可造成涡轮叶片或压缩机叶片破 裂，而这可能会造成涡轮机单元的极度破坏且导致相当长的维修停才几
时间。 一般而言，用于监控金属蠕变的常规方法包括(l)试图通过使 用诸如有限元件分析程序的分析工具预测作为时间的函数的叶片的 5 累积蠕变伸长，分析工具从基于实验室中在等温蠕变测试条上所执行
的蠕变应变测试的算法来计算蠕变应变；或者(2)在单元的停机时间期 间执行目视^r查和/或手工测量。但是，预测分析工具常常不准确。而 目一见检查和/或手工测量劳动密集、成本高，并且也常常产生不准确的 结果。
10 在任何情况下，无论是通过使用分析工具、目视检测还是手工测
量做出的关于涡轮叶片或压缩机叶片的健康状况的不准确预测都可 能是昂贵的。另一方面，不准确的预测会允许叶片超过它们的有用运 行寿命运行并导致叶片故障，这会造成涡轮机单元的严重损坏和维修 停机时间。另一方面，不准确的预测可使涡轮叶片或压缩机叶片过早
15 退役(即，在其有用运行寿命完成之前)，这导致低效率。因此，准确 地监控涡轮叶片和/或压缩机叶片的金属蠕变变形的能力可提高涡轮 发动机单元的总效率。这种监控可最大限度地延长叶片的使用寿命， 同时避免了叶片故障的风险。此外，如果能够在不使用耗时且费力的 目视检查或手工测量的情况下进行这种监控，将实现更高的效率。因
20 此，需要用来监控或测量涡轮和压缩机叶片的金属蠕变变形的改进的 系统。

发明内容
因此本申请描述了 一种运行涡轮机的方法，该方法包括以下步 25 骤l)当涡轮机在不同的运行温度运行时对叶片采集热曲线数据；2) 当涡轮机在不同运行温度运行时对涡轮机采集运行条件数据，该运行 条件数据至少包括涡轮机的旋转速度；3)在不同运行温度基于涡轮机 的旋转速度，确定施加到叶片上的机械应力；4)已知叶片的热曲线数 据和施加到叶片上的机械应力，当涡轮机在不同运行温度运行时对叶片计算预测蠕变速率数据(其中不同的运行温度至少包括第 一运行温
度和第二运行温度)；以及，5)已知当涡轮机在笫一运行温度运行时叶 片的预测蠕变速率数据和当涡轮机在第二运行温度运行时叶片的预 测的蠕变速率数据，确定在第 一运行温度还是在第二运行温度运行涡 5 4仑才几经济上更有效。
此外，该方法可包括以下步骤当涡轮机在不同运行温度运行时 对叶片采集测量蠕变数据；利用对不同运行温度的测量蠕变数据校准 预测蠕变速率数据的计算；以及，在不同运行温度对叶片计算校准蠕 变速率数据。在这样的实施例中，使用校准蠕变速率数据而不是预测 10 蠕变速率数据来确定在第一运行温度还是在第二运行温度运行涡轮 机经济上更有效。预测收入数据(revenue data)可包括关于涡轮机在不 同运行温度运行时获得的收入的数据；且确定在第一运行温度还是第 二运行温度运行涡轮机经济上更有效的步骤可包括计算涡轮机在第 一运行温度和第二运行温度的预测收入数据的步骤。确定在第 一运行
步骤已知叶片的校准蠕变速率数据和最大蠕变限度，对不同运行温 度计算预测叶片部件寿命数据；以及，已知预测叶片部件寿命数据， 对不同运行温度计算预测叶片部件成本数据。
在某些实施例中，预测叶片部件成本数据大约可包括对于不同运
20 行温度，叶片的使用寿命的增量被消耗的速率乘以替换叶片的成本。 确定在第一运行温度还是在第二运行温度运行涡轮机经济上更有效 的步骤可包括对不同运行温度比较预测叶片部件成本数据与预测收 入数据的比例的步骤。确定在第 一运行温度还是在第二运行温度运行 涡轮机经济上更有效的步骤还可包括此步骤将在第 一运行温度的预
25测叶片部件成本数据与预测收入数据的第 一 比较值与在第二运行温 度的预测叶片部件成本数据与预测收入数据的第二比较值进行比较。
在某些实施例中，测量蠕变数据的采集可包括以下步骤利用安 置于叶片级圆周周围的一个或多个临近传感器进行叶片的初始测量；
7在初始测量之后，利用 一个或多个临近传感器进行叶片的第二测量；
以及，通过比较初始测量与第二测量来确定叶片的径向蠕变和轴向蠕 变中的一个蠕变。初始测量和第二测量可各表示从叶片的末梢到一个 或多个临近传感器的距离。
5 当结合附图和所附权利要求书时，在查看优选实施例的以下详细
描述后，本申请的这些和其它特征将变得显而易见。


图1毛艮示了其中可使用本发明的一个实施例的示范性涡轮机的
10 燃气涡轮机的透视剖视图2是展示了本发明的一个示范性实施例的图1的燃气涡轮机的 截面图3 l艮示了根据本发明的一个示范性实施例的临近传感器的周 向放置的图1的燃气涡轮机的截面图； 15 图4M示了本发明的一个示范性实施例的图1的燃气涡轮机的
截面图5^艮示本发明的一个示范性实施例的图1的燃气涡轮冲几的截 面图6力艮示根据本发明的一个示范性实施例的控制涡轮发动机的 20 运行的方法的流程图；以及
图7是展示根据本发明的一个示范性实施例的控制涡轮发动机的 运行的方法的流程图。
部件列表 25 2 4
6
8
燃气涡轮机 压缩机 压缩机叶片 燃烧器10
8
9
10
11
12 20 22 30 32 34 40
涡轮 涡轮叶片 隔板 转子
涡轮机外壳
叶片径向变形监控系统 临近传感器
叶片轴向变形监控系统 上游临近传感器 下游临近传感器 红外高温计
具体实施例方式
已经研发了 一种技术以准确、可靠且以相对较低的成本来实时 15(即，在燃气涡轮机运行时)测量涡轮叶片的变形。现参看图1,图示了
1描绘了燃气涡轮机，但应了解本发明也可用在蒸汽涡轮机中。如图 所示，燃气涡轮机2可包括压缩机4，该压缩机4可包括若千压缩机 叶片5的级，压缩机叶片5的级压缩工作流体(即，空气)。燃气涡轮
20 机2可包括燃烧燃料与压缩空气的燃烧器6。燃气涡轮机2还可包括 涡轮8，涡轮8包括若干级翼型件(airfoil)或涡轮叶片9，翼型件或涡 轮叶片9的级将来自膨胀热气体的能量转化成旋转机械能。如本文所 用，用语"叶片"将用于指压缩机叶片或涡轮叶片。涡轮8也可包括 隔板10，如图2所示，该隔板10为将热气体流导向至涡轮叶片9上
25 的固定构件。燃气涡轮机2可包括压缩机叶片5和涡轮叶片9安装到 其上的转子11。涡轮4几外壳12可包围该燃气涡4仑才几2。
如图2所示，根据本发明的叶片径向变形监控系统20可包括围 绕单独的压缩机叶片5的级或涡轮叶片9的级隔开的一个或多个临近传感器22。具体而言，临近传感器22可安装于涡轮机外壳10中，使 得临近传感器22从向外径向位置面向压缩机叶片5的级或如图所示 面向涡轮叶片9的级。以此方式，无论为何种情况，临近传感器22 可测量从临近传感器22到压缩机叶片5或涡轮叶片9的末梢的距离。 5 在某些实施例中，临近传感器22可为涡流传感器、电容传感器、微 波传感器、激光传感器或另一类似类型的装置。
通过常规手段可将传感器连接到控制系统(未图示)，该控制系统 可接收、存储由临近传感器22所获得的临近数据并基于该临近数据 进^f亍计算。控制系统可包括任何适当的高功率固态转换装置。控制系
10 统可为计算机；但这只是属于本申请范围内的适当的高功率控制系统 的范例。举例而言，但不以限制的方式，控制系统可包括硅控整流器 (SCR)、晶闸管、MOS控射晶闸管(MCT)和绝缘栅双极型晶体管中的 至少一个。控制系统也可实施为单独的专用集成电路，诸如ASIC, 其具有用于总体的系统级控制的主要或中央处理器部分，以及在中央
15 处理器部分控制下专门执行各种不同的特定组合、功能和其它过程的 单独部分。本领域技术人员将理解也可使用多种单独的专用或可编程 集成电路或其它电子电路或装置来实施控制系统，诸如硬布线电子或 逻辑电路，包括离散元件电路或可编程的逻辑装置，如PLD、 PAL、 PLA等。控制系统还可使用合适地编程的通用计算机来实施，如微处
20 理器或微控制器或其它处理器装置，诸如CPU或MPU，这些装置单 独地使用或与一个或多个周边数据和信号处理装置相结合。
在4吏用中，叶片径向变形监控系统20可如下运行。注意虽然此 运行的实例将涉及测量涡轮叶片9的变形，但本领域一般技术人员将 认识到同样的一^t殳运^f亍方法可应用于压缩;机叶片5。临近传感器22可
25 在燃气涡轮机2启动期间进行各涡4合叶片9的初始测量。如本领域一 般技术人员将会理解的，各叶片的表面差异可通过临近传感器22所 测量的曲线向控制系统标志各特定叶片。具体地，各叶片的细孩汰面 差异可允许控制系统识别单独的叶片，且因此追踪各单独的叶片的变形。初始测量可显示各涡轮叶片9的初始长度。这可由转子11的已
知大小和位置和所测量的从临近传感器22到各涡轮叶片9的末梢的 距离来确定。即，从这两个值可计算涡轮叶片9的长度。该初始测量 数据可由控制系统存储。 5 当燃气涡轮机2运行时，可进行随后的测量即第二测量。这些测
量可周期性地进行，例如，可每秒或每分钟或每小时或者某些更长的 周期来进行这些测量。第二测量可显示在测量时各涡轮叶片9的长度。 同样，此长度可由转子的已知大小和位置与所测量的从临近传感器22 到涡轮叶片9的末梢的距离来确定。可从这两个值来计算涡轮叶片9
10 的长度。第二测量数据可由控制系统存储。
控制系统可处理测量数据以确定涡轮叶片9是否已在径向上发生 变形，即，涡轮叶片在使用中是否已被"拉伸"。具体而言，控制系 统可将第二测量与初始测量进行比较来确定所发生的变形量或蠕变 量。控制系统可被编程以一旦变形到达特定水平即警告涡轮机操作
15 者。举例而言，控制系统可向特定的计算机终端提供闪烁警告，向涡 轮操作者发送电子邮件或寻呼(page)，或使用某些其它方法来警告涡 轮操作者。此警告可在变形水平显示涡轮叶片9正在接近或处于其使 用寿命终点时发出。在这一点上，可从燃气涡轮机2拉出涡轮叶片9 并进行维修或替换。
20 如前所述，叶片径向变形监控系统20可包括一个或多个临近传
感器20。如图3示，叶片径向变形监控系统20可包括在叶片圆周周 围均勾地隔开的三个临近传感器22;但是本领域一般技术人员将认识 到可使用更多或更少的临近传感器20。具有多个传感器的优点在于在 计算叶片的实际变形或蠕变中可确定和考虑外壳12中转子11的相对
25 位置。本领域一般技术人员将理解由于转子凹陷、轴承移动、涡轮机 外壳不圆和其它问题，会发生关于涡轮机外壳12的转子的相对位置 的变化。如果若干临近传感器22不考虑这种移位，那么这种移位可 能会被认为是叶片变形。因此可考虑可能由于转子移动而造成的叶片
ii移位，以便确定实际叶片变形。举例而言，在图3中所示的三个传感
器的情况下，测量数据可显示对于其中一个临近传感器22,其中一个 叶片已被拉伸，而对于其余两个临近传感器22，叶片已收缩。这些结 果显示转子已经在外壳内朝向显示拉伸的临近传感器22移位。根据 5常规方法，已知三个测量值，系统控制可使用算法来确定转子移位。 之后，控制系统可消除转子移位，以确定各叶片的实际径向变形。
如上所述，在某些实施例中，可仅4吏用一个临近传感器22。在这 样的系统中，使用常规转子探头(诸如Bently探头)来确定转子位置可 能是有利的。转子纟笨头可定位于转子上的任何位置，且可实时测量转
10 子的实际径向位置。如前所述，本领域技术人员将理解在运行期间转 子可能径向地移位。如果未考虑实际的转子定位，那么这种移位可表 现为叶片的变形。另一方面，如果通过转子纟果头来计算实际的转子移 位，那么控制系统可计算叶片的实际变形。
在某些实施例中，临近传感器22可定位成4吏得它们测量轴向变
15 形。如图4中所示，这可通过将临近传感器22放置就位，使得它们 从位于叶片的轴向位置上游的位置或前方的位置，或从位于叶片的轴 向位置下游的位置或后方的位置(即，临近传感器并不俯S见该级，而是 从成角度的位置)观察叶片而实现。因此，叶片轴向变形监控系统30 可在该级的圆周周围的一个或多个位置处包括上游临近传感器32、下
20 游临近传感器34或两者。上游临近传感器32可测量从涡轮机外壳12 内固定的上游位置到叶片侧的距离。同样，下游临近传感器34可测 量从涡轮机外壳12内固定的下游位置到叶片侧的距离。因此，在叶 片的上游方向或下游方向上的任何轴向变形均可通过4企查由上游临 近传感器32、下游临近传感器34或二者所进行的连续测量来确定。
25 类似于叶片径向变形监控系统20,对于叶片轴向变形监控系统
30，具有绕该级的圆周隔开的多个临近传感器22可能是有利的。具 有多个传感器的优点在于，在叶片的实际轴向蠕变的确定中可确定并 考虑转子的相对位置。如图5中所示，在某些实施例中，叶片径向变形监控系统20和/ 或叶片轴向变形监控系统30可利用常规红外高温计40来增强。红外 高温计可提供热曲线，该热曲线可包括各叶片的径向温度曲线。在此 类实施例中所使用的红外高温计可为任何常规的红外高温计或类似 5 装置。在使用中，红外高温计40可测量在运行期间各叶片的热曲线。 控制系统可追踪如由临近传感器22测量的径向蠕变和/或如由上游临 近传感器32测量的轴向蠕变，以及对于各叶片的热曲线。热曲线将 允许控制系统确定在运行期间是否有任何其中叶片形成"热点"(即， 升高温度的区域)。利用此信息，控制系统可确定更大比例的测得轴向
10 蠕变或径向蠕变是否可能是由于与热点相符的叶片区域造成，因为升 高温度的区域以更快的速率经历变形或蠕变。本领域一般技术人员将 会理解，蠕变在整个叶片上是均匀的还是集中的，这会影响部件的预 期寿命。因此如果确定由于测得的热点，叶片可能经历集中的蠕变或 变形，部件的预期寿命将降低。另一方面，如果确定由于不存在任何
15 热点，叶片可能经历均匀的蠕变，则部件的预期寿命将不会降低。以 此方式，可避免由于集中蠕变所造成的故障。
利用常规红外线高温计40增强的叶片径向变形监控系统20和/ 或叶片轴向变形监控系统30也可用来控制涡轮发动机的运行，以便 实现更有效且经济的运行。本领域一般技术人员将理解， 一般而言，
20 叶片和其它热路径部件的运行寿命与涡轮发动机的运行温度反相关。 因此， 一般而言，如果运行温度升高，则叶片的运行寿命将降低。然 而如果运行温度降低，则可延长叶片的运行寿命。
本领域一般技术人员将会理解，存在可能必需和/或更有效地或更 经济地运行涡轮发动机，以使得若干叶片级经历更高运行温度的情
25 形。举例而言，除了全负荷运行(即，基本负荷或全功率运行)之外， 涡轮发动机也必须能够在部分负荷或调低(tumdown)条件下运行。
"调低"燃气涡轮发动机涉及减小到燃烧器的燃料流和减小到压缩机 的入口空气流。这两种行为都减小通过涡轮的第一级喷嘴的体积流。
13燃气涡轮机的压力比由通过系统的最小孔(即，第 一级喷嘴)的流率来 设定，使得通过减小体积流率，也降低了涡轮发动机的压力比。发动 机的压力比设定穿过涡轮提取的功，以及因此设定来自燃气涡轮机的 出口温度。随着压力比P争低，功的提取P争低而排放温度升高。叶片耐 5 受这些高温的能力限制可由涡轮发动机实现的调低的最低水平。
可能需要在高温运行涡轮发动机的另一实例是热天运行。燃气涡 轮机必须能够5争越宽范围的环境温度条件运行。随着环境温度升高， 进入压缩机的质量流率降低，降低了通过涡轮的体积流率。由于上文 所述的关系，涡轮机的排放温度增加。同样，叶片耐受这些高温的能 10 力限制当环境温度升高时涡轮发动机的运行。
如先前所述，较高的燃烧温度(firing temperature)降低包括叶片的 热气体路径部件的运行寿命，而降低燃烧温度则延长热气体路径部件 的运行寿命。计算叶片的运行寿命的常规方法通常基于排气的温度。 即，基于所测量的排气温度做出叶片所经历的温度的近似。但是这种
15 方法缺少准确性。因此，需要大的设计余量，这常常导致低效率。具 体而言，基于排放温度的必要设计余量和不准确的运行寿命预测通常 导致叶片被过早地(即，在叶片的运行寿命完全耗尽之前)移除。另一 方面，如果记录并分析整个叶片使用中所经历的叶片的实际热曲线和 累积蠕变，则可计算对叶片运行寿命的更准确的评估。以此方式，可
20 避免低效率且可耗尽各叶片的整个运行寿命。另外，在某些情形中， 关于所经历的叶片的实际热曲线和累积蠕变的信息可在较不准确的 方法(诸如依靠监控排气温度的方法)显示故障可能发生之前显示故障 可能发生。在这种情况下，可避免灾难性的叶片故障事件。
图6 M示根据本发明的一个示范性实施例的控制涡轮发动机的
25 运行的方法的流程图，该方法包括将预测部件成本数据与预测收入数 据进行比较。如本领域一般技术人员将会理解，对于改进，或在某些 情况下最大P艮度提高涡轮发动机的经济性能的其中两个主要(且对立) 的考虑一般为l)涡轮叶片的部件寿命；以及2)涡轮发动机的运行温度。
一般而言，如已描述的情形，如果涡轮发动机的运行温度升高，
则叶片的运行寿命降低；然而，如果涡轮发动机的运行温度降低，则
叶片的运行寿命延长。换言之， 一般存在成本，其基本上包括与升高
涡轮发动机的运行温度相关联的叶片的运行寿命的降低。但是， 一般
5 也存在与升高的运行温度相关联的增加的收入。更高的运行温度一般
与提高的涡轮机运行效率一致，且在某些时候，诸如高峰时间发电，
调低运行或热天运行，可导致产生显著的额外收入。
就能够被准确地接近或预测的预期部件成本方面而言，其可与任 何与升高涡轮发动机的运行温度相关联的预期的额外收入进行比较。
io 以此方式，涡轮机操作者可关于是否应该修改涡轮发动机的运行温度 做出经济上有效的决策。因此， 一般而言，如果预期部件成本超过预 计来自升高运行温度的预期额外收入，那么涡轮机操作者将不升高涡 轮机的运行温度。然而如果预期部件成本小于预计来自升高运行温度 的预期额外收入，那么涡轮机操作者将升高涡轮机的运行温度。
15 在流程图600中图示了根据当前应用的一个实施例的示范性方
法。最初，在方块602，该方法可确定要分析的预期运行温度。如本 文所用，"涡轮发动机的运行温度，，(或有时仅为"运行温度")意在 广义地描述通过涡轮发动机的涡轮部分的总温度水平，或代表通过涡 轮发动机的涡轮部分的轴向温度曲线的近似。如本领域一般技术人员
20 将会理解的，"涡轮机运行温度"可参考在涡轮部分中特定轴向点处 的单独的温度而描述，尽管此单独的温度测量一般意在表达涡轮发动 机的"运行温度"。在某些情况下，预期运行温度可为高于涡轮发动 机的当前运行温度的运行温度。在其它情况下，预期运行温度可为低 于涡轮发动机的当前运行温度的运行温度。在某些实施例中，预期运
25行温度可为略高于或略低于涡轮发动机的实际运行温度的温度。预期
运行温度可由运行系统自动地选择或可由操作者手动地输入。
该方法从方块602前进至方块604和方块606。在方块604,该 方法可计算与预期运行温度相关联的预测叶片部件成本数据。如在下文中关于图7详细讨论的，已知预期运行温度，这可通过确定叶片的 预测部件寿命来计算，预期运行温度可从对于叶片的计算蠕变速率来 确定。由于叶片部件寿命与运行温度之间的逆相关，预测叶片部件寿 命通常将随着预期运行温度升高而减少。由于预测叶片部件成本随着 5 预测叶片部件寿命降低而升高，因此预测叶片部件成本和运行温度大 体上具有正比关系，即，随着温度升高部件成本也升高。
同时在方块606,通过常规手段，可计算与预期运行温度相关联 的预测收入数据。如所述，更高的运行温度通常与提高的涡轮机运行 效率相符且在某些时间，诸如高峰时间发电、调低运行或热天运行， 10 可导致产生显著的额外收入。预测收入数据可使用常规手段和方法来 计算。
然后，该方法前进至方块608,在方块608,可将在方块604中 计算的预测叶片部件成本数据与在方块606中计算的预测收入数据进 行比较。在方块610，然后将此比较的结果与对于涡轮发动机的当前
15 运行温度所完成的相同比较的结果(其必须已经在先前的循环中完 成)，或对于另一不同运行温度所完成的相同比较的结果进行比较。
从这些比较在方块612可做出关于将涡轮发动机的运行温度修改 至预期运行温度是否经济上有效的建议。即，如果对于预期运行温度， 预测叶片部件成本数据与预测收入凄t据的比较产生更经济的结果(即，
20 更大的收入对成本比例)，那么将向涡轮机操作者做出应将涡轮发动机 的运行温度修改至预期运行温度的建议。另一方面，如果对于预计运 行温度，预测叶片部件成本数据与预测收入数据的比较产生消极的经 济结果(即，降低的收入对成本比例)，那么将向涡轮机操作者做出涡 轮发动机的运行温度不应被修改至预期运行温度的建议。给系统操作
25 者的建议可为到控制系统的自动消息，控制系统然后可自动地按该建 议行动，或者该建议可以在计算机屏幕上的信息的形式或其它类似通 信方法向操作员做出。在方块612之后，方法可循环返回到方块602， 在方块602，可确定并分析另 一个预期运行温度。本领域技术一般人员将会了解，可通过改进对于各预期运行温度 的预测叶片部件成本数据计算的准确性来增强上文所述的方法的有 效性。在流程图700中图示了用于改进才艮据当前应用的一个实施例的 此计算的准确性的一种示范性方法。如在下文更详细地讨^仑，流程图
5 700的方法包括利用实际测得的蠕变和测量热曲线来>^准或替换叶片
的蠕变计算，从而可做出更准确的蠕变预测，这将允许更准确的预测 部件寿命计算，且从而可做出更准确的预测叶片部件成本数据计算。 注意并非所有下文描述的步骤对于本发明的有效采用都是必需的。如
本申请的权利要求书所示，可在不包括流程图700中所展示的其中一
10个或多个步骤的情况下有效地执行此方法。
在某些实施例中，在方块702，可采集(即，收集、分析和存储) 涡轮发动机的运行条件数据。运行条件数据可包括与涡轮发动机的运 行条件相关的数据，运行条件可包括(例如)涡轮排放温度、到燃烧器 的燃料流率、到压缩机的入口空气流率、环境温度、涡轮的旋转速度
15 等。运行条件数据可包括在运行期间叶片正在经历和已经历的运行条 件数据。本领域一般技术人员将会理解，可使用常规手段和方法来收 集这些数据。
在方块704,可对各叶片采集(即，收集、分析、计算和存储)径向 应力曲线。径向应力曲线可作为当前转子速度(作为方块702的 一部分 20 在以上收集)和叶片的已知几何形状的函数来计算。如本领域一般技术 人员将会懂得，可使用常规手段和方法来确定径向应力分布。
在方块706,可对各叶片采集(即，收集、分析和存储)当前热曲线 数据。热曲线数据可包括关于各叶片的径向温度曲线的数据，即，沿 着各叶片的径向长度的不同部位处的温度读数。热曲线数据可包括在 25 运行期间叶片正在经历和已经历的径向温度曲线数据。可通过使用利 用常规红外高温计40增强的监控系统20和/或叶片轴向变形监控系统 30以及控制系统来完成此lt据的收集、分析和存储，如上文所述。
已知各叶片的计算的径向应力曲线和实际径向热曲线，在方块708,可计算各叶片的预测蠕变速率数据。这可使用常规手段和方法
来进行。(注意在某些实施例中，可仅使用预测蠕变速率数据来确定在
上文作为流程图600的一部分介绍的步骤604的预测叶片部件成本数 据。使用对于叶片的实际径向热曲线的改善的准确性将产生对于常规 5 方法的改善的准确性。)
在方块710，可在涡轮发动机运行时对各叶片采集(即，收集、分 析和存储)测量蠕变凄t据。测量蠕变数据可包括关于叶片当前经历的和 已经经历(如实际测得的)的径向蠕变量和/或轴向蠕变量、蠕变正在发 生的速率(如实际测得的)，以及与蠕变相符的运行条件和热条件。可
10 通过使用叶片径向变形监控系统20和/或叶片轴向变形监控系统30以 及控制系统来完成此数据的收集、分析和存储，如上文所述。(注意在 某些实施例中，可仅使用从测量蠕变数据计算的蠕变速率来确定上文 作为流程图600的一部分介绍的步骤604的预测叶片部件成本数据。 使用实际测量的蠕变速率的改善的准确性将产生对于常规方法的改
l5善的准确性。)
在方块712，已知对各叶片的测量蠕变数据和与测量蠕变数据相 符的运行条件数据和热曲线数据，可校准预测蠕变速率数据计算，使 得其与测量蠕变数据的实际测量蠕变速率一致。然后，可使用这些校 准的计算来计算校准蠕变速率数据，该校准蠕变速率数据代表考虑运
20 行条件数据、热曲线数据和叶片已经历的实际测量蠕变速率的对未来 蠕变速率的预测。在涡轮发动机继续运行且对于变化的涡轮运行条件 数据和热曲线数据采集更多的测量蠕变数据时，校准蠕变速率数据计 算将变得更准确。
在方块714，使用校准蠕变速率数据，可对各涡轮叶片计算部件
25 寿命。本领域一般技术人员将懂得，叶片在其必须被替换之前仅可由 于蠕变而变形这么多。即，在某点，由叶片所经历的蠕变到达表示叶 片使用寿命终点的预定极限。当到达此极限时，必须替换叶片。使用 校准蠕变速率数据，可对叶片需要多长时间到达此极限做出准确预
1810
测，已知涡轮机的特定运行条件，该预测也将提供叶片的使用寿命被 消耗的速率。
在方块716,叶片的使用寿命被消耗的速率可用于确定与特定涡 轮运行条件相关联的预测叶片部件成本数据。预测叶片部件成本数据 可为叶片的使用寿命的增量被消耗的速率乘以替换叶片的成本。可将 其它热路径部件添加到此计算。然后此值可在流程图600的方块604
更有效。在计算叶片部件成本之后，该过程然后可返回到方块702以 完成另一个计算。
从本发明的优选实施例的以上描述，本领域:技术人员将认识到改 进、变化和修改。这些在本领域技术内的改进、变化和修改意在由所 附权利要求书覆盖。另夕卜，显而易见，前文仅涉及本申请的所描述的 实施例，且在不背离如所附权利要求书及其等价物所限定的本申请的 精神和范围的情况下，可以做出多种变化和修改。
1权利要求
1. 一种运行涡轮机的方法，所述方法包括以下步骤当所述涡轮机在不同的运行温度运行时对叶片(5，9)采集热曲线数据；当所述涡轮机在所述不同的运行温度运行时对所述涡轮机采集运行条件数据，所述运行条件数据至少包括所述涡轮机的旋转速度；在所述不同的运行温度基于所述涡轮机的旋转速度，确定施加到所述叶片(5，9)上的机械应力；已知对于所述叶片(5，9)的所述热曲线数据和施加到所述叶片(5，9)上的所述机械应力，当所述涡轮机在所述不同的运行温度运行时，对所述叶片(5，9)计算预测蠕变速率数据；其中，所述不同的运行温度至少包括第一运行温度和第二运行温度；以及已知当所述涡轮机在所述第一运行温度运行时对于所述叶片(5，9)的所述预测蠕变速率数据，以及当所述涡轮机在所述第二运行温度运行时对于所述叶片(5，9)的所述预测蠕变速率数据，确定在所述第一运行温度还是在所述第二运行温度运行所述涡轮机经济上更有效。
2. 根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤 集测^蠕变数据； 、'、5 、—又，、， 、' 力对所述不同的运行温度利用所述测量蠕变数据来校准所述预测 蠕变速率数据的计算；以及在所述不同的运行温度对所述叶片(5, 9)计算校准蠕变速率数据； 25 其特征在于，使用所述校准蠕变速率数据而不是所述预测蠕变速率数据来确定在所述第一运行温度还是在所述第二运行温度运行所 述涡轮机经济上更有效。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于预行时获得的收入的数据；以及确定在所述第一运行温度还是在所述第二运行温度运行所述涡 4仑机经济上更有效的步骤包括以下步骤对于所述涡4仑机，在所述第 5 —运行温度和所述第二运行温度计算所述预测收入数据。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定在所述第一运 行温度还是在所述第二运行温度运行所述涡轮机经济上更有效的步 骤包括以下步骤已知所述叶片(5, 9)的所述校准蠕变速率数据和最大蠕变极P艮，对 10 于所述不同的运行温度计算预测叶片部件寿命数据；以及已知该预测叶片(5, 9)部件寿命数据，对与所述不同的运行温度计 算预测叶片(5， 9)部件成本数据。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预测叶片(5,9) 部件成本数据大约包括对于所述不同的运行温度，所述叶片(5， 9)15的使用寿命的增量被消耗的速率乘以替换所述叶片(5,9)的成本。
6. 才艮据权利要求4所述的方法，其特征在于，确定在所述第一运 行温度还是在笫二运行温度运行所述涡轮机经济上更有效的步骤包 括以下步骤对于所述不同的运行温度，比较所述预测叶片(5,9)部件 成本数据与所述预测收入数据的比例。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，确定在所述第一运行温度还是在第二运行温度运行所述涡轮机经济上更有效的步骤包 括以下步骤将在所述第一运行温度的所述预测叶片(5, 9)部件成本数 据与所述预测收入数据的第 一 比较值与在所述第二运行温度的所述 预测叶片(5， 9)部件成本数据与所述预测收入数据的第二比较值进行25 比较。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测量蠕变数据 的采集包括以下步骤利用围绕叶片(5, 9)的级的圓周布置的一个或多个临近传感器(22)进行所述叶片(5， 9)的初始测量；在所述初始测量之后，利用所述一个或多个临近传感器(22)进行 所述叶片(5，9)的第二测量；以及通过将所述初始测量与所述第二测量进行比较，对所述叶片(5, 9) 5 的径向蠕变和轴向蠕变中的一个蠕变^f故出确定。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述初始测量与所 述第二测量各显示从所述叶片(5, 9)的末梢到所述一个或多个临近传 感器(22)的距离。
全文摘要
本发明涉及用于运行涡轮发动机的方法和系统，具体而言，提供了一种运行涡轮机的方法，该方法包括以下步骤1)当涡轮机在不同的运行温度运行时对叶片(5，9)采集测量蠕变数据，该测量蠕变数据至少包括对于叶片(5，9)的测量蠕变速率(其中不同的运行温度至少包括第一运行温度和第二运行温度)；以及2)已知当涡轮机在第一运行温度运行时叶片(5，9)的测量蠕变数据和当涡轮机在第二运行温度运行时叶片(5，9)的测量蠕变数据，确定在第一运行温度还是在第二运行温度运行涡轮机经济上更有效。
文档编号F01D21/00GK101482034SQ200910001688
公开日2009年7月15日 申请日期2009年1月8日 优先权日2008年1月10日
发明者E·K·鲍奈特, E·格布哈德特, S·D·德拉珀, S·M·霍伊特 申请人:通用电气公司