涡轮机翼型件寿命管理系统及方法

专利名称：涡轮机翼型件寿命管理系统及方法
技术领域：
本文所公开的主题涉及涡轮，并且更具体地涉及压缩机和涡轮翼型件寿命的管理。
背景技术：
燃气涡轮发动机通常包括压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机和涡轮通常包括沿轴向叠置成级的翼型件列或叶片列。各级通常均包括固定的沿周向间隔开的一列定子导叶，以及围绕中心轴线或轴旋转的沿周向间隔开的一组转子叶片。通常，在操作中，压缩机转子中的转子叶片围绕轴旋转以压缩空气流。所供送的压缩空气在燃烧器中用来燃烧所供送的燃料。因燃烧而最终产生的热气流膨胀穿过涡轮，这引起涡轮转子叶片围绕轴旋转。以此方式，包含在燃料中的能量转变成旋转叶片的机械能，该机械能可用于使压缩机的转子叶片和发电机的线圈旋转以发电。在操作期间，由于极端温度、工作流体的速度，以及转子叶片的旋转速度，在压缩机和涡轮两者内的定子导叶和转子叶片为高应力零件。通常，在涡轮发动机的压缩机区段和涡轮区段两者中，附近或邻近级的成列定子导叶构造成具有数目大致相同的沿周向间隔开的导叶。为了改善涡轮发动机的气体效率， 已尝试标记或"记录"一列中的翼型件的周向位置相对于附近或邻近列中的翼型件的周向位置。然而，虽然仅最低限度地或可忽视地改善了发动机的气体效率，但已发现这些常规记录方法通常会增大在操作期间作用在翼型件上的机械应力。当然，增大操作应力会引起翼型件摇动，且最终损坏，这可导致对燃气涡轮发动机的重大破坏。多年来，发电系统的高可用性和可靠性已成为电力工业的主要要求。不可靠和被迫停机的高成本广为所知。不适当的维护或操作异常检测可导致涡轮被迫停机。较早地检测出这些异常对于防止和缩短过长的涡轮被迫停机很重要。典型的检查可能需要涡轮在检查期间停止运行。在此情况下，可能会妨碍发电设备的至少一部分生产能力。降低发电能力会产生与其相关联的真实经济成本。此外，检查自身也会花费金钱。至少出于这两个原因，可能有益的是仅在需要时才执行检查。

发明内容
根据本发明的一个方面，公开了一种用于产生对于至少一个涡轮机的风险分析的系统。该系统包括储存一个或多个涡轮机的特性的数据库，以及耦接到数据库上的处理模块，该处理模块接收来自于数据库的特性并产生风险分析。处理模块包括模拟模块，其基于特性而产生对于在特定涡轮机中翼型件摇动量的表征(representation)；以及性能模拟器(modeler)，其耦接到模拟模块上且基于摇动量的表征而产生风险分析。根据本发明的另一方面，公开了一种产生对于涡轮机的检查建议的计算机执行方法。该方法包括接收与涡轮机相关的计算机操作数据，该操作数据包括来自于至少一个翼型件附近的区域的动压指示；基于动压指示由第一风险模型产生损坏模型；以及基于损坏模型产生检查建议。
根据本发明的另一方面，公开了一种产生对于涡轮机的检查建议的计算机执行方法。该方法包括接收与涡轮机相关的计算机操作数据，该操作数据包括与对涡轮机中翼型件的记录相关的信息；基于记录信息由风险模型产生损坏模型；以及基于损坏模型产生检
查建议。通过结合附图的如下描述，这些及其它优点和特征将变得更为明显。


在所附权利要求中具体地指出且明确地主张了视作为本发明的主题。通过结合附图的如下详细描述，本发明的前述及其它特征和优点将变得明显，在附图中图1为示出根据本发明实施例的系统的数据流程图；图2示出了本发明实施例可植入其中的计算系统；图3示出了根据本发明实施例的方法；以及图4为图1中所示的系统的更为详细的数据流程图。本详细说明通过举例的方式，参照附图阐述了本发明的实施例以及优点和特征。零件清单50 系统51压缩机M燃烧器56 涡轮60涡轮系统62传感器64分析器66附加信息68模型更新69 虚线70检查建议100处理系统101处理器102只读存储器(ROM)103 硬盘
104大容量储存器105磁带储存驱动器106网络适配器107输入/输出适配器108界面适配器109 键盘110 鼠标111扬声器112显示适配器
113系统总线114系统存储器115显示器116 网络120 软件302 方框304可选的数据验证方框306 方框308 方框310 方框312 方框314 方框316 方框318 方框400 系统401数据库402处理模块403传感器404 输出406数据验证器408模拟模块410数据过滤模块412 归一化(normalization)模块414后处理模块416风险模拟器418制图模块420变化检测器422异常检测器
具体实施例方式如上文所述，压缩机和涡轮翼型件受到多种气体/声音激励。这些激励可在翼型件的根部上产生磨损。磨损的翼型件具有增大的摇动趋势。如果未及时进行检查和修理， 则这种摇动可在涡轮运转时导致翼型件脱落。脱落的翼型件可导致对压缩机和涡轮的附带破坏。本文所公开的实施例具有以下技术效果，即提供了准确地确定何时可能需要检查以及产生风险分析。在一个实施例中，检查确定或风险分析是基于摇动量的，而该摇动量是测得的或基于翼型件的记录而估计的。迄今，摇动并未用作产品寿命周期估计或修理/检
查建议量度的要素。具体而言，本文所公开的实施例可容许使用现场数据、操作分布曲线(profile)、场地条件、硬件构造、入口调节、传感器信息、可靠性模型、专家规则、分级器和多元统计技术来提供寿命评估、资产计划和/或检查建议。因此，本文的教导内容容许更为准确地计划何时检查单元，怎样计划资产，以及提高群组(fleet)中单元的可用性。应当理解的是，尽管以下说明描述了涡轮，但本文的教导内容可应用于任何涡轮机。图1示出了根据一个实施例的系统50的数据流程图。该系统50可包括一个或多个涡轮系统60。涡轮系统60可包括任何类型的涡轮。在一个实施例中，涡轮可为燃气涡轮。在涡轮系统60包括燃气涡轮系统的情况下，涡轮系统60可包括用以吸入和压缩空气的压缩机51 ；用以添加燃料以加热压缩空气的燃烧器M(或喷燃器)；以及用以从热的空气流中获取功率的涡轮56。在一个实施例中，燃气涡轮为使用连续燃烧过程的内燃 (IC)发动机。系统50还可包括耦接到涡轮系统60上的传感器62。传感器62接收来自于涡轮系统60的信息，且基于该信息，系统50可确定涡轮60的加热速率。在一个实施例中，传感器62可接收与压缩机51和涡轮56的定子中的翼型件相关的动压读数。当然，这些值并非必需的。传感器62耦接到性能分析器64上。在一个实施例中，分析器64接收来自于传感器62的信息和来自于附加信息源(未示出)的附加信息66，以便产生模型更新68或检查建议70中的一者或两者。在一个实施例中，检查建议70基于与翼型件记录相关的信息。建议70可至少部分地基于经由传感器62的动压读数或来自于有关所考虑的涡轮 60的信息。更详细而言，分析器64可处理来自于动压传感器的信息，且在压缩机51的各级提供非稳态的压力幅度和频率信息。这些动态传感器可置于各个压缩机和涡轮级以测量非稳态压力。非稳态压力可为翼型件摇动的指示。如果动态传感器不可用，则分析模型可使用压缩机记录信息和诸如负载、环境温度等的其它涡轮参数由分析器用来计算预计的翼型件摇动。动压传感器信息或预计的摇动，以及其它操作特性、参数和环境状态可用于量化翼型件磨损，以及翼型件损坏风险和分级可能性，这可包含在检查建议70中。附加信息66可包括但不限于对于一个或多个涡轮系统60的历史性能数据。此外， 附加信息可包括对于不同类型涡轮的各种风险和分级模型。为此，在一个实施例中，模型更新68可如虚线69所示那样结合到附加信息66中以提供更为准确的模型。性能分析器64可在硬件、软件或它们的一定组合(固件)中执行。分析器64接收来自于传感器62的信息和附加信息66。作为中间步骤，分析器64可基于历史性能、验证数据和温度计算来产生经过滤的数据。参看图2，示出了用于执行本文的教导内容的处理系统100的实施例。处理系统 100可包括分析器64(图1)。在该实施例中，系统100具有一个或多个中央处理单元(处理器)101a，101b，IOlc等(共同或通称为处理器101)。在一个实施例中，各处理器101均可包括简化指令集系统计算机(RISC)微处理器。处理器101经由系统总线113耦接到系统存储器114和各种其它构件上。只读存储器(ROM) 102耦接到系统总线113上，且可包括控制系统100的一些基本功能的基本输入/输出系统(BIOS)。
图2还绘出了输入/输出(I/O)适配器107和耦接到系统总线113上的网络适配器106。I/O适配器107可为小型计算机系统接口(SCSI)适配器，其与硬盘103和/或磁带储存驱动器105或任何其它类似的构件通信。I/O适配器107、硬盘103和磁带储存装置 105在文中共同地称为大容量储存器104。网络适配器106使总线113与外部网络116互连，实现处理系统100与其它此类系统通信。显示器(例如，显示监视器)115通过显示适配器112连接到系统总线113上，该显示适配器112可包括用以改善图形密集应用的性能的图形适配器，以及视频控制器。在一个实施例中，适配器107，106和112可连接到一个或多个I/O总线上，这些总线经由中间总线桥接件(未示出)连接到系统总线113上。用于连接诸如硬盘控制器、网络适配器和图形适配器的外围装置的适合的I/O总线包括公共协议，如外围构件接口(PCI)。附加的输入/输出装置示为经由用户界面适配器108和显示适配器112而连接到系统总线113上。键盘109、鼠标110和扬声器111都可经由用户界面适配器108连接到总线113上，该用户界面适配器108例如可包括将多个装置适配器结合到单个集成电路中的超级I/O芯片。因此，如图2中构造的那样，系统100包括呈处理器101形式的处理器件、包括系统存储器114和大容量储存器104的储存器件、诸如键盘109和鼠标110的输入器件，以及包括扬声器111和显示器115的输出器件。在一个实施例中，部分的系统存储器114和大容量储存器104共同地储存操作系统以协调图2中所示的各种构件的功能。将会认识到的是，系统100可为任何适合的计算机或计算平台，并可包括终端、无线装置、信息用具、装置、工作站、微型计算机、主计算机、个人数字助理(PDA)或其它计算装置。应当理解的是，系统100可包括由通信网络连结在一起的多个计算装置。例如，两个系统之间可能存在客户-服务器关系，且处理可在两者之间分开进行。系统100可在任何公知或以后开发的操作系统上操作。系统100还包括用于在网络116上通信的网络接口 106。网络116可为局域网(LAN)、城域网(MAN)或广域网(WAN)， 如国际互联网或万维网。系统100的用户可经由任何适合的网络接口 106而连接到网络上，该网络接口 106 例如有标准电话线路、数字用户线路、LAN或WAN链路(例如，Tl、T3)、宽带连接(帧中继， ATM)，以及无线连接(例如，802. 11 (a)、802. 11(b)、802. 11(g))。如本文所公开的那样，系统100可包括储存在机器可读介质(例如，硬盘103)上的计算机可读指令，用以执行本文所公开的一种或多种方法。如本文所述，指令可称为"软件"120。软件120可使用本领域中公知的软件开发工具来制作。软件120可包括各种工具和特征以便提供本领域中所公知的用户对话能力。在一些实施例中，软件120提供为对于另一程序的覆盖。例如，软件120可作为〃 插件"提供给应用程序(或操作系统)。注意，用语"插件"通常是指本领域中所公知的附加程序代码。在这些实施例中，软件120可替换与其协作的应用程序或操作系统的结构或对象。图3示出了根据一个实施例的方法的流程图。该方法始于方框302，在其中接收关于一个或多个涡轮的历史数据。该数据例如可包括一般性能数据。在一个实施例中，一般性能数据可按5分钟的时间间隔储存，且包括132个标记符(tag)(包括原始数据和计算数据)。该数据例如可接收自传感器或数据库，该数据库储存从传感器或其它来源接收的数据。在一个实施例中，传感器感测和提供来自翼型件附近各个位置的动压测量结果。这些压力测量结果可表明一个或多个翼型件将摇动，或开始摇动。该方法可包括可选的数据验证方框304。数据验证可包括确定所接收的数据持续一段连续的时限。当然，其它数据验证也可基于环境来执行。在方框306，确定是否可得到动压信息。如上文所述，涡轮可包括定位在各个压缩机和涡轮级处的动态传感器，用以测量非稳态压力。非稳态压力可为翼型件摇动的指示。在可得到动压信息的情况下，在方框308，关于考虑了动压信息的第一风险模型产生翼型件损坏模型。在不能得到动压信息的情况下，在方框310，确定是否可得到关于涡轮的记录信息。已经发现，记录与摇动之间存在关联。具体而言，已经发现，摇动更可能发生在翼型件之间具有较高或较低记录的涡轮中。因此，如果可得到记录信息，则在方框312，基于考虑了在损坏风险确定中的记录的第二风险模型产生损坏模型。在不能得到记录信息的情况下，在方框314，未考虑记录的第三风险模型可用于产生损坏模型。不论怎样产生，都可在方框316使用损坏模型来产生检测建议。在方框318，风险模型可基于对于产生损坏模型的数据来更新。图4示出了图3中所述方法的一部分或全部都可在其上执行的系统400。系统400可包括数据库401和处理模块402。处理模块402接收来自于数据库401 的数据，且产生输出404。来自于数据库402的数据例如可为从耦接到燃气轮机上的一个或多个传感器403所接收的数据。该数据可包括可在涡轮操作期间观察到的任何类型的数据，包括但不限于输入燃料量、输出功率、温度、周期信息、修理或检查信息、场地大气条件、 动压数据或任何其它信息。输出404可为任何类型的输出。在一个实施例中，输出404可为报告、建议或仪表板条目(entry)。当然，输出404可为任何类型的输出，且可提供给用户或其它处理装置。 此外，在一些情况下，输出404可储存在数据库401中。可选的是，从数据库401接收到的数据可由数据验证器406验证。数据验证可包括确定所接收的数据持续一段连续的时限。当然，其它数据验证也可基于环境来执行。验证(或未验证)的数据传递至模拟模块408。模拟模块408可执行一种或多种计算，以便产生涡轮操作模型。在一个实施例中，模拟模块可产生随着时间的推移在特定涡轮中摇动量的表征。在一个实施例中，模型可表征为图表(graph)。应当理解的是，在一个实施例中，来自于多个涡轮的数据可在一起建模，以便产生对于特定类别或类型涡轮的模型。系统400还可包括耦接到模拟模块408上的数据过滤模块410。数据过滤模块410 减少模型(该模型由多次运转或涡轮而产生)中的变量，该变量接收自模拟模块408。数据过滤模块410可应用专家规则、中值过滤器、非线性乘方过滤器、指数平滑过滤器或其它过滤器。不论采用何种过滤器，数据过滤模块410都产生对于一个或多个涡轮参数的过滤时间序列。例如，过滤模块410可产生表征对于特定涡轮或涡轮类别的摇动的过滤时间序列。系统400还可包括耦接到数据过滤模块410上的数据校正和归一化模块412。校正和归一化将在本文中共同称为归一化，且将表示应用系数(factor)以便涡轮不论大小或位置都可以相同的相对比例来模拟。系统400还可包括后处理模块414。后处理模块414从数据校正和归一化模块412 接收归一化的数据，并产生输出404。后处理模块414可包括一个或多个子模块。在一个实施例中，这些模块中的一部分或全部都可取决于构造而一起工作。在一个实施例中，后处理模块414包括风险模拟器416。在下文所述的特定实施例中，风险模拟器为翼型件损坏预测模拟器。通常，性能模拟器416基于所接收的模型而产生预测模型，其可预测因翼型件摇动而造成的损坏风险。应当理解的是，由性能模拟器416产生的模型有时由于涡轮老化或劣化分布曲线变化而可能是不正确的。后处理模块414可包括制图模块418，其可在同一显示器上示出一个或多个性能模型。这可给出性能已经变化的视觉证据。此外，后处理器模块414还可包括变化检测器420。变化检测器420可应用变化检测算法来检测操作和性能参数方面在统计上的显著变化。这些变化可起因于实际的操作问题，例如水洗、硬件损坏、维护、传感器校准问题、软件配置问题、数据质量问题、循环层组 (cycledeck)构造问题(错误控制曲线、错误循环层组模型等)，或由摇动造成的压力变化。在一个实施例中，变化检测器420可确定变化的发生和促使异常检测器422来分析模型和变化。在一个实施例中，基于变化和模型，异常检测器可产生问题的一个或可能原因的输出，或前摄性建议的输出。为此，异常检测器422可应用专家规则、模糊推理、特征抽取、人工智能方法、经验方法或其它计算机推理技术。尽管仅结合了有限数量的实施例来详细描述本发明，但应当容易理解，本发明并不限于这些公开的实施例。确切而言，本发明可进行修改，以结合任意数目的此前并未描述但与本发明的精神和范围相匹配的变型、备选方案、替换方案或等效布置。此外，尽管已经描述了本发明的多种实施例，但应当理解，本发明的方面可仅包括所述实施例中的一部分。 因此，本发明不应看作是由以上说明限制，而是仅由所附权利要求的范围来限制。
权利要求
1.一种用于产生对于至少一个涡轮机的风险分析的系统(50)，所述系统包括 储存一个或多个涡轮机的特性的数据库G01)；耦接到所述数据库上的处理模块002)，其接收来自于所述数据库的所述特性并产生所述风险分析，所述处理模块包括模拟模块008)，其基于所述特性产生对于特定涡轮机中的翼型件摇动量的表征；以及性能模拟器G16)，其耦接到所述模拟模块，且基于所述摇动量的表征产生所述风险分析。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述模拟模块将接收自所述数据库的所述特性转变成随时间而变化的摇动表征。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述摇动为翼型件的摇动。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述处理模块还包括过滤模块G10)，其过滤由所述模拟模块产生的表征以产生经过滤的表征。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述过滤模块应用操作模式过滤器或数据平滑过滤器或两者。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述特性包括从所述一个或多个涡轮机上的传感器(60 接收的动压数据。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述特性包括对于所述一个或多个涡轮机的翼型件的记录的指示。
8.—种产生用于涡轮机的检查建议(70)的计算机执行方法，所述方法包括接收与所述涡轮机相关的计算机操作数据，所述操作数据包括来自于至少一个翼型件附近的区域的动压指示；基于所述动压指示由第一风险模型产生损坏模型；以及基于所述损坏模块产生检查建议。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 产生所述风险模型。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，产生所述风险模型包括从数据库接收操作信息值，所述操作信息值表示基于摇动量的翼型件预期寿命。
全文摘要
本发明涉及涡轮机翼型件寿命管理系统及方法。具体而言，一种用于产生对于至少一个涡轮机的风险分析的系统(50)包括储存一个或多个涡轮机的特性的数据库(401)，以及耦接到数据库上接收来自于数据库的特性且产生风险分析的处理模块(402)。处理模块包括模拟模块(408)，其基于特性产生对于特定涡轮机中的摇动量的表征；以及性能模拟器，其耦接到模拟模块(416)上，且基于摇动量的表征产生风险分析。
文档编号G06F19/00GK102298672SQ20111018657
公开日2011年12月28日 申请日期2011年6月24日 优先权日2010年6月25日
发明者A·K·潘迪, J·辛赫, S·M·霍伊特, Y·S·蔡, 宁卫 申请人:通用电气公司