用于确定发动机构件的疲劳寿命消耗的方法与流程

本公开内容涉及如权利要求1中提出的用于确定发动机构件的疲劳寿命消耗(fatiguelifetimeconsumption)的方法。

背景技术：

发电市场中可再生能源的份额增长需要常规热电站的更灵活的操作。具体而言，不论以单循环模式或是在联合循环发电站中的运行的燃气涡轮发动机都在以大的负载梯度的强变化的负载下运行。这意味着燃气涡轮发动机的构件暴露于强变化的温度和压力下的操作，且因此低周疲劳的准确定量受到日益增加的关注。在燃气涡轮发动机大体上启动且加载至接近满载和从接近满载的负载停机的环境中，主要需要考虑冷启动到满载负载循环，且反之亦然。然而，在燃气涡轮发动机的负载在部分负载到满载之间频繁变化的操作状况中，出现的增长需求在于可靠地预测和估计具有低于冷启动负载循环的幅度的负载循环下的构件寿命消耗。该能力将允许发电站运营者避免过早的发动机检修和零件更换，以及不需要的停机，同时避免由于延迟的维护和构件更换引起的主要发动机破坏和非计划停机的风险，这所有都对运营发电站的经济性有不利影响。因此，允许燃气涡轮发动机的构件的寿命的足够可靠的联机预测和估计的方法将相当大地提高发电站的经济性。因此，为了允许发电站运营者分别以适合的经济性运营燃气涡轮发动机或发电站，发现处理来自联机现场监测系统的数据和估计结构零件的寿命消耗的联机寿命计算工具是期望的。结构零件可为非旋转静止零件(诸如壳部件)，或可为旋转转子部件。由于所述构件的峰值应力表现为随涡轮发动机的工作流体的峰值温度而及时偏移，故发现具有高热惯量的构件的联机疲劳寿命计算是有挑战性的。

估计寿命消耗的若干途径是本领域中已知的。例如，us3,584,507公开了一种方法，其中热气体温度和轴速度和加速度连续地测量且用作用于预先限定的嵌入方程的输入，其使测得的发动机参数关联至蠕变、低周疲劳和温度冲击疲劳的寿命消耗。应用的方程基于文献，以及分析和经验测试。发动机特定常数需要确定，且可基于现场经验来更新。用于蠕变的方程使消耗的蠕变寿命关联至热气体温度和速度。用于低周疲劳的方程使负载循环的增加的破坏关联至热气体温度和速度。消耗的低周疲劳寿命通过加上由轴加速周期引起的增大的低周疲劳破坏来确定，这在它们发生时识别和处理。用于热冲击疲劳的方程使消耗的热冲击疲劳寿命关联至一定时间内的热气体温度的变化率。该过程包括测量两个发动机参数(热气体温度和轴速度)，通过使用用于蠕变、低周疲劳和热冲击疲劳的预先限定的相关性的联机增加破坏计算、寿命计算、储存结果，以及相符的传感器和装置。从上文显而易见的是，该方法需要高测试努力来在发动机参数与寿命之间建立相关函数。

us3,950,985描述了用于具有高热惯量的热电站构件的蠕变和低周疲劳寿命消耗的联机监测的方法及装置。该方法适用于诸如燃气涡轮发动机、汽轮机和蒸汽锅炉的转子、壳体和管路的构件，其在启动和冷却期间形成了高热引发的应力。根据本文公开的方法，测量构件的某些截面中的表面材料温度和内部材料温度。测量位置之间的温差用于计算热引发的应力。该方法使用应力、温度和寿命消耗之间的预先限定的关联来计算蠕变和低周疲劳寿命增量，其加权且加在一起成为等同于基准负载情况下的操作小时数的累积的操作小时数。然而，由于该方法依靠构件的某些位置处的温度测量结果，故公开的方法仅允许确定配备有温度测量位置的构件的区段中的寿命消耗。

us2010/0153080公开了一种用于涡轮发动机的寿命监测和维护计划的方法。在该方法的第一步骤中，考虑的构件的寿命针对多种破坏因素，在特定发动机操作循环的假定下计算，且获得设计阶段寿命模型。在第二步骤中，收集发动机的操作数据，且更新寿命模型。在另一个步骤中，模型利用来自发动机检查的结果来进一步更新。并未从文献中清楚的是模型是否和如何适用于联机。此外，不清楚的是模型如何解决不同于设计阶段寿命模型所基于的假定的操作条件。该方法还涉及非常多种发动机操作数据的全面测量和处理。

技术实现要素：

本公开内容的目的在于提供一种如最初提到的方法。在更具体的方面中，该方法将允许发动机构件的疲劳寿命消耗的容易且可靠的确定。另一方面，该方法应当适用于联机，即，在发动机操作期间。

这由权利要求1中描述的主题来达成。

不论明确提出与否，公开的主题的其它效果和优点都将鉴于下文提供的公开内容变得清楚。

因此，公开了一种用于确定发动机构件的疲劳寿命消耗的方法，该方法包括限定基准热负载循环，其中基准热负载循环特征为基准负载循环幅度和基准负载循环时间，以及确定基准负载循环寿命消耗。该方法还包括测量发动机构件的温度、基于所述温度测量结果确定热负载循环、确定限定为热负载循环期间的最大测得温度与热负载循环期间的最小测得温度之间的差异的负载循环幅度、以及确定负载循环时间。随后，负载循环时间关联基准负载循环时间，从而确定负载循环时间因数，负载循环幅度关联基准负载循环幅度，从而确定负载循环幅度因数。负载循环时间因数和负载循环幅度因数组合成组合负载循环因数，且负载循环寿命消耗取决于组合负载循环因数来确定。

在特定实施例中，需要和执行发动机构件的温度的一次测量。在另一实施例中，仅需要和执行发动机构件的热流体露出表面上或附近的温度测量。

负载循环寿命消耗可确定为绝对值，或关于基准负载循环寿命消耗的相对值。

将理解的是，在此方面的负载循环将理解为升高或降低温度。还将理解的是，负载循环时间是其中实现热负载循环或其某一百分比的温度分别升高或降低的时间，且与负载循环幅度组合提供了发动机构件在一定时间内经历的温度梯度的量度。换言之，负载循环时间测量温度变化发生多快。

因此，本发明基于以下发现：由于热负载循环引起的增加的微结构破坏或寿命消耗对于给定的发动机构件主要取决于温度变化时间内的幅度和梯度。在构件表面处的温度变化后，温度变化发展到构件中，由热传导驱动，这引起构件内的延迟温度变化。因此，作为总体经验法则，空间温度梯度且因此热引发的应力在构件中出现。温差和热引发的应力越高，则构件表面处的一定时间内的幅度和温度梯度就越高。对于任何构件且对于基准热负载循环，可计算代表热引发的应力引起的对构件材料的增加的结构破坏的应变水平或基准负载循环寿命消耗。在此方面，基准负载循环特征为温度变化的基准负载循环幅度，以及所述温度变化或其一定百分比花费的基准负载循环时间。对于任意负载循环，分别特征为负载循环温度幅度和负载循环时间或一定时间内的负载循环温度梯度，或关于基准负载循环寿命消耗的相对负载循环寿命消耗的负载循环可一方面取决于负载循环温度幅度和基准负载循环温度幅度之比，且另一方面取决于负载循环时间与基准负载循环时间之比来确定。即，如将容易认识到的那样，负载循环的绝对温度变化越低，且温度变化发生越慢，则发动机构件将能够经受越多相同的热负载循环，即，一个负载循环的寿命消耗将越低。

在此方面，寿命消耗可理解为发动机构件能够在限定的基准条件下经受的负载循环的分数的消耗。

负载循环幅度和时间因数可如下限定：

如果tr,min是基准热负载循环的最小构件材料温度，tr,max是基准热负载循环的最大构件材料温度，tmin是热负载循环的最小构件材料温度，且tmax是热负载循环的最大构件材料温度，则负载循环的负载循环幅度因数限定为

将理解的是，(tr,max-tr,min)是基准热负载循环幅度，且(tmax-tmin)是负载循环幅度。

如果δtr是基准热负载循环关于基准热负载循环幅度的一定百分比(例如，90%)增大或减小温度所需的时间，且δt是关于负载循环幅度的相同百分比在负载循环内改变温度的时间，则负载循环时间因数限定为

在本公开内容的方面中，发动机构件的温度的测量执行为发动机构件的材料温度的测量，且在特定实施例中，在构件的临界位置处或附近执行，其中临界在更具体的实施例中可关于裂纹引发。

在实施例中，发动机冷启动和负载升到满额定负载用作基准负载循环。

在某些方面中，基准负载循环时间可限定为其中基准热负载循环的绝对温度变化总计为基准负载循环幅度的特定百分比的时间，且负载循环时间限定为其中测得的温度变化热负载循环的负载循环幅度的相同百分比的时间。

组合负载循环因数在某些实施例中还可考虑了负载循环机械应力因数。为此将理解的是，基准热负载循环的寿命计算也可能需要考虑外力引起的机械负载，例如，由压力引发的力引起，且在适用的情况下，离心力可能需要考虑连同温度变化的机械负载的变化，且此外可能需要考虑基本温度。机械应力因数可确定成解决负载循环期间作用的不同机械应力，且可依靠测得的涡轮发动机操作数据(如，压力、温度或转速)来确定。将理解的是，转速不适用于涡轮发动机定子元件。此外，转速对于重载静止发电站涡轮发动机是恒定的，且在此情况中将不会影响疲劳方面的机械应力因数。此外，具体而言，在燃气涡轮发动机中，大体上关联温度和压力变化。在此特定情况中，负载循环机械应力因数可表示为负载循环幅度因数的函数。假定技术人员将大体上熟悉用于换算机械应力和机械应力循环对发动机构件的寿命的影响的技术和方法。

组合负载循环因数在特定实施例中确定为：

，

x表示组合负载循环因数，rt表示负载循环幅度因数，rδt表示负载循环时间因数，且rf表示负载循环机械应力因数。a和b是常数；例如，在特定实施例中，a等于0.5，且b等于0.25。负载循环机械应力因数可设置为1(如果无附加信息可用)，或可表示为负载循环幅度因数的函数。

在方法的另一情况中，确定了热负载循环的基准数目，其等于直到发动机构件中引发裂纹前的基准热负载循环的数目，负载循环数因数确定为组合负载循环因数的函数，其中负载循环数因数确定为考虑下的负载循环的寿命消耗除以基准负载循环的寿命消耗，且发动机构件寿命期间的所有负载循环的负载循环数因数加和，从而确定累积的负载循环消耗。在此方面中假定技术人员熟悉直到在任何给定发动机构件中引发裂纹前的预定负载循环数目的确定。例如，同时非限制性，这可由有限元计算来达成。

负载循环数因数可表示为

,

其中rn表示负载循环数因数，n表示具有至裂纹引发的特定负载循环幅度和负载循环时间的热负载循环数目，且nr表示至裂纹引发的基准热负载循环的数目。

在更具体的情况中，该方法包括将剩余负载循环寿命预期确定为热负载循环的基准数与累积负载循环消耗之间的差异。在另一个更具体的方面中，该方法包括将相对寿命消耗确定为累积负载循环消耗除以热负载循环的基准数目之比。

负载循环数因数根据本公开内容的某些特定方面确定为

,

其中rn表示负载循环数因数，n表示具有特定负载循环幅度和负载循环时间的至裂纹引发的热负载循环的数目，nr表示至裂纹引发的基准热负载循环的数目，rs是确定为组合负载循环因数的函数的应变比，且c为材料参数。以上公式从芬-曼森方程导出。材料参数c是芬-曼森指数的疲劳延性指数。对于延性金属，其通常位于-0.7≤c≤-0.5的范围中。将注意的是，根据本公开内容，应变比确定为上文限定的组合负载循环因数的函数。例如，负载循环应变比以组合负载循环因数的多项式形式表示。对于更具体的情况，负载循环应变比表示为组合负载循环因数的一次多项式。

在某些情况中，发动机构件是燃气涡轮发动机的构件，且基准热负载循环是最大负载梯度下从燃气涡轮发动机的冷启动到满载的负载循环。

在又一些情况中，该方法联机应用，且具体是在发动机的操作期间永久地联机应用。因此，可永久地监督发动机构件的健康状态，且维护可计划成经济可行的。

将理解的是，上文公开的特征和实施例可与彼此组合。将认识到的是，可构想出在本公开内容和提出的主题的范围内的其它实施例，这是本领域的技术人员明白且清楚的。

附图说明

现在借助于附图中所示的选择的示例性实施例来更详细阐释本公开内容的主题。附图示出了：

图1为示出执行如上文公开的方法的示例性模式的流程图；

图2为示出第一示例性发动机构件的组合负载循环因数与应变比之间的关联的图表；以及

图3为示出第二示例性发动机构件的组合负载循环因数与应变比之间的关联的图表。

将理解的是，附图是高度示意性的，且对于说明目的不需要的细节可省略来易于理解和阐释。将进一步理解的是，附图仅示出了选择的示范性实施例，且未示出的实施例仍良好在本文公开和/或提出的主题的范围内。

具体实施方式

参看图1，更详细地提出了如上文所述的执行方法的示例性模式。在第一步骤100中，执行用于发动机构件和基准负载循环的计算。例如，基准负载循环是燃气涡轮发动机的冷启动，以及以对于燃气涡轮发动机(或对于联合循环发电站中操作且联合循环发电站以最大负载梯度加载时的燃气涡轮发动机)的最大负载梯度将燃气涡轮发动机加载至额定满功率。这些计算可包括计算由于发动机构件的材料内的温差而出现的发动机构件中的应力。利用此认知，可导出发动机构件中引发裂纹之前的负载循环的基准数目。在下一个步骤200中，所述计算可在负载循环幅度和负载循环时间变化的多个负载循环中重复。直到裂纹引发前的负载循环的数目可针对各个负载循环计算出。大体上，所述计算的结果可取决于组合负载循环因素表示。具体而言，各个负载循环的应变比，其中应变比由以下给出：

,

其中n表示具有特定负载循环幅度和负载循环时间的至裂纹引发的热负载循环的数目，nr表示至裂纹引发的基准热负载循环的数目，rs是确定为组合负载循环因数的函数的应变比，且c为疲劳延性指数或芬-曼森指数，其为材料的特定参数，其也可取决于材料的绝对温度。在接下来的步骤300中，形成了例如应变比与组合负载循环因数之间的关联函数。这样，应变因数可表示为rs=rs(x)，其中x是组合负载循环因数。

将注意的是，步骤100至300大体上脱机执行。接下来的步骤将在发动机运行的同时联机执行。因此，示例性示出的方法可认作是包括两个模块，脱机模块1000和联机模块2000。在联机模块中，在联接模块2000的第一步骤400中，测量发动机构件的温度。基于如上文提出的构件材料温度的连续温度测量，在步骤500中，判断是否开始热负载循环，以及是否完成所述热负载循环。如果热负载循环未完成，则步骤400和500将重复。如果热负载循环完成，则组合负载循环因数将在步骤600中基于测得的负载循环幅度和负载循环时间来计算。此外，在步骤600中，计算负载循环的应变因数和随后的负载循环数因数。在步骤700中，发动机构件的寿命期间的所有负载循环数因数加和，且构成累积的负载循环消耗。在步骤800中，验证累积的负载循环消耗是否大于热负载循环的基准数目，其等于直到裂纹引发前的基准热负载循环的数目。如果这不是此情况，则联机模块2000在步骤400处又开始。如果累积的负载循环消耗大于热负载循环的基准数目，则可在步骤900中生成事件或警告。联机模块在步骤400处又开始。将认识到的是，步骤900可在累积负载循环消耗实际达到热负载循环的基准数目之前开始，使得发电站运营者可在实际破坏发生之前计划发电站停机。

图2和3绘出了两个示例性发动机构件的应变比rs与组合负载循环因数x之间的关联。数据点示出了来自数字模拟的结果，而线表示应用为以上步骤600中相关性的函数。如可见，模拟点与关联函数的优异拟合利用三次多项式产生。如进一步所见，甚至在一次多项式的情况下，将实现相当好的拟合。显而易见的是，相关性随不同发动机构件几何形状而变化，但对于给定发动机构件拟合优异。

尽管借助于示例性实施例阐释了本公开内容的主题，但将理解的是，这些绝不旨在限制提出的发明的范围。将认识到的是，权利要求覆盖了本文并未明确示出或公开的实施例，且背离执行本公开内容的教导内容的示例性模式中公开的那些的实施例仍将由权利要求覆盖。