專利名稱：：判斷離心渦輪機械剩余壽命的系統和方法
技術領域：
：本發明涉及判斷離心渦輪才幾械葉輪的剩余壽命的系統和方法。離心渦輪機可以包括一個或多個泵、渦輪或者壓縮機葉輪。離心渦輪機械為了更好的空氣動力學特性而典型地以高的軸速(shaftspeed)運行。在設計速度下，最高應力4妻近該種應用中典型采用的材料例如鋁合金的屈服強度。通常，如果諸如固定速度的運行應力穩定則這是可以接受的。渦輪機械設備可以期望以固定速度的相對穩定的模式下運行或者變速運行。變速應用的一個示例為空氣壓縮機必須產生最大壓力然后停止或返回到較低速度的空轉模式(idlemode),以便節省能量。典型的空轉速度為設計速度的30%,其中功率降低到最大功率的3%。葉輪中的應力根據速度的平方而變化。當經歷了許多啟動-停止循環或任意速度偏差時，材料會降級及疲勞失效。壽命曲線為應力比(定義成最小應力/最大應力)函數。平均應力為最大應力和最小應力的平均。給定應力循環的幅度為(最大應力-最小應力)/2。材料強度也隨著溫度的升高而降低。如果累積了足夠的循環，材料由于來自離心負荷的高平均應力而在最高應力位置處產生裂紋并嚴重失效。實際上，速度可根據應用情況以稍微隨意的特性從任何最小值循環到最大值。當出現嚴重失效點時合理準確的預測是有益的。
發明內容本發明涉及包括一個或多個葉輪的離心渦輪機械。速度傳感器設置成用以檢測與葉輪轉速相關聯的速度。溫度傳感器設置成用以檢測與葉輪出口溫度相關聯的溫度。控制系統具有包括葉輪速度和出口溫度的葉輪參數。采用計算方法學對葉輪參數進行數學處理，以便判斷葉輪的剩余壽命。諸如警告指示的程序化響應由控制系統響應達到閾值時的剩余壽命進行觸發。運行中，控制系統監控葉輪的速度和溫度。控制系統基于該速度和溫度迭代地(iteratively)計算剩余壽命。在一個示例中，響應導致葉輪應力超出葉輪耐久強度的速度變化而計算出剩余壽命的變化。根據下文中的說明并結合附圖，可更好地理解本發明的這些和其它特征，以下是附圖的簡要說明。附圖簡要說明圖1為具有發明性的剩余壽命控制系統的離心渦輪機的截面圖。圖2為描述了根據有限元分析獲得的作為葉輪速度函數的最大葉輪應力的曲線圖。圖3為葉輪材料的疲勞應力相對于作為溫度和應力比函數的疲勞壽命的曲線圖。圖4為描述成修正的古德曼圖(Goodmandiagram)的壽命計算。圖5為總體上描述了用于判斷葉輪剩余壽命的發明性的方法學的流程圖。具體實施方式圖1示意性地示出了離心渦輪機10。如本領域眾所周知的那樣，渦輪機10包括驅動轉子軸14的定子12。葉輪16安裝在軸14上。葉輪16將流體從入口18傳輸到出口20。本發明的離心渦輪機包括速度傳感器22，速度傳感器22用于檢測葉輪16的速度。速度傳感器22直接或間接地;險測葉輪16的轉速。溫度傳感器24設置成用以檢測與葉輪16相關聯的出口溫度。在示出的示例中，溫度傳感器24設置在葉輪16的出口附近。控制系統包括控制器26,控制器26與速度傳感器22和溫度傳感器24通信。控制器26可以同其它的轉換器(transducer)通信。此外，控制器26可以接收和存儲其它葉輪參數，例如那些與葉輪材料性質和葉輪應力特性相關的參數。應力特性可以作為來自葉輪16的有限元分析模型和/或表格的輸出而^t是供。應力特性可以包括作為速度函數的最大葉輪應力、作為溫度函數的疲勞強度、應力比、疲勞失效循環以及疲勞強度修正因子。如本領域眾所周知的那樣，應力特性可以作為查找表部分或任何其它合適方式而提供。疲勞強度修正因子可包括與葉輪表面光潔度、葉輪特定特征的尺寸、葉輪特定區域上的載荷以及葉輪溫度有關的信息。葉輪參數可以試驗的方式或數學的方式進行判定。對于圖1所示的離心渦輪才幾示例而言，設計速度為58000轉/分鐘(rpm)。高速導致葉輪達到最大運行條件下的屈服應力附近。圖2示出了高達過度屈服點的作為速度函數的應力。從分析中可以看出(為鋁合金)，最高應力接近屈服強度。圖3示出了給定溫度下作為脈動應力和疲勞壽命循環函數的普通鋁合金的強度損失。如圖4所示，修正的古德曼圖大致示出了壽命計算。通過該分析，給定最小-最大運行速度和溫度和給定啟動-停止循環/小時數，有可能估算出葉輪在失效前可承受的應力循環數或可允許的運行小時數。本發明有助于計算因葉輪任意的速度偏差而引起的壽命縮減。可以使用各種計算方法學。例如，可以基于帕姆格林-邁因納(Palmgren-Miner)循環比總和方法或梅森的近似法(Manson，sapproach)進行計算。這些方法學在本領域廣為所知。希望持續監控的參數為葉輪速度和葉輪出口溫度。例如，根據有限元分析判斷圖2示出的作為速度函數的最大葉輪應力。如圖3所示，葉輪材料性質尤其是疲勞應力用作溫度、應力比以及失效循環的函數。參照圖3，應力比0%表示啟動_停止循環，而10%表示速度偏差達到設計速度的30%的示例。圖3示出了相應可用到的材料強度和失效循環。監控數據、葉輪應力特性、材料性質以及計算方法學可以編入控制器26的程序并作為離心渦輪機10的控制系統部分包括在內。在一個示例中，如果累積循環接近失效前的警報限制或可允許的循環數，則采用計算結果觸發諸如視頻或音頻警報的警告指示。可允許的循環典型地通過使用適于特定應用的所需安全因子來確定。警報警告可以設定為小于諸如百分數的警報限制。一旦達到警告閾值時，控制系統可以防止速度偏差直到可以安排關閉單元和更換葉輪。采用這種方式是因為對速度偏差的防止避免了對葉輪的累積損傷。當達到警報限制時，單元關閉以便更換葉輪。備選地，可以允許單元持續地高速度運行以便消除任何的脈動應力直到可以便利地安排關閉。采用這種方式，消費者可以在實際失效之前被預先警告更換葉4侖。運行中，類似于圖5所示示例的方法學可以用來判斷葉輪的剩余壽命。方法30包括框32所示的判斷葉輪最大設計應力的步驟。通過使用有限元分析可以提供最大設計應力。如框34所示，通過傳感器22和24監控葉輪速度和溫度。計算出速度變化和平均溫度。啟動-停止循環以及任意的速度偏差導致了對葉輪疲勞壽命產生負面影響的速度變化。本發明的方法量化了由速度變化引起的疲勞壽命的縮減。在框36，計算出因速度變化而產生的應力以便判斷應力是否超出用于葉輪無限壽命的耐久強度。如果應力超出耐久強度，則如框38所示計算出葉輪壽命的縮減。在一個計算方法的示例中，計算出對應于因速度變化而產生的應力循環的循環數(Nf)。Nf為最大速度N,和應力比rs的函H<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>S瞧二SJCF，其中CF-kAigaMarin疲勞修正值]S叫二S,(l-rs)0'55LOg(Nf)=10.5-3.79Log(Seq-16)注意Nf為應力比t的函數r^最小應力+最大應力或者，假定應力隨著速度的平方變化rs=(N2+N,)2如果隨著時間的變化監控轉速，如框38所示可以計算出累積應力循環并估算出剩余壽命。例如，對于每個應力循環而言以壽命變量初始值L-0開始發現Nf(N,，rs)△L=l/NfL=L+△L極限L<1.0在任一時間點，L為葉輪記錄的期望壽命部分。在一個示例中，典型的天的運行包括從靜止變化到60000轉/分鐘的最大轉速，在最大轉速和20000轉/分鐘的最小轉速之間合計往復四次并返回靜止。溫度從環境溫度開始升高到最大的300華氏度。疲勞強度修正因子為表面，K^0.卯00(已加工表面)尺寸，&=0.856(直徑=1.181英寸)負荷，Kc=1.0溫度，、=1.098-1.25116*丁(華氏度)，鋁合金7050-T351其中Kd=ST/SRT，和Sf運行溫度時的強度,TS^二室溫時的強度下面表格示出了壽命計算結果。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>當該天結束時，累積的L值表明已耗費了期望壽命的0.072%且如果典型的，可以期望另一個1/0.000720=1389天=3.8年。當剩余壽命達到閾值時，控制器26可以如框42所示啟動警告指示(警告指示可以包括視頻或音頻警告)。備選地，剩余壽命可以以易理解的方式簡單地存儲或顯示以便維護人員周期性地檢查。于是維護人員可以如圖44所示在失效前更換葉輪。方法30迭代地重復計算因速度變化而隨后引起的葉輪壽命的縮減。盡管已公開了本發明的優選實施例，但本領域的普通技術人員應當理解某些修改仍將屬于本發明的范圍。因此，下列權利要求將用于確定本發明的真實范圍和內容。權利要求1.一種渦輪機，其包括葉輪；速度傳感器，其設置成用以檢測與葉輪速度相關聯的速度；溫度傳感器，其設置成用以檢測與葉輪出口溫度相關聯的溫度；控制系統，其具有包括葉輪速度和出口溫度的葉輪參數、數學處理所述葉輪參數以便判斷所述葉輪剩余壽命的計算方法學以及由所述控制系統響應達到閾值的所述剩余壽命而觸發的程序化響應。2.根據權利要求1所述的離心渦輪機，其特征在于，所述速度傳感器檢測支承所述葉輪的軸的速度。3.根據權利要求1所述的離心渦輪機，其特征在于，所述溫度傳感器設置在葉輪出口附近。4.根據權利要求1所述的離心渦輪機，其特征在于，所述計算方法學基于帕姆格林-邁因納循環比總和。5.根據權利要求1所述的離心渦輪機，其特征在于，所述計算方法學基于梅森的近似法。6.根據權利要求1所述的離心渦輪機，其特征在于，所述渦輪參數包括所述渦輪的材料性質。7.根據權利要求6所述的離心渦輪機，其特征在于，所述葉輪參數包括所述葉輪的應力特性。8.根據權利要求7所述的離心渦輪機，其特征在于，所述應力特性包括作為速度函數的最大葉輪應力、作為溫度函數的疲勞強度、應力比以及相對于最大應力的失效循環中的至少一個。9.根據權利要求7所述的離心渦輪機，其特征在于，所述應力特性包括疲勞強度修正因子。10.根據權利要求1所述的離心渦輪機，其特征在于，所述程序化響應為警報指示。11.一種計算葉輪剩余壽命的方法，其包括步驟a)監控葉輪速度；b)監控與所述葉輪相關聯的溫度；c)基于所述速度和所述溫度迭代地計算所述葉輪的剩余壽命；和d)當所述剩余壽命達到閾值時產生警報指示。12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，步驟c)以計算作為所述葉輪速度變化函數的所述剩余壽命為基礎。13.根據權利要求12所述的方法，其特征在于，步驟c)包括以命。、、''、"'、、B14.根據權利要求13所述的方法，其特征在于，步驟c)包括計算可歸因于所述速度變化的壽命變化。15.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，步驟c)以計算作為應力比函數的所述剩余壽命為基礎。16.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，步驟c)使用所述葉輪的最大設計應力。17.—種用于葉輪的控制器，其包括用于從速度傳感器接收信息的裝置，所述速度傳感器設置成用以檢測所述葉輪的速度；用于從溫度傳感器接收信息的裝置，所述溫度傳感器設置成用以檢測所述葉輪出口的溫度；用于使用從所述速度傳感器和所述溫度傳感器接收的所述信息判斷所述葉輪剩余壽命的裝置；和用于當所述剩余壽命達到閾值時產生警告的裝置。全文摘要一種離心渦輪機包括葉輪和速度傳感器，該速度傳感器設置成用以檢測與葉輪速度相關聯的速度。溫度傳感器設置成用以檢測與葉輪出口溫度相關聯的溫度。控制系統具有包括葉輪速度和出口溫度的葉輪參數。采用計算方法學對葉輪參數進行數學處理，以便判斷葉輪的剩余壽命。控制系統響應達到閾值時的剩余壽命觸發諸如警告指示的程序響應。控制系統監控葉輪的速度和溫度。控制系統基于速度和溫度迭代地計算剩余壽命。在一個示例中，響應導致超出葉輪耐久強度的葉輪應力的速度變化計算出剩余壽命的變化。文檔編號E04D15/00GK101218401SQ200680011333公開日2008年7月9日申請日期2006年4月11日優先權日2005年4月12日發明者H·H·邁斯,威廉·J·馬貝申請人:勝達因公司