專利名稱：用于確定部件疲勞狀態的特征值的方法
用于確定部件疲勞狀態特征值的近似值的方法。
本發明涉及一種通過多個負載循環來確定由于隨著時間變化的載荷而引起的部件疲勞狀態的特征值的近似值的方法在大量技術設備的應用中，組件或者部件可能承受交替的或者隨時間變化的載荷，例如以機械的或者熱形式的載荷。其中單個部件會通過出現的壓應力或者拉應力而承受例如直接的機械載荷。而當汽輪機啟動或者停止的時候，這種隨時間變化的熱形式的載荷則產生于例如渦輪機部件或者組件中，尤其是在汽輪機中。
在汽輪機啟動的時候，也就是渦輪機部件從冷的起始狀態出發被逐漸加熱，直到在根據設計的運行狀態中調整到相對較高的溫度水平。相反在汽輪機停止的時候，部件由相對較熱的起始狀態出發被持續冷卻，直到全部部件都達到環境溫度為止。在這個加熱以及冷卻的過程中，在某些部件中產生了在相應部件的與加熱介質或者冷卻介質直接接觸的表面和內部之間的溫度差。這種溫度區別會導致在部件中產生熱應力，并由此導致了部件的直接載荷。
在部件中出現所述形式的機械載荷或者熱載荷會在顯微基礎上在部件或者類似物的晶體組織內導致重新調整過程。因此這種隨著時間變化的載荷通常會引起相應部件的所謂的材料疲勞或者失效(Er-schoepfung)，這會引起材料特性、例如硬度或者負荷能力的持續不斷地惡化或者損害。隨著部件增加的疲勞狀態或者隨之產生的材料特性的損害，相應部件有可能不再滿足特定的預先規定的設計標準，例如負荷能力以及類似性能，從而相應部件在隨著時間變化的載荷下持續的疲勞將會限制這些部件的使用壽命或者將來的使用性。因此對于承受著交替或者隨著時間變化的載荷的部件，考慮到出現的疲勞或者材料失效，通常及時更換相應部件或者在給定的維修周期內進行適合的維修。
為了避免相應技術設備不必要的停機狀態和伴隨而來的高昂的維修費用和類似情況，或者尤其將這類費用維持在比較少的水平上，通常設置適應于尤其被負載部件的疲勞狀態或者失效狀態的維修周期計劃和類似計劃。為了能夠尤其有針對性地將其實現，對于很多應用場合來說需要近似地確定相應部件疲勞狀態的特征值。為了確定這種特征值，通常需要對部件的載荷循環、也被稱為負載循環進行分析。此外相應部件隨著時間變化的載荷借助連續檢測的測量值進行監控。
在此例如可以監控部件上機械應力隨著時間變化的走向，或者例如在汽輪機的情況下，監控在相應部件中出現的、在部件表面和部件內部之間的、引起熱載荷的溫度差隨著時間變化的走向。其中部件的一個完整的載荷循環被稱為負載周期循環，在該載荷循環中，首先由初始狀態出發經過載荷中例如通過最大的機械應力而產生的最大值，接著在通過零點后經過例如通過最大的機械拉應力而產生的最小值。當部件交替經過壓應力和拉應力之后重新回到其原來狀態時，將達到被稱為負載周期循環的載荷循環的終點。
這種在此類載荷循環中總共出現的負載周期循環在此通常是總共經過過的載荷波動幅度，也就是在壓應力最大值和拉應力最大值之間的載荷值的差值。根據經驗數據，這些經驗數據通常一方面是材料特定的另一方面部件特定的，并且例如在合適的材料表格或類似物中被提供，在相應載荷循環完全結束之后由這類的負載周期循環可以確定與由此產生的材料疲勞有關的詳細的特征值。在使用部件的時候出現的總共疲勞或者失效將通過相應疲勞特征值的累積來計算，其中可以在結果中確定對于部件而言迄今為止總共出現的失效值。借助這種累積的失效值，于是可以診斷出部件的預期剩余使用壽命，由此可以按照相應已確定的失效特征值尤其滿足需求地確定部件的維修或者更換周期。
然而這種所提到的方案的缺點在于，對確定疲勞狀態的特征值所需的測量值只能在載荷循環中不完全實時地提供使用，該載荷循環可能各根據相應部件的使用延續超過相當長的時間段，例如幾個月甚至幾年。
因此本發明的任務在于，通過多個負載循環來確定由于隨著時間變化的載荷而引起的部件疲勞狀態的特征值的近似值的方法，本身在相對長時間延續的載荷循環中實現尤其滿足需求的、并且適合于實時地確定維修周期的關于部件當前疲勞狀態的診斷。
這項任務可以根據本發明通過如下方式來完成，即除了給定情況下已經封閉的載荷循環，在確定特征值時還考慮僅僅部分地封閉的負載循環，其中所述僅僅部分地封閉的負載循環的還未經過階段的暫時載荷值被考慮為預先規定的固定值。
在此本發明由此構思出發，即不依賴于可能較長的時間跨度，在載荷循環結束時提供一種適合于部件當前疲勞狀態的相對實時的診斷。然而為了能夠給出關于當前疲勞狀態的相對可靠的診斷，這種方法不應該局限于對過去已經封閉的負載循環的分析。這可以通過如下方式實現，即對于當前已經存在的、但是還沒有封閉的負載循環在確定疲勞狀態的估計值時就一起被考慮，為此即使由于當前載荷循環的這種不完整的數據，也必須要將就可能相對大的不精確性。為了實現這個目的，在當前正在進行的、還沒有封閉的載荷循環中一起考慮在盡可能大的范圍內已經實際上存在的測量值，其中為了對還不存在的、已部分地封閉的負載循環的還沒有進行階段的載荷值繼續進行加工，以置換的方式預先規定適合的固定值作為替代值。
對于已部分封閉的負載循環的還沒有進行階段的作為暫時載荷值而預先規定的固定值，在此可以尤其考慮到現存可能的材料特定或者部件特定的認識合適地進行選擇。然而為了特別簡化進一步的分析，有利的是預設零值作為固定值。
優選基于當前正在進行的載荷循環的確定的載荷值來確定中間值，實現近似地確定部件的當前疲勞狀態的特征值，其中這個中間值可以借助已存在的數據庫合適地變換為疲勞狀態特征的特征值。在此由負載循環的全局最大值和全局最小值所形成的差值有利地作為確定近似值的中間值。
根據外部環境的時間進展以及可能變化的操作要求，除了通常出現的全局最大值和最小值，負載循環還具有局部的最大值或最小值。為了對于這種情況，即還未封閉的負載循環還沒達到全局最小值并由此相應的認識還不存在，也能夠確定尤其實時的并且相對精確地確定疲勞狀態的特征值，有利地將負載循環的全局最大值和局部最小值之間的差值作為用于確定近似值的中間值。
這種方法可以特別有利地應用于承受著由運行情況所決定的在時間上相對較長延續的載荷循環的組件或者部件，因為正是在這種組件或者部件中，在確定當前實際狀態下的疲勞狀態時，對于分析在其他情況要求完整的當前負載循環或載荷循環的結束會導致相對較大時間上的偏差。因此有利地該方法應用于重型機器制造，尤其是在發電廠設備中，優選應用于汽輪機設備的運行中。
本發明實現的優點特別在于，通過對相應的載荷值以預先規定的固定值來考慮部分地封閉的負載循環的那些還沒有經過的階段，實現相應部件失效狀態的尤其實時的確定，而不需要等待當前載荷循環的完全結束。在此至少可以將已經存在的對當前負載循環的認識一同進行考慮，從而可以對于相應部件也在不完整的負載循環內確定至少一個近似值，該近似值用于至少已經達到的失效或者材料疲勞。由此正好在時間上相對較長延續的載荷循環中也能實現對于當前材料狀態和可能的剩余壽命、必要的維修工作以及類似性質的質量上相對較高的診斷。此外例如在部件故障時實現更好的診斷，因為出現的失效實時地被確定為主要原因，從而實現了將出現的失效與可能的原因比較精確地進行匹配。
借助附圖詳細地說明本發明的一個實施例。其中附圖以線圖的形式示出了在汽輪機的運行中部件載荷循環的可能的隨著時間的走向。
在汽輪機通常的運行方式中，在開始階段或者起動階段中，由靜止的渦輪機出發，逐步增加地加載高溫工作介質，用于加熱與介質接觸的組件。直接承受介質的組件，例如渦輪機葉片或者其他直接承受流動介質的部件，它們的加熱在此首先通過相對較快地將直接承受介質的表面進行加熱來實現，這種加熱由于各自根據材料和相應組件的結構方式、特別是相應的壁厚的熱延緩，或快或慢地繼續延伸到相應組件的內部區域中。在汽輪機起動時的過渡階段中，由此在一些組件中，在相應組件的一方面外側面或表面和另一方面內部區域之間出現溫度差。這種溫度差在相應組件中引起了熱應力，這種應力基本類似機械應力，例如壓應力。
相反在汽輪機的冷卻時，相應組件進行冷卻，其過程是，首先表面冷卻，然后這種增加的冷卻繼續延伸到相應組件的內部空間中。在汽輪機的這種運行階段中，在此也產生溫度差，該溫度差位于汽輪機的單個部件上的部件表面和部件內部空間之間，然而此時在該階段中，相應組件的表面比內部空間更冷。由此產生的熱應力相應于例如組件的機械拉應力。
在這種運行方式中產生的應力引起的汽輪機相應部件的載荷，可以示例地表示為所謂的載荷-時間線圖，如同在汽輪機的情況下示例地在
圖1中如線圖1示出的那樣。線圖1的x軸代表時間，其中在實施例中，y軸代表所確定的特征值，該特征值用于在渦輪機所選部件表面、例如渦輪機外殼和所選部件內部溫度之間的溫度差Δt。這種溫度差表明了在部件中產生的熱應力的特征，并且由此也表明了所引起的機械應力的特征。替代地也可以例如在汽輪機的其他部件或者也在其他技術設備的部件情況下，線圖1的y軸代表其他表明了部件載荷特征的值，例如機械應力或類似的。
在圖1中以其全體示出的汽輪機部件的載荷循環在t1時刻開始汽輪機的開始階段。由t1時刻開始，汽輪機逐漸加熱，從而在表面和相應部件的內部之間建立起正溫度差。在這個階段中，線圖1中用于表明載荷循環特征的載荷曲線2首先上升。在汽輪機繼續加熱時，這個溫度差首先繼續增大，直到在t2時刻達到最大值4。
在接近平衡狀態的情況下，溫度差接著再次降低，直到在t3時刻達到平衡狀態，在平衡狀態中，在相應部件內呈現相同的溫度分布。在線圖1示出的實施例中，接著與運行方式有關地進行部件稍微的冷卻，其中這種冷卻同樣是從部件表面向其內部空間進行的。由此在部件的表面和內部空間之間產生負溫度差。在t4時刻，這個溫度差達到最大，從而在載荷曲線2中形成一個最小值6。接著部件的表面和內部空間之間溫度彼此再次適應，使得載荷曲線2重新走向零值。
然而在實施例中，在這種情況出現之前，汽輪機進行重新的冷卻，從而在部件表面和內部空間之間的溫度差的數值重新增加。在t5時刻，這引起了在載荷曲線2上的一個局部最大值8。由此出發，溫度差的數值繼續增大，并在t6時刻形成了在載荷曲線2上的一個最小值10。由此出發，溫度再次開始彼此接近，在此與運行有關地，在經過另一個最大值12和另一個最小值14之后，在t7時刻汽輪機被完全冷卻，并且在所選擇部件的表面和內部空間之間的溫度差再次為零值。
在t1時刻和t7時刻之間，汽輪機由此經過帶有所選部件的加熱和冷卻的一個完整載荷循環。由于通過示出應力所引起的細微重新調整過程，在經過這種載荷循環、也被稱為負載循環時，也發生了被稱為材料疲勞或失效的部件削弱，這引起了機械負載能力以及類似性能的降低。其中相應部件的壽命尤其通過同所提到的載荷伴隨而來的削弱或者疲勞而受到限制，從而在超過全部對于部件被視為可靠的材料失效或者疲勞時，就被認為必須更換或者維修相應部件。
對部件失效狀態特征值的匹配在此可以借助特定部件和材料的經驗值來進行，該經驗值例如可以儲存在數據庫中。為了對這種失效匹配出近似的估計值，需要分析在線圖1中示出的載荷循環，其方法是，對通過在全局最大值4和全局最小值10之間的差值所給出的、通過箭頭16代表的所謂的負載循環進行計算。這可以根據原有的經驗，如果可能，給定情況下在數據庫中儲存的數據，對于附加疲勞匹配出估計值，經過了整個通過載荷曲線2所代表的負載循環的部件承受了這些疲勞。這種附加的疲勞可以以累積分析的形式加到上述的、在部件原來的載荷循環的基礎上對于部件所確定的失效特征值，從而得出表明了相應部件全部出現的失效的特征的近似值。于是由此可以得出例如關于部件剩余壽命的結論、對未來維修周期的診斷或者診斷結論或類似的。
正是在所示出的汽輪機組件載荷的例子中，整個經過的載荷循環可以持續相當長的時間段，例如一個月或者一年。在此，為了能夠確定部件當前疲勞狀態的估計值而不指定當前載荷循環的完整過程，并且為了能夠尤其實時地得到質量相對較高的診斷結論，在確定表明了由于隨著時間變化的負載而引起的部件疲勞狀態的特征值的近似值時，除了給定情況下已經封閉的負載循環，還要考慮到部分封閉的負載循環，其中在計算部分地封閉的負載循環的還沒有經過階段的暫時載荷值時，將零值作為預先規定的固定值進行考慮。
因此例如在經過第一個最大值4之后的一個時刻，也就是在t2時刻之后的一個時刻，以這種方式來確定表明部件疲勞狀態的近似值，即還沒有封閉的負載循環通過考慮著以雙箭頭18表示出的、至此最大的負載而延續。為了這個目的，在基礎的計算時，將其他可能相關的特征參數、也就是例如在全局最小值10中的還沒有經過的暫時載荷設置為零值。相反在經過了局部最小值6之后，將以雙箭頭20表示出的、通過對全局最大值4和局部最小值6的分析而得出的、至此最大的載荷數值作為用于確定近似值的中間值來考慮。
權利要求
1.通過多個負載循環來確定由于隨著時間變化的載荷而引起的部件疲勞狀態的特征值的近似值的方法，其中，一起考慮僅僅部分地封閉的負載循環，其中對于所述僅僅部分地封閉的負載循環的還沒有經過的階段，以預先規定的固定值來考慮暫時的載荷值。
2.按照權利要求1所述的方法，其中預先規定零值作為固定值。
3.按照權利要求1或2所述的方法，其中由負載循環的全局最大值和全局最小值所形成的差值作為用于確定近似值的中間值。
4.按照權利要求1或2所述的方法，其中由負載循環的全局或者局部最大值和全局或者局部最小值所形成的差值作為用于確定近似值的中間值。
5.按照權利要求1至4中任一項所述的方法，其中汽輪機部件的疲勞狀態特征值的近似值被確定。
全文摘要
通過多個負載循環來確定由于隨著時間變化的載荷而引起的部件疲勞狀態的特征值的近似值的方法，應該本身在相對長時間延續的載荷循環中實現尤其滿足需求的、并且適合于實時地確定維修周期的關于部件當前疲勞狀態的診斷。為此除了給定情況下已經封閉的載荷循環，在確定特征值時還考慮僅僅部分地封閉的負載循環，其中所述僅僅部分地封閉的負載循環的還未經過的階段的暫時載荷值被考慮為預先規定的固定值。
文檔編號F02C9/00GK101080550SQ200580037530
公開日2007年11月28日 申請日期2005年10月26日 優先權日2004年10月29日
發明者A·博德, E·戈布雷赫特 申請人:西門子公司