專利名稱：用于確定部件疲勞狀態(tài)的特征值的方法
用于確定部件疲勞狀態(tài)特征值的近似值的方法。
本發(fā)明涉及一種通過多個(gè)負(fù)載循環(huán)來確定由于隨著時(shí)間變化的載荷而引起的部件疲勞狀態(tài)的特征值的近似值的方法在大量技術(shù)設(shè)備的應(yīng)用中，組件或者部件可能承受交替的或者隨時(shí)間變化的載荷，例如以機(jī)械的或者熱形式的載荷。其中單個(gè)部件會(huì)通過出現(xiàn)的壓應(yīng)力或者拉應(yīng)力而承受例如直接的機(jī)械載荷。而當(dāng)汽輪機(jī)啟動(dòng)或者停止的時(shí)候，這種隨時(shí)間變化的熱形式的載荷則產(chǎn)生于例如渦輪機(jī)部件或者組件中，尤其是在汽輪機(jī)中。
在汽輪機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，也就是渦輪機(jī)部件從冷的起始狀態(tài)出發(fā)被逐漸加熱，直到在根據(jù)設(shè)計(jì)的運(yùn)行狀態(tài)中調(diào)整到相對(duì)較高的溫度水平。相反在汽輪機(jī)停止的時(shí)候，部件由相對(duì)較熱的起始狀態(tài)出發(fā)被持續(xù)冷卻，直到全部部件都達(dá)到環(huán)境溫度為止。在這個(gè)加熱以及冷卻的過程中，在某些部件中產(chǎn)生了在相應(yīng)部件的與加熱介質(zhì)或者冷卻介質(zhì)直接接觸的表面和內(nèi)部之間的溫度差。這種溫度區(qū)別會(huì)導(dǎo)致在部件中產(chǎn)生熱應(yīng)力，并由此導(dǎo)致了部件的直接載荷。
在部件中出現(xiàn)所述形式的機(jī)械載荷或者熱載荷會(huì)在顯微基礎(chǔ)上在部件或者類似物的晶體組織內(nèi)導(dǎo)致重新調(diào)整過程。因此這種隨著時(shí)間變化的載荷通常會(huì)引起相應(yīng)部件的所謂的材料疲勞或者失效(Er-schoepfung)，這會(huì)引起材料特性、例如硬度或者負(fù)荷能力的持續(xù)不斷地惡化或者損害。隨著部件增加的疲勞狀態(tài)或者隨之產(chǎn)生的材料特性的損害，相應(yīng)部件有可能不再滿足特定的預(yù)先規(guī)定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，例如負(fù)荷能力以及類似性能，從而相應(yīng)部件在隨著時(shí)間變化的載荷下持續(xù)的疲勞將會(huì)限制這些部件的使用壽命或者將來的使用性。因此對(duì)于承受著交替或者隨著時(shí)間變化的載荷的部件，考慮到出現(xiàn)的疲勞或者材料失效，通常及時(shí)更換相應(yīng)部件或者在給定的維修周期內(nèi)進(jìn)行適合的維修。
為了避免相應(yīng)技術(shù)設(shè)備不必要的停機(jī)狀態(tài)和伴隨而來的高昂的維修費(fèi)用和類似情況，或者尤其將這類費(fèi)用維持在比較少的水平上，通常設(shè)置適應(yīng)于尤其被負(fù)載部件的疲勞狀態(tài)或者失效狀態(tài)的維修周期計(jì)劃和類似計(jì)劃。為了能夠尤其有針對(duì)性地將其實(shí)現(xiàn)，對(duì)于很多應(yīng)用場(chǎng)合來說需要近似地確定相應(yīng)部件疲勞狀態(tài)的特征值。為了確定這種特征值，通常需要對(duì)部件的載荷循環(huán)、也被稱為負(fù)載循環(huán)進(jìn)行分析。此外相應(yīng)部件隨著時(shí)間變化的載荷借助連續(xù)檢測(cè)的測(cè)量值進(jìn)行監(jiān)控。
在此例如可以監(jiān)控部件上機(jī)械應(yīng)力隨著時(shí)間變化的走向，或者例如在汽輪機(jī)的情況下，監(jiān)控在相應(yīng)部件中出現(xiàn)的、在部件表面和部件內(nèi)部之間的、引起熱載荷的溫度差隨著時(shí)間變化的走向。其中部件的一個(gè)完整的載荷循環(huán)被稱為負(fù)載周期循環(huán)，在該載荷循環(huán)中，首先由初始狀態(tài)出發(fā)經(jīng)過載荷中例如通過最大的機(jī)械應(yīng)力而產(chǎn)生的最大值，接著在通過零點(diǎn)后經(jīng)過例如通過最大的機(jī)械拉應(yīng)力而產(chǎn)生的最小值。當(dāng)部件交替經(jīng)過壓應(yīng)力和拉應(yīng)力之后重新回到其原來狀態(tài)時(shí)，將達(dá)到被稱為負(fù)載周期循環(huán)的載荷循環(huán)的終點(diǎn)。
這種在此類載荷循環(huán)中總共出現(xiàn)的負(fù)載周期循環(huán)在此通常是總共經(jīng)過過的載荷波動(dòng)幅度，也就是在壓應(yīng)力最大值和拉應(yīng)力最大值之間的載荷值的差值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(yīng)載荷循環(huán)完全結(jié)束之后由這類的負(fù)載周期循環(huán)可以確定與由此產(chǎn)生的材料疲勞有關(guān)的詳細(xì)的特征值。在使用部件的時(shí)候出現(xiàn)的總共疲勞或者失效將通過相應(yīng)疲勞特征值的累積來計(jì)算，其中可以在結(jié)果中確定對(duì)于部件而言迄今為止總共出現(xiàn)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(yù)期剩余使用壽命，由此可以按照相應(yīng)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(diǎn)在于，對(duì)確定疲勞狀態(tài)的特征值所需的測(cè)量值只能在載荷循環(huán)中不完全實(shí)時(shí)地提供使用，該載荷循環(huán)可能各根據(jù)相應(yīng)部件的使用延續(xù)超過相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間段，例如幾個(gè)月甚至幾年。
因此本發(fā)明的任務(wù)在于，通過多個(gè)負(fù)載循環(huán)來確定由于隨著時(shí)間變化的載荷而引起的部件疲勞狀態(tài)的特征值的近似值的方法，本身在相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間延續(xù)的載荷循環(huán)中實(shí)現(xiàn)尤其滿足需求的、并且適合于實(shí)時(shí)地確定維修周期的關(guān)于部件當(dāng)前疲勞狀態(tài)的診斷。
這項(xiàng)任務(wù)可以根據(jù)本發(fā)明通過如下方式來完成，即除了給定情況下已經(jīng)封閉的載荷循環(huán)，在確定特征值時(shí)還考慮僅僅部分地封閉的負(fù)載循環(huán)，其中所述僅僅部分地封閉的負(fù)載循環(huán)的還未經(jīng)過階段的暫時(shí)載荷值被考慮為預(yù)先規(guī)定的固定值。
在此本發(fā)明由此構(gòu)思出發(fā)，即不依賴于可能較長(zhǎng)的時(shí)間跨度，在載荷循環(huán)結(jié)束時(shí)提供一種適合于部件當(dāng)前疲勞狀態(tài)的相對(duì)實(shí)時(shí)的診斷。然而為了能夠給出關(guān)于當(dāng)前疲勞狀態(tài)的相對(duì)可靠的診斷，這種方法不應(yīng)該局限于對(duì)過去已經(jīng)封閉的負(fù)載循環(huán)的分析。這可以通過如下方式實(shí)現(xiàn)，即對(duì)于當(dāng)前已經(jīng)存在的、但是還沒有封閉的負(fù)載循環(huán)在確定疲勞狀態(tài)的估計(jì)值時(shí)就一起被考慮，為此即使由于當(dāng)前載荷循環(huán)的這種不完整的數(shù)據(jù)，也必須要將就可能相對(duì)大的不精確性。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，在當(dāng)前正在進(jìn)行的、還沒有封閉的載荷循環(huán)中一起考慮在盡可能大的范圍內(nèi)已經(jīng)實(shí)際上存在的測(cè)量值，其中為了對(duì)還不存在的、已部分地封閉的負(fù)載循環(huán)的還沒有進(jìn)行階段的載荷值繼續(xù)進(jìn)行加工，以置換的方式預(yù)先規(guī)定適合的固定值作為替代值。
對(duì)于已部分封閉的負(fù)載循環(huán)的還沒有進(jìn)行階段的作為暫時(shí)載荷值而預(yù)先規(guī)定的固定值，在此可以尤其考慮到現(xiàn)存可能的材料特定或者部件特定的認(rèn)識(shí)合適地進(jìn)行選擇。然而為了特別簡(jiǎn)化進(jìn)一步的分析，有利的是預(yù)設(shè)零值作為固定值。
優(yōu)選基于當(dāng)前正在進(jìn)行的載荷循環(huán)的確定的載荷值來確定中間值，實(shí)現(xiàn)近似地確定部件的當(dāng)前疲勞狀態(tài)的特征值，其中這個(gè)中間值可以借助已存在的數(shù)據(jù)庫合適地變換為疲勞狀態(tài)特征的特征值。在此由負(fù)載循環(huán)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(jù)外部環(huán)境的時(shí)間進(jìn)展以及可能變化的操作要求，除了通常出現(xiàn)的全局最大值和最小值，負(fù)載循環(huán)還具有局部的最大值或最小值。為了對(duì)于這種情況，即還未封閉的負(fù)載循環(huán)還沒達(dá)到全局最小值并由此相應(yīng)的認(rèn)識(shí)還不存在，也能夠確定尤其實(shí)時(shí)的并且相對(duì)精確地確定疲勞狀態(tài)的特征值，有利地將負(fù)載循環(huán)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(yīng)用于承受著由運(yùn)行情況所決定的在時(shí)間上相對(duì)較長(zhǎng)延續(xù)的載荷循環(huán)的組件或者部件，因?yàn)檎窃谶@種組件或者部件中，在確定當(dāng)前實(shí)際狀態(tài)下的疲勞狀態(tài)時(shí)，對(duì)于分析在其他情況要求完整的當(dāng)前負(fù)載循環(huán)或載荷循環(huán)的結(jié)束會(huì)導(dǎo)致相對(duì)較大時(shí)間上的偏差。因此有利地該方法應(yīng)用于重型機(jī)器制造，尤其是在發(fā)電廠設(shè)備中，優(yōu)選應(yīng)用于汽輪機(jī)設(shè)備的運(yùn)行中。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)特別在于，通過對(duì)相應(yīng)的載荷值以預(yù)先規(guī)定的固定值來考慮部分地封閉的負(fù)載循環(huán)的那些還沒有經(jīng)過的階段，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)部件失效狀態(tài)的尤其實(shí)時(shí)的確定，而不需要等待當(dāng)前載荷循環(huán)的完全結(jié)束。在此至少可以將已經(jīng)存在的對(duì)當(dāng)前負(fù)載循環(huán)的認(rèn)識(shí)一同進(jìn)行考慮，從而可以對(duì)于相應(yīng)部件也在不完整的負(fù)載循環(huán)內(nèi)確定至少一個(gè)近似值，該近似值用于至少已經(jīng)達(dá)到的失效或者材料疲勞。由此正好在時(shí)間上相對(duì)較長(zhǎng)延續(xù)的載荷循環(huán)中也能實(shí)現(xiàn)對(duì)于當(dāng)前材料狀態(tài)和可能的剩余壽命、必要的維修工作以及類似性質(zhì)的質(zhì)量上相對(duì)較高的診斷。此外例如在部件故障時(shí)實(shí)現(xiàn)更好的診斷，因?yàn)槌霈F(xiàn)的失效實(shí)時(shí)地被確定為主要原因，從而實(shí)現(xiàn)了將出現(xiàn)的失效與可能的原因比較精確地進(jìn)行匹配。
借助附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。其中附圖以線圖的形式示出了在汽輪機(jī)的運(yùn)行中部件載荷循環(huán)的可能的隨著時(shí)間的走向。
在汽輪機(jī)通常的運(yùn)行方式中，在開始階段或者起動(dòng)階段中，由靜止的渦輪機(jī)出發(fā)，逐步增加地加載高溫工作介質(zhì)，用于加熱與介質(zhì)接觸的組件。直接承受介質(zhì)的組件，例如渦輪機(jī)葉片或者其他直接承受流動(dòng)介質(zhì)的部件，它們的加熱在此首先通過相對(duì)較快地將直接承受介質(zhì)的表面進(jìn)行加熱來實(shí)現(xiàn)，這種加熱由于各自根據(jù)材料和相應(yīng)組件的結(jié)構(gòu)方式、特別是相應(yīng)的壁厚的熱延緩，或快或慢地繼續(xù)延伸到相應(yīng)組件的內(nèi)部區(qū)域中。在汽輪機(jī)起動(dòng)時(shí)的過渡階段中，由此在一些組件中，在相應(yīng)組件的一方面外側(cè)面或表面和另一方面內(nèi)部區(qū)域之間出現(xiàn)溫度差。這種溫度差在相應(yīng)組件中引起了熱應(yīng)力，這種應(yīng)力基本類似機(jī)械應(yīng)力，例如壓應(yīng)力。
相反在汽輪機(jī)的冷卻時(shí)，相應(yīng)組件進(jìn)行冷卻，其過程是，首先表面冷卻，然后這種增加的冷卻繼續(xù)延伸到相應(yīng)組件的內(nèi)部空間中。在汽輪機(jī)的這種運(yùn)行階段中，在此也產(chǎn)生溫度差，該溫度差位于汽輪機(jī)的單個(gè)部件上的部件表面和部件內(nèi)部空間之間，然而此時(shí)在該階段中，相應(yīng)組件的表面比內(nèi)部空間更冷。由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力相應(yīng)于例如組件的機(jī)械拉應(yīng)力。
在這種運(yùn)行方式中產(chǎn)生的應(yīng)力引起的汽輪機(jī)相應(yīng)部件的載荷，可以示例地表示為所謂的載荷-時(shí)間線圖，如同在汽輪機(jī)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(shí)間，其中在實(shí)施例中，y軸代表所確定的特征值，該特征值用于在渦輪機(jī)所選部件表面、例如渦輪機(jī)外殼和所選部件內(nèi)部溫度之間的溫度差Δt。這種溫度差表明了在部件中產(chǎn)生的熱應(yīng)力的特征，并且由此也表明了所引起的機(jī)械應(yīng)力的特征。替代地也可以例如在汽輪機(jī)的其他部件或者也在其他技術(shù)設(shè)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(jī)械應(yīng)力或類似的。
在圖1中以其全體示出的汽輪機(jī)部件的載荷循環(huán)在t1時(shí)刻開始汽輪機(jī)的開始階段。由t1時(shí)刻開始，汽輪機(jī)逐漸加熱，從而在表面和相應(yīng)部件的內(nèi)部之間建立起正溫度差。在這個(gè)階段中，線圖1中用于表明載荷循環(huán)特征的載荷曲線2首先上升。在汽輪機(jī)繼續(xù)加熱時(shí)，這個(gè)溫度差首先繼續(xù)增大，直到在t2時(shí)刻達(dá)到最大值4。
在接近平衡狀態(tài)的情況下，溫度差接著再次降低，直到在t3時(shí)刻達(dá)到平衡狀態(tài)，在平衡狀態(tài)中，在相應(yīng)部件內(nèi)呈現(xiàn)相同的溫度分布。在線圖1示出的實(shí)施例中，接著與運(yùn)行方式有關(guān)地進(jìn)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(nèi)部空間進(jìn)行的。由此在部件的表面和內(nèi)部空間之間產(chǎn)生負(fù)溫度差。在t4時(shí)刻，這個(gè)溫度差達(dá)到最大，從而在載荷曲線2中形成一個(gè)最小值6。接著部件的表面和內(nèi)部空間之間溫度彼此再次適應(yīng)，使得載荷曲線2重新走向零值。
然而在實(shí)施例中，在這種情況出現(xiàn)之前，汽輪機(jī)進(jìn)行重新的冷卻，從而在部件表面和內(nèi)部空間之間的溫度差的數(shù)值重新增加。在t5時(shí)刻，這引起了在載荷曲線2上的一個(gè)局部最大值8。由此出發(fā)，溫度差的數(shù)值繼續(xù)增大，并在t6時(shí)刻形成了在載荷曲線2上的一個(gè)最小值10。由此出發(fā)，溫度再次開始彼此接近，在此與運(yùn)行有關(guān)地，在經(jīng)過另一個(gè)最大值12和另一個(gè)最小值14之后，在t7時(shí)刻汽輪機(jī)被完全冷卻，并且在所選擇部件的表面和內(nèi)部空間之間的溫度差再次為零值。
在t1時(shí)刻和t7時(shí)刻之間，汽輪機(jī)由此經(jīng)過帶有所選部件的加熱和冷卻的一個(gè)完整載荷循環(huán)。由于通過示出應(yīng)力所引起的細(xì)微重新調(diào)整過程，在經(jīng)過這種載荷循環(huán)、也被稱為負(fù)載循環(huán)時(shí)，也發(fā)生了被稱為材料疲勞或失效的部件削弱，這引起了機(jī)械負(fù)載能力以及類似性能的降低。其中相應(yīng)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(duì)于部件被視為可靠的材料失效或者疲勞時(shí)，就被認(rèn)為必須更換或者維修相應(yīng)部件。
對(duì)部件失效狀態(tài)特征值的匹配在此可以借助特定部件和材料的經(jīng)驗(yàn)值來進(jìn)行，該經(jīng)驗(yàn)值例如可以儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中。為了對(duì)這種失效匹配出近似的估計(jì)值，需要分析在線圖1中示出的載荷循環(huán)，其方法是，對(duì)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(fù)載循環(huán)進(jìn)行計(jì)算。這可以根據(jù)原有的經(jīng)驗(yàn)，如果可能，給定情況下在數(shù)據(jù)庫中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)，對(duì)于附加疲勞匹配出估計(jì)值，經(jīng)過了整個(gè)通過載荷曲線2所代表的負(fù)載循環(huán)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(huán)的基礎(chǔ)上對(duì)于部件所確定的失效特征值，從而得出表明了相應(yīng)部件全部出現(xiàn)的失效的特征的近似值。于是由此可以得出例如關(guān)于部件剩余壽命的結(jié)論、對(duì)未來維修周期的診斷或者診斷結(jié)論或類似的。
正是在所示出的汽輪機(jī)組件載荷的例子中，整個(gè)經(jīng)過的載荷循環(huán)可以持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間段，例如一個(gè)月或者一年。在此，為了能夠確定部件當(dāng)前疲勞狀態(tài)的估計(jì)值而不指定當(dāng)前載荷循環(huán)的完整過程，并且為了能夠尤其實(shí)時(shí)地得到質(zhì)量相對(duì)較高的診斷結(jié)論，在確定表明了由于隨著時(shí)間變化的負(fù)載而引起的部件疲勞狀態(tài)的特征值的近似值時(shí)，除了給定情況下已經(jīng)封閉的負(fù)載循環(huán)，還要考慮到部分封閉的負(fù)載循環(huán)，其中在計(jì)算部分地封閉的負(fù)載循環(huán)的還沒有經(jīng)過階段的暫時(shí)載荷值時(shí)，將零值作為預(yù)先規(guī)定的固定值進(jìn)行考慮。
因此例如在經(jīng)過第一個(gè)最大值4之后的一個(gè)時(shí)刻，也就是在t2時(shí)刻之后的一個(gè)時(shí)刻，以這種方式來確定表明部件疲勞狀態(tài)的近似值，即還沒有封閉的負(fù)載循環(huán)通過考慮著以雙箭頭18表示出的、至此最大的負(fù)載而延續(xù)。為了這個(gè)目的，在基礎(chǔ)的計(jì)算時(shí)，將其他可能相關(guān)的特征參數(shù)、也就是例如在全局最小值10中的還沒有經(jīng)過的暫時(shí)載荷設(shè)置為零值。相反在經(jīng)過了局部最小值6之后，將以雙箭頭20表示出的、通過對(duì)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(shù)值作為用于確定近似值的中間值來考慮。
權(quán)利要求
1.通過多個(gè)負(fù)載循環(huán)來確定由于隨著時(shí)間變化的載荷而引起的部件疲勞狀態(tài)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(fù)載循環(huán)，其中對(duì)于所述僅僅部分地封閉的負(fù)載循環(huán)的還沒有經(jīng)過的階段，以預(yù)先規(guī)定的固定值來考慮暫時(shí)的載荷值。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中預(yù)先規(guī)定零值作為固定值。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其中由負(fù)載循環(huán)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(quán)利要求1或2所述的方法，其中由負(fù)載循環(huán)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(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中汽輪機(jī)部件的疲勞狀態(tài)特征值的近似值被確定。
全文摘要
通過多個(gè)負(fù)載循環(huán)來確定由于隨著時(shí)間變化的載荷而引起的部件疲勞狀態(tài)的特征值的近似值的方法，應(yīng)該本身在相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間延續(xù)的載荷循環(huán)中實(shí)現(xiàn)尤其滿足需求的、并且適合于實(shí)時(shí)地確定維修周期的關(guān)于部件當(dāng)前疲勞狀態(tài)的診斷。為此除了給定情況下已經(jīng)封閉的載荷循環(huán)，在確定特征值時(shí)還考慮僅僅部分地封閉的負(fù)載循環(huán)，其中所述僅僅部分地封閉的負(fù)載循環(huán)的還未經(jīng)過的階段的暫時(shí)載荷值被考慮為預(yù)先規(guī)定的固定值。
文檔編號(hào)F02C9/00GK101080550SQ200580037530
公開日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者A·博德, E·戈布雷赫特 申請(qǐng)人:西門子公司