專利名稱：確定熱負(fù)荷渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的剩余壽命的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱負(fù)荷渦輪機(jī)領(lǐng)域。本發(fā)明涉及一種確定根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分 的熱負(fù)荷渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的剩余壽命的方法。本發(fā)明還涉及一種實(shí)施該方法的裝置。
背景技術(shù)：
已知的是，在熱負(fù)荷渦輪機(jī)(在此，但非排他的是汽輪機(jī))的轉(zhuǎn)子的壽命中可觀的 破損源自轉(zhuǎn)子材料(尤其渦輪機(jī)入口上)內(nèi)的高溫度梯度。在這種渦輪機(jī)的渦輪過渡階段 期間(例如，啟動(dòng)期間或停機(jī)期間)，由熱動(dòng)力狀況的突然改變引起高溫度梯度。在啟動(dòng)期 間，例如，轉(zhuǎn)子仍處于低溫，而工作氣體(也就是說，在汽輪機(jī)的情形中的蒸汽)流入到具有 高壓和高溫的熱汽管道中。于是，直接暴露于熱汽中的轉(zhuǎn)子表面帶有更高的溫度，而轉(zhuǎn)子主 體的主要部件仍處于(低)初始值。這導(dǎo)致在主體與表面之間的高溫度梯度，該高溫度梯度被轉(zhuǎn)換成機(jī)械應(yīng)力。因?yàn)?在這種汽輪機(jī)的連續(xù)啟動(dòng)和停機(jī)階段，尤其是在現(xiàn)代快速啟動(dòng)聯(lián)合循環(huán)電站應(yīng)用中和具有 高蒸汽溫度(超超臨界use)的渦輪中，轉(zhuǎn)子的壽命由于循環(huán)熱量應(yīng)力(低循環(huán)疲勞LCF) 而降低。因此，用于基于轉(zhuǎn)子中應(yīng)力計(jì)算來剩余壽命的可靠算法取決于轉(zhuǎn)子入口區(qū)域中的 溫度的精確測量值。迄今，還未直接測量渦輪的入口區(qū)域中的轉(zhuǎn)子溫度。相反，例如，借由熱元件在內(nèi) 部的外殼的不同點(diǎn)處已經(jīng)進(jìn)行溫度測量，且由此基于轉(zhuǎn)子和外殼之間的傳遞功能來確定轉(zhuǎn) 子上的相應(yīng)溫度。基于這些測量值，于是獲取轉(zhuǎn)子的應(yīng)力以及由此獲取剩余壽命。然而，這 個(gè)程序?qū)τ诳焖龠^渡過程來說具有一些限制，對于以比常規(guī)蒸汽溫度更高的溫度操作的機(jī) 械來說尤其如此。在該情形中，必須考慮到這樣的事實(shí)轉(zhuǎn)子(在具有兩次切換的聯(lián)合循環(huán) 電站中)的機(jī)械應(yīng)力超過10%可能表示壽命40%的減少。US-A-4, 796，465公開了一種監(jiān)視渦輪機(jī)(尤其是汽輪機(jī))中的材料的方法和裝 置，其中從轉(zhuǎn)子盤或其它渦輪部件的鍛件取用材料樣品，且在最終機(jī)加工鍛件之后，為此目 的將材料樣品插入到所提供的凹槽中。然后在操作期間，將樣品暴露于其主要經(jīng)歷的狀況 中。在預(yù)定操作時(shí)間之后，樣品被再次移除且進(jìn)行材料疲勞等的檢查，以便可確定機(jī)械的剩 余壽命。該方法相當(dāng)復(fù)雜且在實(shí)用方面很不靈活。JP-A-6200701公開了一種確定汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子的剩余壽命的方法，其中在定期間隔 下測量新式轉(zhuǎn)子的高溫部件的硬度。由此計(jì)算硬度降低速率，由該硬度降低速率最終獲得 轉(zhuǎn)子的壽命。同樣，該方法需要進(jìn)入電站且因此是復(fù)雜和不靈活的。JP-A-7217407公開了一種監(jiān)視渦輪壽命消耗的方法和裝置，其中測量外殼以及外 殼厚度中間部分上的表面溫度且從差值來計(jì)算熱應(yīng)力以及將熱應(yīng)力與計(jì)算的極限值比較。 該方法主要適合于靜態(tài)部件(外殼、閥等等)。充其量，該測量使得可能間接測量，從而得到 關(guān)于轉(zhuǎn)子的剩余壽命的結(jié)論。JP-A-63117102公開了一種在轉(zhuǎn)子的光孔中確定汽輪機(jī)的壽命的方法，其中借由 在光孔中可移動(dòng)的電阻傳感器來測量轉(zhuǎn)子的高溫部件和低溫部件的電阻。于是，從電阻的差值來推導(dǎo)出高溫部件的壽命。這種差值測量需要復(fù)雜的內(nèi)置運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是 復(fù)雜的且在操作期間易于出故障，且需要用于將其內(nèi)置并進(jìn)行維護(hù)的可觀附加成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是闡述一種確定受熱負(fù)荷渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的剩余壽命的方法，還提供一 種用于實(shí)施該方法的裝置，該方法避免了已知方法的不利之處且其特征在于使用的靈活 性、設(shè)置的簡易性和高操作可靠性，在此需要尤其強(qiáng)調(diào)的是，用于確定發(fā)生在轉(zhuǎn)子中的熱應(yīng) 力的方法可有利地實(shí)施于至少渦輪機(jī)(在該情形中，例如汽輪機(jī)中)的受控啟動(dòng)階段，在渦 輪機(jī)的啟動(dòng)之前和/或啟動(dòng)期間，考慮到高負(fù)荷渦輪機(jī)部件中的容許熱應(yīng)力之后，確定在 渦輪機(jī)入口和鍋爐出口處的容許蒸汽參數(shù)。該目的是通過權(quán)利要求1和9的所有技術(shù)特征來實(shí)現(xiàn)的，關(guān)于權(quán)利要求9，該目的基本不受限于汽輪機(jī)。對于根據(jù)本發(fā)明的方法重要的是，在轉(zhuǎn)子的一個(gè)或多個(gè)預(yù)定點(diǎn)處直 接測量溫度，以及從測量溫度獲取轉(zhuǎn)子上的熱應(yīng)力。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，尤其借由高溫計(jì)來非接觸式地測量轉(zhuǎn)子上的溫度。根據(jù)本發(fā)明的方法的另一實(shí)施例的特征在于，轉(zhuǎn)子繞軸線可旋轉(zhuǎn)地安裝且由外殼 圍繞；在于，運(yùn)動(dòng)葉片排在軸向方向上間隔地相繼設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，熱工作氣體在軸向方向上 流動(dòng)通過該運(yùn)動(dòng)葉片排；在于，工作氣體被引入到在入口區(qū)域中的轉(zhuǎn)子的葉片裝置中；還 在于，在入口區(qū)域中測量轉(zhuǎn)子上的溫度。具體地說，如果入口區(qū)域由流入螺旋體形成，且入口區(qū)域形成于外殼中且環(huán)狀圍 繞軸線，用于將熱工作氣體徑向引入，且通過鄰近流入螺旋體的偏轉(zhuǎn)管道用于將進(jìn)入的工 作氣體從徑向方向偏轉(zhuǎn)到軸向方向，那么有利的是在啟動(dòng)葉片裝置之前在偏轉(zhuǎn)管道中立刻 測量轉(zhuǎn)子上的溫度。進(jìn)一步的實(shí)施例的特征在于，在環(huán)繞外殼上的固定點(diǎn)處測量轉(zhuǎn)子的溫度，尤其在 圍繞外殼上位于與工作氣體管道相反的點(diǎn)處直接測量轉(zhuǎn)子的溫度。根據(jù)本發(fā)明的裝置的實(shí)施例的特征在于，溫度記錄器是高溫計(jì)。具體地說，渦輪機(jī)具有用于將工作氣體引入到轉(zhuǎn)子的葉片裝置中的入口區(qū)域，該 高溫計(jì)定向在轉(zhuǎn)子的測量區(qū)域上，且所述測量區(qū)域位于入口區(qū)域中。優(yōu)選地，溫度記錄器或高溫計(jì)與轉(zhuǎn)子的預(yù)定點(diǎn)或測量區(qū)域正好相反地設(shè)置在外殼 上。在該情形中有利的是，溫度記錄器或高溫計(jì)固定地設(shè)置在外殼上。根據(jù)本發(fā)明的裝置的另一實(shí)施例的特征在于，溫度記錄器或高溫計(jì)連接到評估單 元，所述評估單元后接指示器裝置，用于指示剩余壽命，具體地說，該評估單元具有用于控 制渦輪機(jī)的操作的控制輸出。


現(xiàn)將通過示例性實(shí)施例結(jié)合附圖來更詳細(xì)地描述本發(fā)明，在附圖中圖1示出了貫通根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的用高溫計(jì)非接觸式測量轉(zhuǎn)子溫度的 汽輪機(jī)的示例性入口區(qū)域的縱截面。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明，構(gòu)想出使用高溫計(jì)作為用于監(jiān)視熱應(yīng)力的裝置的輸入構(gòu)件。公知的 是，高溫計(jì)適合用于實(shí)心主體表面上溫度的非接觸式測量，從而記錄由主體發(fā)出的熱輻射。 因此可能直接讀出轉(zhuǎn)子上尤其重要的部位的溫度，而不是基于必須實(shí)施的傳遞功能來間接 確定。圖1基于例如在EP-A2-1 536 102中所公開的基于汽輪機(jī)構(gòu)造再現(xiàn)了貫穿這種汽 輪機(jī)的入口區(qū)域的縱截面，在根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的汽輪機(jī)中配置用于溫度測量的 高溫計(jì)。圖1的汽輪機(jī)10包括繞軸線22可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子11，且轉(zhuǎn)子11在一端處終結(jié)于轉(zhuǎn)子 軸12。轉(zhuǎn)子11由(內(nèi)部的)外殼13同心圍繞，在轉(zhuǎn)子11與外殼13之間形成有熱汽管道 26，在熱汽管道26中設(shè)置包括導(dǎo)葉16和運(yùn)動(dòng)葉片17的葉片裝置。導(dǎo)葉16被緊固到外殼 13，而運(yùn)動(dòng)葉片17與轉(zhuǎn)子11繞軸線22旋轉(zhuǎn)。熱汽經(jīng)由形成于外殼13中的同心流入螺旋體14而供應(yīng)給渦輪機(jī)，通過偏轉(zhuǎn)管道 15從徑向方向偏轉(zhuǎn)到軸向方向中并軸向傳送到具有葉片裝置16、17的熱汽管道26中，以便 在其中膨脹且同時(shí)做功。在偏轉(zhuǎn)管道15中主要是高溫，而在低于第一運(yùn)動(dòng)葉片排的轉(zhuǎn)子區(qū) 域中尤其嚴(yán)重地出現(xiàn)高熱交替負(fù)荷，轉(zhuǎn)子11的溫度通過高溫計(jì)20在測量區(qū)域18中進(jìn)行非 接觸式測量，高溫計(jì)20固定地附連到外殼13上，位于相對兩側(cè)且位于從測量區(qū)域18發(fā)出 的熱或紅外輻射束19所落入的部位上。當(dāng)然，當(dāng)轉(zhuǎn)子11在旋轉(zhuǎn)時(shí)，測量區(qū)域18在任何時(shí) 間點(diǎn)對應(yīng)于轉(zhuǎn)子11的另一表面區(qū)域，這取決于環(huán)形位置。如果由高溫計(jì)20進(jìn)行的溫度測 量與轉(zhuǎn)子11的旋轉(zhuǎn)以合適的方式進(jìn)行同步，那么溫度測量總是可出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子11的相同表 面區(qū)域。否則，將轉(zhuǎn)子11的環(huán)形同心表面部分上的測量值累積。由高溫計(jì)20記錄的(測量)溫度值經(jīng)由傳輸線路21輸送給評估單元23，且在其 中進(jìn)行評估并轉(zhuǎn)換成熱應(yīng)力值并最終轉(zhuǎn)換成剩余壽命。這些值可指示在指示器裝置24上。 然而，這些值還可經(jīng)由控制輸出25被使用，用于控制汽輪機(jī)10的瞬態(tài)，以便例如優(yōu)化轉(zhuǎn)子 11的剩余壽命。開始時(shí)，本發(fā)明的用途可包括在新式汽輪機(jī)中。然而，還可構(gòu)想出采用這種裝置對 現(xiàn)有的汽輪機(jī)進(jìn)行修整。類似地，可構(gòu)想出提供在汽輪機(jī)的多個(gè)點(diǎn)或其它點(diǎn)處的溫度測量 值，以便改善對剩余壽命的確定。當(dāng)然，上述說明并不僅僅局限于汽輪機(jī)。類似地，任何其 它熱負(fù)荷渦輪機(jī)在技術(shù)動(dòng)作方面是本教導(dǎo)的組成部分。附圖標(biāo)記10汽輪機(jī)11 轉(zhuǎn)子12轉(zhuǎn)子軸13 外殼14流入螺旋體15偏轉(zhuǎn)管道16 導(dǎo)葉17運(yùn)動(dòng)葉片18測量區(qū)域19束
20高溫計(jì)21輸入線路22軸線23評估單元24指示器裝置25控制輸出26熱汽管道
權(quán)利要求
一種用于確定熱負(fù)荷渦輪機(jī)(10)的轉(zhuǎn)子(11)的剩余壽命的方法，在所述方法中，確定渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子(11)上的溫度，從所確定的溫度獲取轉(zhuǎn)子(11)上的熱應(yīng)力，以及從得到的熱應(yīng)力推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子(11)的剩余壽命，其特征在于，在轉(zhuǎn)子(11)的預(yù)定點(diǎn)(18)處直接測量溫度，并且，從測量的溫度來獲得轉(zhuǎn)子(11)上的熱應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述渦輪機(jī)是汽輪機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，非接觸式地測量轉(zhuǎn)子(11)上的溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，借由高溫計(jì)(20)來測量轉(zhuǎn)子(11)上的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子(11)繞軸線(22) 可旋轉(zhuǎn)地安裝且由外殼(13)圍繞；運(yùn)動(dòng)葉片(17)排在軸向方向間隔開地相繼設(shè)置在轉(zhuǎn)子 (11)上，熱工作氣體在軸向方向上流動(dòng)通過所述運(yùn)動(dòng)葉片排；工作氣體被引入到轉(zhuǎn)子(11) 的葉片裝置(17)中位于入口區(qū)域(14，15)中；并且，在入口區(qū)域(14，15)中測量轉(zhuǎn)子(11) 上的溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述入口區(qū)域由流入螺旋體(14)形成，所 述入口區(qū) 域形成在外殼(13)中且環(huán)狀圍繞軸線(22)，用于將工作氣體徑向引入，且通過鄰 近流入螺旋體(14)的偏轉(zhuǎn)管道(15)用于將進(jìn)入的工作氣體從徑向方向偏轉(zhuǎn)到軸向方向； 還在于，在啟動(dòng)葉片裝置(17)之前在偏轉(zhuǎn)管道(15)中立刻測量轉(zhuǎn)子(11)上的溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在環(huán)繞外殼(13)上的固定點(diǎn) 進(jìn)行轉(zhuǎn)子(11)上的溫度測量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在環(huán)繞外殼(13)上位于與工作氣體管道 (26)相反的點(diǎn)處直接測量轉(zhuǎn)子(11)上的溫度。
9.一種用于實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1所要求保護(hù)的方法的裝置，所述裝置位于熱高負(fù)荷渦 輪機(jī)或汽輪機(jī)(10)中，所述裝置包括繞軸線(22)可旋轉(zhuǎn)地安裝的轉(zhuǎn)子(11)，所述轉(zhuǎn)子包括 在軸向方向上延伸的葉片裝置(17)且被外殼(13)圍繞以便形成熱工作氣體管道或熱汽管 道(26)，其特征在于，在外殼(13)上配置有非接觸式操作溫度記錄器(20)，所述記錄器記 錄在轉(zhuǎn)子(11)的預(yù)定點(diǎn)(18)處的溫度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述溫度記錄器是高溫計(jì)(20)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的裝置，其特征在于，所述渦輪機(jī)或汽輪機(jī)(10)包括用 于將工作氣體或熱汽引入到轉(zhuǎn)子(11)的葉片裝置(17)中的入口區(qū)域(14，15)；還在于，高 溫計(jì)(20)定向在轉(zhuǎn)子(11)的測量區(qū)域(18)上，所述測量區(qū)域位于入口區(qū)域(14，15)中。
12.根據(jù)權(quán)利要求8-11中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述溫度記錄器或高溫計(jì) (20)與轉(zhuǎn)子(11)的預(yù)定點(diǎn)或測量區(qū)域(18)正好相反地設(shè)置在外殼(13)上。
13.根據(jù)權(quán)利要求8-12中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述溫度記錄器或高溫計(jì) (20)固定地配置在外殼(13)上。
14.根據(jù)權(quán)利要求8-13中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述溫度記錄器或高溫計(jì) (20)連接到評估單元(23)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述評估單元(23)后接指示器裝置 (24)，所述指示器裝置用于指示剩余壽命。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的裝置，其特征在于，所述評估單元(23)具有控制輸出(25)，所述控制輸出用于控制渦輪機(jī)或汽輪機(jī)(10)的操作.
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定熱負(fù)荷渦輪機(jī)(10)的轉(zhuǎn)子(11)的剩余壽命的方法。在該方法中，確定轉(zhuǎn)子(11)上的溫度，從所確定的溫度獲取轉(zhuǎn)子(11)上的熱應(yīng)力，且從獲得的熱應(yīng)力推導(dǎo)出關(guān)于轉(zhuǎn)子(11)剩余壽命的結(jié)論。為了容易地、精確地和靈活地確定剩余壽命，在轉(zhuǎn)子(11)上的預(yù)定點(diǎn)(18)處直接測量溫度，且從所確定的溫度獲取轉(zhuǎn)子(11)上的熱應(yīng)力。
文檔編號F01D21/14GK101842555SQ200880113845
公開日2010年9月22日 申請日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月2日
發(fā)明者A·埃爾扎姆, F·孔朱, P·魏斯, P·魯菲諾, W·F·D·莫爾 申請人:阿爾斯通技術(shù)有限公司