[发明专利]用于运行涡轮发动机的方法和系统

说明书

技术领域

本发明申请大致涉及用于确定涡轮叶片变形的方法和系统。更具 体地，但是并不以限制的方式，本申请涉及用于在涡轮机运行时测量 涡轮叶片变形的方法和系统。

背景技术

工业燃气涡轮机、蒸汽涡轮机和航空发动机的涡轮叶片在高温环 境下运行，在这种环境中温度有规律地到达600℃到1500℃之间。此 外，总的趋势是提高涡轮机运行温度以提高输出和发动机效率。与这 些条件相关联的置于涡轮叶片上的热应力非常严重。

一般而言，由于经由涡轮机的旋转速度所施加的力，涡轮叶片经 历高水平的机械应力。这些应力已经被驱向更高的水平以力图适应包 括更大环形区域的涡轮叶片设计，该设计在运行期间产生更高的输出 扭矩。此外，对于设计具有更大表面积的涡轮叶片叶冠的需要向涡轮 叶片的端部增加了额外的重量，这进一步增加了在运行期间施加到叶 片上的机械应力。当这些机械应力与严重的热应力结合时，导致涡轮 叶片以材料的设计极限或接近材料的设计极限而运行。在这样的条件 下，涡轮叶片通常经历缓慢变形，这通常被称作“金属蠕变”。金属 蠕变是指其中金属部件由于长期暴露于应力和高温而缓慢改变形状 的情况。涡轮叶片可在径向或轴向上变形。

同样，压缩机叶片由于经由压缩机的旋转速度施加的力而经历高 水平的机械应力。结果，压缩机叶片也可经历与金属蠕变相关联的缓 慢变形。

结果，在涡轮机中主要关注的涡轮叶片和压缩机叶片故障模式是 金属蠕变，且特别是径向金属蠕变(即，涡轮叶片或压缩机叶片的伸 长)。如果不加以注意，金属蠕变最终可造成涡轮叶片或压缩机叶片破 裂，而这可能会造成涡轮机单元的极度破坏且导致相当长的维修停机 时间。一般而言，用于监控金属蠕变的常规方法包括：(1)试图通过使 用诸如有限元件分析程序的分析工具预测作为时间的函数的叶片的 累积蠕变伸长，分析工具从基于实验室中在等温蠕变测试条上所执行 的蠕变应变测试的算法来计算蠕变应变；或者(2)在单元的停机时间期 间执行目视检查和/或手工测量。但是，预测分析工具常常不准确。而 目视检查和/或手工测量劳动密集、成本高，并且也常常产生不准确的 结果。

在任何情况下，无论是通过使用分析工具、目视检测还是手工测 量做出的关于涡轮叶片或压缩机叶片的健康状况的不准确预测都可 能是昂贵的。另一方面，不准确的预测会允许叶片超过它们的有用运 行寿命运行并导致叶片故障，这会造成涡轮机单元的严重损坏和维修 停机时间。另一方面，不准确的预测可使涡轮叶片或压缩机叶片过早 退役(即，在其有用运行寿命完成之前)，这导致低效率。因此，准确 地监控涡轮叶片和/或压缩机叶片的金属蠕变变形的能力可提高涡轮 发动机单元的总效率。这种监控可最大限度地延长叶片的使用寿命， 同时避免了叶片故障的风险。此外，如果能够在不使用耗时且费力的 目视检查或手工测量的情况下进行这种监控，将实现更高的效率。因 此，需要用来监控或测量涡轮和压缩机叶片的金属蠕变变形的改进的 系统。

发明内容

因此本申请描述了一种运行涡轮机的方法，该方法包括以下步 骤：1)当涡轮机在不同的运行温度运行时对叶片采集热曲线数据；2) 当涡轮机在不同运行温度运行时对涡轮机采集运行条件数据，该运行 条件数据至少包括涡轮机的旋转速度；3)在不同运行温度基于涡轮机 的旋转速度，确定施加到叶片上的机械应力；4)已知叶片的热曲线数 据和施加到叶片上的机械应力，当涡轮机在不同运行温度运行时对叶 片计算预测蠕变速率数据(其中不同的运行温度至少包括第一运行温 度和第二运行温度)；以及，5)已知当涡轮机在第一运行温度运行时叶 片的预测蠕变速率数据和当涡轮机在第二运行温度运行时叶片的预 测的蠕变速率数据，确定在第一运行温度还是在第二运行温度运行涡 轮机经济上更有效。