CN101273385B - 旋转机器中的或与其相关的改进 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转机器，例如涡轮机，具有旋转组件，例如叶轮，其包括用于存储有关所述组件过去使用状况数据的存储器。所述数据与与旋转速度和周围温度相关，所述温度和速度由所述旋转组件上或远离其的探测器探测。所存储的数据可以是随着时间采样的原始温度和速度数据，该数据随后被用于得出小周期疲劳和蠕变损坏的值。这些疲劳和蠕变值反过来与所述组件的载荷外形相关以得出组件已使用寿命的值。或者，所存储的数据可以是疲劳和蠕变值和/或，优选组件已使用和剩余寿命的值。在第二实施例中，所述探测器与评估装置一起位于机器外壳上。所述评估装置用所述温度和速度数据并根据这些数据计算损坏值以及因此的已使用和剩余寿命值。这些寿命值和/或损坏值局部存储在所述评估装置中，但是也以预定时间传送到所述旋转组件之中或之上的RF标签。在两个实施例中，所述旋转组件包含基于其使用历史的自身寿命数据。因此，可以在全部时间知道所述组件是否可以在特定的场合安全的重新使用，或者其是否在这样的重新使用过程中失效。

Description

旋转机器中的或与其相关的改进

技术领域

本发明涉及包括旋转组件的旋转机器，还涉及做为涡轮机的旋转机器，其中所述旋转组件是叶轮。本发明也涉及所述旋转组件本身。

背景技术

涡轮机通常在柴油机中使用。柴油机需要不断增大的涡轮增压器压力比。实际上，已经估算大约每十年需要增大0.75，主要是做为日益严格的排放规定的结果。当压力比增大时，因此涡轮增压器叶轮上的压力和温度升高，这可能影响该叶轮的最大运行寿命。因此，有设法避免使得叶轮长时间工作而损坏的需要。

为了实现这个目标，一个方法是在一定长度的假定代表所述叶轮正常寿命的时间后更换叶轮，一般为50000小时。然而，如果所述叶轮的寿命不符合这个数字这可以导致叶轮可能损坏。一个可选的方法是规律而保守的间隔更换叶轮组件。然而，这通常忽视了这样的事实，在涡轮增压器的部分寿命中，这些组件并没有运行或者运行在额定功率之下(即，特定载荷下的额定小时数，循环数，等)。因此，额外的花费施加到了涡轮增压器拥有者和制造商上。类似的，翻新涡轮增压器制造商将经常决定安装新的叶轮以便可靠的满足最小寿命要求。这也将在叶轮被拆掉后有成本损失，该叶轮的使用寿命并未到头。

有时为避免叶轮失效采取的进一步措施是将目前标准的铝基材料更换为能提供更高机械强度的钛基材料。然而，虽然这可以提供显著的运行安全余量，其一般将涡轮增压器成本增大了30％，这显然是不希望的。

在一些情况下，有限的叶轮寿命的问题完全被忽略，因此叶轮经常接近其运行极限而运行。如果叶轮失效，这将危害生命和财产，并且制造商的名誉也受到损害。

避免了已经叙述的方法的缺点的一个不同的方法试图以尽可能高的精确度确定在任何特定的时间点叶轮的最大寿命的几分之几已经期满，因此可以对剩余寿命做出估计。这个知识能够最大可能的利用叶轮的总寿命。

叶轮的最大寿命主要取决于两个限制因素，蠕变和小周期疲劳。蠕变受叶轮在特定压力和温度下经过的时间的强烈影响，而小周期疲劳受叶轮的峰值压力和循环功率(cyclic duty)影响。蠕变和小周期疲劳的情形通常并不一致，虽然蠕变可能引起疲劳裂纹。压力基本上是转子旋转速度的函数。但是，转子中的温度分配也产生压力，该压力将增加到总压力等级中。当所述叶轮在瞬态条件下运行时尤其恶化，比如冷起动和温度分布达到稳定状态前的载荷突然变化。叶轮温度是周围温度和该叶轮速度的函数，而所述叶轮的循环功率是涡轮增压器速度变化数量和特性的函数。叶轮受到的损害可以用其功率周期的知识计算。这个计算通常在叶轮的设计中完成，其基于一个估计的和有可能一个极限的功率，并且此后给出组件寿命。这通常为50000小时，如前所述。类似的，可以估计使用过给定时间的叶轮累积损坏的量和已过去的寿命的数字。叶轮的剩余寿命随后可以在这个基础上推算。

用于涡轮增压器叶轮安全运行的安全设计概念的一个例子是由ABB开发的所谓“SIKO”程序。该程序在由ABB在2003年出版的出版物“涡轮增压器维护：最优化预防性维护”中概略叙述，其分为若干模块，即：

-载荷分布(profile)的确定(涡轮增压器运行状态下)；

-叶轮材料性能的确定；

-利用2D或3D有限元分析确定压力和温度分布；

-利用线性Palmgren-Miner法则确定累积损坏；以及

-用累计损坏计算叶轮的过期寿命

因此，根据有关叶轮材料性能数据，材料中的压力计算和温度分布，可以对一定的载荷分布进行叶轮寿命的计算。所述计算对压缩机和涡轮机的每一个关键位置执行。

涡轮喷气发动机或者其它类型发动机的运行速度和温度抽样值的使用，以便获得旋转组件的寿命也在1980年10月25日出版的俄罗斯专利SU773657-B中已知。

叶轮的工作循环可以从发动机运行记录中理解，如果保持了任何记录的话。这些记录可能包括涡轮增压器的速度和进气温度并保持在发动机管理系统中并因此与发动机联系。一般，记录保持为每天一个工作点。在实际中，发动机上的涡轮增压器定期更换，或者是为了维护的目的以有规律的间隔(例如，每15000小时)或者是由于运行事故的结果。被拆下或者可能仍然包含相同叶轮的所述涡轮增压器此后可以被用于另一个发动机上，并且甚至可用在不同的场合(比如发电站，船用发动机，机车等)，其可能涉及不同的工作循环。

由于叶轮或者整个涡轮增压器在其使用期限中可能被用在若干不同的发动机上的几率很高，已经证明很难在此时间段以任何可靠度监控其功率以便对其剩余寿命做出精确估算。

因此，需要提供一种以更高的可靠性估算叶轮使用过寿命的方法。此外，需要能够更精确的限定涡轮增压器的运行条件和周期。这些周期一般可以在几秒的时间变化而不是每天一次，如前所述。

发明内容

因此，根据本发明的第一方面，提供了一种旋转组件，其包括存储有关所述组件过去使用的数据的第一存储器。

所述数据可以包括组件的旋转速度值和组件的一个或者多个部件的温度值，或者所述组件的周围温度值。

所述数据可以包括组件遭受的损坏的值，而所述损坏可以是组件所遭受的疲劳损坏和蠕变损坏。所述疲劳可以是小周期疲劳和/或大周期疲劳。损坏优选为组件所遭受的累积损坏。

所述数据可以包括组件的过期运行寿命和/或该组件的剩余运行时间。

所述数据可以包括与由于组件老化引起的组件材料性能的变化相关的数据。

所述数据可以包括下述一个或多个：第一存储器的识别号，旋转组件运行所经过的总小时数和所述旋转组件经历的起动总次数。

所述旋转组件可以另外包括用于探测旋转速的速度探测器，用于探测温度的温度探测器，以及用于取样所述速度和温度、从速度和温度值中获取数据以及将数据写入所述第一存储器的处理装置。所述温度探测器可以是热电偶或者热敏电阻而所述速度探测器可以是以下中的一种：感应线圈；霍尔效应装置；用于测量所述旋转组件的振动的加速计；以及安装在所述旋转组件之中或之上的柔性组件上的应变仪，所述柔性组件在所述旋转组件的载荷下可以变形。

所述旋转组件可以进一步包括用于为处理装置提供时间基准的时钟源。

所述组件可以是比如旋转电动机器的转子，涡轮机的叶轮，或者车轮。

至少所述第一存储器可以有利的设置在所述转子的端面或其附近并优选为在所述转子的纵轴上或附近。在端面或者其附近可以设置用于读出存储在所述第一存储器中的数据的装置。

如果至少所述第一存储器是转发器的一部分是有利的，所述转发器优选RF转发器。

在本发明的第二方面，提供了包括如上所述的旋转组件的旋转机器。

本发明在其第三方面进一步提供一种旋转机器，该旋转机器包括：如上所述的旋转组件；并且其还包括接收装置，并且，所述接收装置设置在所述旋转机器中的所述旋转组件之外的一部分中或其上；速度探测器；温度探测器和评估装置，所述评估装置包括第二存储器和发射装置，所述评估装置连接到速度探测器和所述温度探测器并设置为：取样速度和温度，从速度和温度的样本值得出与所述旋转组件过去使用情况相关的数据；将该数据存储在所述第二存储器中并通过发射装置以预定的时间点(point in time)传送存储在所述第二存储器中的一些或者所有数据到所述旋转组件；所述旋转组件被设置为利用接收装置接收所述一些或者所有数据并将其存储在所述第一存储器中。

在第四方面中，旋转机器包括：如上所述的旋转组件并且其另外包括接收装置，并且，设置在所述旋转机器中所述旋转组件之外的一部分之中或之上；速度探测器；温度探测器和评估装置，所述评估装置包括第二存储器和发射装置，所述评估装置连接到所述速度探测器和所述温度探测器并设置为：取样速度和温度，从速度和温度的样本值得出所述旋转组件经受的累积疲劳和蠕变损坏的量并将这个值存储到所述第二存储器中；从所述累积疲劳和蠕变损坏量得出所述旋转组件已经运行的寿命并将这个值存入所述第二存储器中；从已经运行的寿命和估算的最大寿命，得出所述旋转组件的剩余运行寿命并将这个值存入所述第二存储器中，并在预定时间点通过所述发射装置将存储在所述第二存储器中的一些或者全部数据传送到所述旋转组件，所述旋转组件设置为通过接收装置接收所述一些或者全部数据以将其存储在所述第一存储器中。

优选所述第一存储器是转发器的一部分，并且所述第一存储器存储所述存储器的标识符。

所述评估装置可以设置为另外在所述第二存储器中存储所述标识符和下述其它信息中的一个或两个：所述旋转组件已经运行的经过的总小时数和所述旋转组件经历的总起动次数。

在用所述其它信息和所述剩余运行寿命的新值更新所述第一存储器之前，所述评估装置可以设置为将保持在所述第二存储器中的所述标识符和所述其它信息的现有值与保持在所述第一存储器对应值相比较，如果值相同，则将新值存储在所述第一存储器中。

所述评估装置可以设置为以周期性间隔和/或当所述旋转组件已经停止旋转和/或当所述旋转组件被拆下时进行比较并传送新值。

所述评估装置可以设置为：当不同的旋转组件安装到所述机器上时，存储在所述不同旋转组件的第一存储器中的剩余运行寿命的值、标识符和其它信息被读出并存储到所述第二存储器中。

所述旋转机器可以设置为：当所述不同的旋转组件是未使用过的组件时，剩余运行寿命和所述其它信息的值分别为最大和零。

所述旋转机器可以设置为：在不同的旋转组件安装到所述机器之后，存储在所述第二存储器中的值是存储在所述第一存储器中的值的修改版本。

所述机器优选设置为：当其确定所述转发器不是正确的转发器或者所述转发器不工作时，为了维护的目的启动警报。

所述发射装置可以是RF发射装置；同样所述转发器可以是RF转发器，并且也可以是有源转发器。

所述旋转机器可以是涡轮机而所述旋转组件是该涡轮机的叶轮。

所述评估装置可以设置为读出存储在所述第一存储器中的数据并在与所述旋转组件分开的显示器上显示该数据。

附图说明

现在将借助于附图描述本发明的实施例，其仅仅是做为例子，图中：

图1是根据本发明第一实施例的包括叶轮的转子或旋转组件的侧视图；

图2是图1的叶轮中使用的数据记录装置的框图；

图3是通过叶轮的纵轴并包括用于所述第一实施例中的旋转速度探测装置的视图；

图4是用于Palmgren-Miner法则的材料的S-N特性的曲线图，所述法则用于估算这些材料中疲劳相关的部分损坏。

图5和图6是示出了在实现涉及数据存储(data-binning)技术的本发明中用于计算蠕变和疲劳的示例性测量温度和速度特性的表。

图7是根据本发明的第二实施例的涡轮增压器的侧视图。

具体实施方式

根据本发明的叶轮的第一实施例在图1和图2中示出。叶轮10是转子11的一部分，所述叶轮包括数据记录装置12，其包括用于存储有关旋转速度的数据和有关入射到所述叶轮上的空气的周围温度或者所述叶轮自身的局部温度的数据的存储器14。与存储器14一起包括有用于探测旋转速度的探测器16，用于探测所述叶轮温度(或周围温度)的探测器18，用于将所述探测器输出的波形整平的信号调节台20、22，时钟信号源24，模数转换器26，用于协调所述装置各种操作的控制器30，具有充足的电容以为维护(一般每两年)之间的组件供电的电池28。在使用中，A/D转换器26顺序采集速度和温度探测器的输出并通过所述控制器30将这些值传递到所述存储器14做为数据。所述时钟源24提供适当频率的时钟信号以启动上述采样操作。在一个优选实施例中，如所示出的，所述存储器、探测器、控制器和其它组件沿着纵轴34容纳在叶轮的鼻状部分32。如果所述轴34上的定位准确，则转子将几乎没有或者没有不平衡的情况，这可以有助于节省安装成本。

所述温度探测器可以是热电偶或者是热敏电阻，而所述速度探测器可以是安装在叶轮上的柔性组件上的应变仪的形式，因此当所述柔性组件在所述叶轮旋转过程中被离心加载时来自所述探测器的信号可以与该组件的变形相关。这样的变形将与所述叶轮的速度成比例。或者，可以使用加速计，其监控所述叶轮的振动。因为这些振动的频率将由所述叶轮的旋转速度支配，所述加速计将输出在调节后与旋转速度成比例的信号。或者，所述加速表可以被用来探测速度同时经受来自所述叶轮旋转的离心力。这个方案比基于振动的方法需要的处理能量和电池容量更小。

所述实施例不限于所述数据记录装置的组件如所示出位于所述叶轮的鼻端的情况。这些组件的一些或者全部可以位于所述叶轮的其它部分，比如远离所述叶轮的端面和/或远离所述纵轴34。一个这样的例子在图3中示出。图3示出了探测速度的另外一种方法，其利用磁铁和磁性传感器的结合以提供代表旋转速度的信号。永磁体50设置在所述叶轮10的圆周表面附近并安装在涡轮增压器壳上任何方便的位置。设置在所述叶轮上或其中、在其径向外部区域的是拾取线圈52，其当所述叶轮旋转时输出震荡信号。这些信号用于提供旋转速度的示数。另外，但是它们也可以被送到整流器装置(未示出)，其为数据记录器12中的电子器件供电提供直流电压电平。图3也示出了与第一磁铁径向相对的第二磁铁50’的可能的使用，利用该第二磁铁，所述线圈52可以在所述叶轮每半圈输而不是每整圈输出信号偏移。因此，所述线圈信号的频率将是仅仅使用了一个磁铁50时的两倍，因此来自整流台的所述直流电压的有效平滑可以在更小的平滑电容的帮助下获得。

通过磁感应使用这种供电具有允许完全为了数据保存的目的使用很小的电池28，即，使得所述存储器14成为非易失存储器，尽管已有存储器不需要备用电池以使得其能够保存数据。另外，即使这样磁感应电源当所述转子停顿时将无效，但是在这个阶段需要转子更少的处理，因此需要更少的电能。相应的，这不是缺点。

结合图3，所述线圈52从所述纵轴34径向偏移以便充分接近所述磁铁以拾取其磁通量。在这种情况下，由于所述偏移重量而需要一些形式的叶轮平衡。

所述数据记录器12的多个电子组件并入一个单个的微芯片中是有利的。所述电池需要被定期更换，其优选安装在所述鼻端32的保护帽后，该保护帽可以很容易的由维修技工去掉。如果利用图3的所述速度探测器装置，则所述数据记录器电子器件为了供电的目的优选位于与所述线圈和整流电路相同的位置。与所述电池一起，连接到所述存储器的连接器装置设置在所述保护帽之后，因此保存在所述存储器中的数据可以在所述帽被去掉之后很容易读出。因此与所述数据记录器的通信将本质上是机械的。但是本发明也涉及其它通信形式的使用，包括光学和无线电通信。

为了校准所述探测器16、18，存储在所述存储器14中的速度和温度数据被从所述存储器读出并与实际发动机运行记录比较。对于这两个参数的任何必要的校准因素或者被在外部记录以在下述外部处理过程中使用，或者写入所述存储器14自身并用于通过所述控制器30在所述存储器中存储的数据下运行。

在校准之后以及在所述涡轮增压器的正常使用过程中，存储在所述存储器14中的速度和温度数据被读出并送入外部计算机(例如膝上计算机)，此处所述数据被通过适当的算法运算，所述算法可以与ABB的“SIKO”概念中所利用的类似，或者甚至相同。在一个实施例中，所述存储器14存储速度的周期性样本值(比如，每10秒钟一个样本值，这个周期从所述时钟源24获得)并且所述外部计算机算法计算任何速度变化的最小和最大值并利用这两个值得出用于相关类型的叶轮的疲劳损坏估值。类似的，所述存储器存储输入温度的周期性样本值，并且这些值与所述速度值一起由计算机算法操纵以得出在蠕变处于临界状态的叶轮的特定位置的压力和温度的估值。这些数据，与所述叶轮在所记录条件下经过的时间一起，被用于计算蠕变损坏。蠕变损坏和疲劳损坏此后被组合，假设它们相互作用，并且可以计算出所述叶轮寿命的总减少量。另外，通过将这个减少量与所述叶轮的预期总寿命相比较，可以得出剩余寿命的数字。

一个可选的方案是所述叶轮中的数据记录器完成已使用寿命的必要计算，以及有可能的剩余寿命的必要计算。在那种情况下，所有数据记录器读出的数据基本上是这些寿命数字。

应当注意到，虽然所采样的温度是通常位于涡轮增压器入口的周围温度，与蠕变计算相关的温度是位于最可能发生蠕变的位置，即在那些经受由于所述涡轮增压器压缩动作引起升温的位置。但是，这两个温度通过考虑到所述叶轮的旋转速度很容易互相相关。更精确的说，所述叶轮在给定半径r的温度T由下式给出：

$T=T_{\mathrm{amb}}+k\·\frac{{\mathrm{\Ω}}^2{r}^2}{2C_p}$

其中T_amb是叶轮入口处的驻点温度(一般为周围温度)，Ω是以弧度每秒表示的转子速度，C_p是在恒定压力下的空气比热容，而k是几何形状相关的变量，其取决于所述叶轮的几何形状而具有一个经验值范围。一般的范围是，例如，1≤k≤2。k对于所述叶轮表面上的特定的位置是常量。对于所述叶轮的表面，此处空气被压缩，k＝1，但是对于其它部分，包括蠕变很重要的部分，一般为所述叶轮的后部，k可以大于1。

在累积损坏确定技术的特定例子中，如前述段落中所述，是所谓的Palmtren-Miner法则，其在可获得的公开文献中所述。在前述ABB“SIKO”的概念中附带使用这个法则假定主体可以(在这种情况下是叶轮)容忍一定量的损坏D。如果所述主体承受来自N个源的损坏D_i(其中i＝1，、、、，N)，则当

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i=D$

时将预计发生失效，或者

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{D_i}{D}=1$

限定所述组件的失效，其中D_i/D是来自第i个源的部分损坏。

这种线性损坏概念可以用于通过考虑组件承受在交变应力σ₁下的n₁循环，在交变应力σ₂下的n₂循环...在交变应力σ_N下的n_N循环的情况下确定疲劳损坏。从构成该主体的材料的S-N曲线，可以确定失效的循环数。该数在σ₁为N₁，在σ₂为N₂，、、、在σ_N为N_N(参见图4)。

在应力级σ_i的部分损坏可以简单的定义为n_i/N_i。所述Palmgren-Miner法则规定当

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{n_i}{N_i}=1$

时发生失效。

为了给出这种技术在运转中的例子，假定组件其总寿命的10％在交变应力级为σ₁，30％在σ₂以及60％在σ₃下经受疲劳。如果从用于这种材料的S-N表可以得知，在σ_i下失效的循环数为N_i(i＝1，2，3)，则根据Palmgren-Miner法则，当

$\frac{0.1n}{N_1}+\frac{0.3n}{N_2}+\frac{0.6n}{N_3}=1$

时发生失效。

因此n求出为：

$n=\frac{1}{(\frac{0.1}{N_1}+\frac{0.3}{N_2}+\frac{0.6}{N_3})}$

n是所述的材料和主体的失效的总循环数。在目前的情况下，因为叶轮已经经历的循环数将从所述数据记录器中储存的数据已知，所以可以得出其总寿命中已经经过的部分的估算值。这因此提供了由特定材料制成的特定叶轮所经过和剩余寿命的指示。

刚刚介绍的分析仅仅涉及疲劳损坏，但也可以延伸为涉及蠕变。现在将描述将蠕变损坏和疲劳损坏加在一起的直接的方法。

在特定载荷下的工作循环(n_i，i＝1-N，等等，如上所述)和时间如下处理。假设，除了上述循环之外，所述叶轮已经在三个载荷(l₄，l₅和l₆)下运行，此时每个载荷以周围温度(T₄，T₅和T₆)和旋转运行速度(R₄，R₅和R₆)为特征并且所述叶轮在这些载荷下运行三个时间段(t₄，t₅和t₆)。通过分析所述叶轮的蠕变损坏，特别是利用有限元分析，由于蠕变(H)引起的失效所需的时间可以做为温度和旋转速度的函数而被计算出。这个数据可以被存储在与图6中的表非常类似的查阅表中，其将在下面详细描述，虽然在这种情况下，表中的所述数据将是在给定条件下直到失效的小时数(H)，而不是在该条件下经过的时间(t)。利用这样一个表，与所述三种条件相关的失效所需的小时数可以计算出(H₄，H₅和H₆)。与所述三种载荷相关的损坏然后可以以类似于疲劳损坏的方式计算出，即，t₄/H₄+t₅/H₅+t₆/H₆。因此，在扩展的例子中，利用蠕变和疲劳之间相互作用的最简单的形式，总损坏百分率计算为：n₁/N₁+n₂/N₂+n₃/N₃+t₄/H₄+t₅/H₅+t₆/H₆。当与叶轮运行相关组件的全部疲劳和蠕变损坏的总值大于1，所述叶轮的寿命被认为耗尽了。

所述线性Palmgren-Miner法则在很多情况下可以给出良好的结果，但它的缺点为假定载荷的顺序(即，σ₁在σ₂之前或之后(或者上述例子中的σ₃))不重要。在实际中可能不是这样的情况。

为了避免线性方法的上述缺点，可以利用若干非线性损坏估算方法中的一个以得出累积损坏。这些方法，以及所述线性方法，例如在，华盛顿的华盛顿大学西雅图分校出版，2005年6月27日修改的课程说明：研究生研究课题“ME541材料的疲劳，讲义集12&13”中有所描述。

刚才描述的所述数据存储装置假定温度和速度采样值(比如以每10秒的频率采集)将全部被存储在所述存储器14中以用于在所述涡轮增压器外侧的后续处理。这种方法的一个缺点是在典型的两年间隔的使用中存储这些数据所需的存储器容量是相当大的。需要存储量显著减小的一种不同的方法利用所谓的“数据仓(binning)”，其中所述数据存入若干离散的数据范围中，更象柱状图的数据范围。这种方法的一个例子在图5中示出，其中柱标题代表温度范围(0-5℃，5-10℃，等)，而行标题代表速度范围(10000-10999rpm，11000-11999rpm，等)。图5的表的主体包括一些代表性数字，这些数字是叶轮在特定速度范围(速度仓)以及同时在特定的温度范围(温度仓)运行的小时数。因此，在所示出的例子中，所述叶轮在13000和13999rpm之间并且在5℃和10℃之间运行6小时。类似的，其在10000和10999rpm之间并且在20℃和25℃之间运行8小时。记录的小时由所述数据记录器中的时钟源确定。这些数据用于计算蠕变，从这些数据可以得出所述叶轮已经使用的寿命。例如，这种计算可能涉及查阅表的使用。

类似的，用于已使用寿命的计算所需要的其它主要参数，即疲劳，可以根据所述叶轮在给定的时间段经历的加速和减速计算。可以再次利用查阅表得出疲劳值。这种方法的一个例子在图6中示出。在图6中，给出了在给定时间段从低速范围到高速范围的加速次数以及在相同的时间段从高速范围到低速范围的减速次数。因此，在图6中示出的表中，在与叶轮的寿命相关的时间段到特定的时间点，所述叶轮从11501-12000rpm仓到10500-10999rpm仓减速四次，并且从12501-13000rpm仓到14000-14999rpm仓加速56次。这里，每个仓的加速/减速次数与离散应力级循环的数目相对应。因此，近似或者等效的应力级做为一个范围而使用，而不使用精确的值。

无论是否使用完全数据存储技术或者刚才叙述的简化数据存储技术，图3中的时钟24都不需要使用实时时钟，因为取样的速度和温度值与实际时间之间并不相关。因此，所述时钟可以是简单的本地石英钟装置。

刚才描述的第一实施例与现有技术的方法相比具有优势，即表现所述叶轮特性的相关数据被保留在叶轮自身之上，而不是在与所述叶轮已经被使用或者正在被使用的特定发动机相关的外部存储器中。因此任何时刻的已使用寿命可以通过处理存储在所述存储器14中的数据来确定并且可以因此精确估算剩余寿命。这当需要在另一个涡轮增压器和/或在另一个发动机环境下重新利用叶轮时，或者甚至当仅仅需要知道所述叶轮在现有涡轮增压器和发动机环境中有多少剩余寿命时很有用。所述叶轮自身一直包含关于已使用寿命的最新数据，而无论其被使用的环境如何。因此刚才描述的测量使得叶轮能够基本在其整个预期的寿命中使用而不产生任何损坏其它涡轮增压器组件的显著危险，或者损害所述涡轮增压器的运行所涉及人员的生命和肢体的风险。其它涡轮增压器组件的更换成本因此减小，并且否则可能有危险的维修人员的保险费也因此减小。

当考虑到到修整期限或者要用于不同的发动机中的涡轮增压器时，所描述的实施例具有叶轮可以很有把握的重复利用的效果。

本发明的第二实施例在图7中示出。在这个实施例中，所述叶轮再次安放有用于存储数据的存储器，但是所述速度和温度探测功能在所述叶轮之外由容纳在所述涡轮增压器外壳的合适部件中的速度探测器60和温度探测器62完成。在所示出的例子中，所述速度探测器是高频(HF)探测器，其位于所述叶轮的鼻端附近，而所述温度探测器是热电偶，其位于所述涡轮增压器的空气入口端。

两个探测器60、62的输出被送入评估装置64。所述装置64包括天线66，通过该天线该装置可以与对应的天线68通信，所述天线68是RF转发器的一部分或者位于所述叶轮10的鼻端的标签(tag)，与所述第一实施例中提及的所述存储器(未示出)在一起。所述标签自身是一种已知的类型并优选在GHz范围内运行。RF标签通常被用作例如用于识别牲畜的识别装置，跟踪容器和自动识别装置。它们可以是有源的或者无源的。有源的标签由其自身的电池供电，而无源的利用输入的接收信号以为该标签上的电子器件供电。这与图3的速度探测装置类似，除了在这种情况下，经过整流以形成电源的信号不是由磁感应产生，而是由从天线66到天线68的RF发射产生。

使用在GHz范围内运行的标签是有利的。这个频率范围的一个显著好处是仅仅需要较小的天线，其有助于所述标签的小型化。用于RF标签的读写芯片合适的例子由美国Maxell公司生产，该公司是Hitachi Maxell的子公司。这种芯片具有从1千字节(kbyte)到4千字节范围的容量并且包括其内置天线只有2.5平方毫米。所述天线以线圈在芯片上(RTM)设计为基础，其中所述天线直接形成在所述芯片的表面上而不需要焊接。这导致更高的可靠性。

由探测器60、62随时间探测到的温度和速度值开始存储在所述评估装置64中的本地存储器中。这些值，或从这些值得到的值(比如，累积损坏或已使用/剩余寿命)随后将传送到所述标签天线68。这可以以规律的间隔完成，比如每天一次或者每周一次，或者在所述叶轮寿命中的关键点完成。这些点可以是所述叶轮的停止时间，例如，当所述发动机停止时，或者当所述叶轮被从所述涡轮增压器去掉时。

使用有源或者无源标签取决于两个主要因素，第一，维修经常开支，即需要更换电池，和，当然，电池自身的费用，第二，评估装置天线66和标签天线68之间的预期距离。通常，如果这个距离较大，并因此可能需要电池，即，有源标签。标签电池的平均运行寿命大约为5年，对于维修总费用来说这并不过于高。在这个基础上，并假定可能需要能够满足两个天线之间的距离范围，因此经常优选有源标签。然而，可以将所述评估装置安装在紧挨着速度探测器的涡轮增压器壁上，这将减小到标签天线的传送距离，但是可能对所述传送质量产生不利影响，这取决于所述天线位于标签中的何处。

为了减少需要存储到评估装置64和所述标签中的数据量，但是特别是考虑到其小尺寸的标签中，所述第二实施例的优选实例并不全部存储随时间采样的数据，而是利用速度和温度数据组以计算在叶轮的运行过程中对该叶轮造成的累积损坏。在这种方法中，所述叶轮在预定时间段经受的载荷和压力被集成到所述评估装置中并与包含等价寿命的该装置中的数据库比较。换言之，从所述累积损坏值到对应的已使用寿命值之间建立映射，与第一实施例中的过程类似。正是这个已使用寿命的值被传送到所述标签。所述评估装置64中在上述预定时间段结束时计算出的每个已使用寿命值被加到与先前预定的时间段相关的先前已使用寿命值以便更新累积已使用寿命估算值。这个累积已使用寿命此后被传送到所述标签。

虽然，根据所述叶轮存储器的尺寸，可能希望限制存储在该存储器中的数据量，限制在评估装置存储器中存储的数据量通常动机并不相同。这是因为所述评估装置通常是重要的较大装置的一部分并因此具有比所述叶轮存储器大得多的容量。因此，将所有由抽样过程产生的原始数据存储到所述评估装置存储器中是可行的，而仅仅将来自该原始数据的减少量的数据传送到所述叶轮存储器。实际上，本发明预计了一种情况，其中所述评估装置中的第二存储器中的所述原始数据随后被访问而用于分析以获得有关所述叶轮遭受的损坏的更重要的细节。

做为对所述累积已使用寿命值的一种替代或者补充，所述剩余寿命的估算值可以被算出并传送到所述标签。做为另一个替代，所述累积损坏值可以代替所述累积已使用寿命值和/或剩余寿命值，或者在所述累积已使用寿命值和/或剩余寿命值之外传送。如果所述累积损坏值单独被传送到所述标签，则，当这些值被从所述标签得到时，它们被所述评估装置使用以利用上述映射过程计算所述叶轮的已使用寿命。

在所述第二实施例的优选实例中，所述标签开始被加载有包括所述叶轮的识别号和所述标签的识别号的ID信息。然后所述标签被周期性加载有上述累积损坏和/或已使用寿命。另外，然而，包括代表所述叶轮已经运行的总小时数的值以及所述叶轮起动的总次数的其它信息也优选从所述评估装置加载。这两个后面的值和已使用寿命或损坏值一样，是累计的。该其它信息使得所述评估装置能够确定，第一，所述标签正常工作；第二，所述标签-以及因此的叶轮是合适的；以及第三，最新的速度和温度测量结果从正确的基准开始。当所有这些都建立时，所述评估装置给所述标签传送运行时间总数的最新值，起动总次数以及累积损坏和/或累积已使用寿命。所述损坏和/或已使用寿命数据在被传送到所述标签之前在所述评估装置64中被计算。

当不同的叶轮被安装到所述涡轮增压器时，剩余运行寿命的值，ID以及存储在所述叶轮存储器中的其它信息被所述评估装置读出并存储在该装置的存储器。这优选在所述不同叶轮安装后自动完成。

当安装新的，即未使用过的叶轮时，所述评估装置将多个累积值(运行时间，起动，损坏和/或已使用寿命)复位为零并且在所述评估装置的存储器中的合适位置，将剩余时间复位为最大。但是，在例外的情况下，可能认为需要将所述评估装置存储器复位为正值而不是零(而剩余寿命小于最大值)，可能是为了稍微减小所述新叶轮的允许总使用寿命。例如，这有助于提供更大的安全余量。非零复位的另一个例子是在测量或计算链中的一个或者多个组件出现故障，因此需要人工估算所关注的标签的已使用和/或剩余寿命。在那种情况下，所述评估装置存储器需要复位已为零(或在剩余寿命的情况下是最大值)以外的值。

当发现所述标签工作不正常时，或者不是合适的标签，所述评估装置发出用于引起维护人员注意的警报。所述警报也优选当一个或者两个探测器产生故障时启动。

本发明也构想提供用于将各种信息传送到维护人员的显示器。这些信息将优选包括：温度和速度探测器的运行状态；累积损坏图形和/或已使用寿命和/或剩余寿命，以及刚刚提到的警报信号。可听见的警报是否有用取决于环境，例如，在嘈杂的发动机室中，其可能完全无效。由于涡轮增压器的成本远远高于已经描述的探测和计算功能所需要的硬件的成本，可以想象为显示器利用非常复杂的信息中心，例如在大部分汽车上示出距离、速度以及燃料消耗等等数据。但是，在目前的情况下，所传送的信息将是如已经描述的，主要是有关叶轮寿命的信息。

所述显示器可以是所述评估装置的一部分或者是位于与所述叶轮分开的任何适当的位置。其中，即，涡轮增压器被用于具有如上述段落所述的信息中心的发动机上，可以利用该信息中心做为显示器。当然，甚至也可以将所述评估装置电子器件自身集成入信息中心。

用这个实施例，与第一实施例一样，所述叶轮包含其自身已使用寿命的记录，因此一旦该叶轮被从其目前所安装的涡轮增压器中迁移到可能具有不同功率特性的另一个涡轮增压器，已使用寿命的记录值可以被用于估算所述叶轮在其新环境中可能剩余的运行寿命。如上所述，这是可能的，因为可以在特定环境的功率特性和在该环境中的叶轮的预期寿命之间建立了关系。

所述第二实施例具有额外的优势，比如，一旦所述标签不知何原因损坏了，当所述叶轮被拆卸时，累积已使用寿命、运行的小时数以及起动次数的记录仍然存储在所述评估装置存储器中。当所述叶轮再次被使用时这些值随后可以被传送到安装在所述叶轮上的新标签。

与第一实施例一样，除了利用RF传送系统用于往返于所述标签的通信，也可以利用其它类型的系统，比如光学传输系统。但是，这种系统有可能污染这种系统所需要的光学传送器和接收器的缺点。也可以设计基于所述标签和所述评估装置之间的机械接触的传输系统，这又与所述第一实施例的一个实例类似。然而，优选的传输方法是RF，因为RF具有许多优点，这已经叙述过。

对于第一和第二实施例中的速度探测功能，可以利用如图3中所示的基于霍尔效应装置的磁场系统代替感应线圈。在这种情况下，一个或者多个磁铁可以设置在与所述叶轮相邻的涡轮增压器的外壳上并且所述霍尔效应装置将包括在所述叶轮中的电子器件内。

目前假定影响旋转组件的寿命的主要因素是与速度和温度相关的应力。但是，可以考虑的另一个因素是所述组件的老化。老化是组件材料性能随着时间和温度的变化，老化会影响所述组件的剩余寿命。其它更多影响老化的次要参数是应力级和周围环境中的化学物质的存在。如果考虑了老化这个附加因素，可以对剩余寿命做出更精确的估算。实现这个的一个可行的方法是将用于估算损坏的时钟频率乘以与材料性能有关的系数。比如，这可以是材料性能曲线上的动态指标(moving point)。因此，随着材料的老化，所述时钟频率增大以将其考虑在内。这个方案的一个实际执行例利用两个查阅表；一个用于多个旋转组件载荷并与温度和速度相关并包括未老化的值，另一个与温度和时间相关并包括老化值。来自这两个表的值的乘积可以对所述载荷被施加到所述旋转组件上的时间作积分。或者，查阅表可以由包含若干查阅表的矩阵构成，每个矩阵用于老化的一个不同状态。随后可以在这些预定值之间插值，如前所述，但这次老化也做为一个附加变量被使用。

上述描述对已使用寿命的求解做出的另一个假定是所考虑的疲劳损坏是小周期疲劳(low-cycle fatigue，LCF)。然而，大周期疲劳(high-cyclefatigue，HCF)，也造成对例如叶轮的旋转组件的损坏。因此，所述叶轮的温度周期变换(即，反复升高和降低)导致LCF，HCF由叶轮因为，比如运行过程中的振动和颤动带来的挠曲而产生。因此相比于LCF，HCF与更高的激励频率相联系，并确实在一些场合，与HCF相关的机械故障可能在很短的时间内发生，可能仅仅几分钟并且在一些情况下甚至更短。在这样的场合，预计HCF型损坏可能很重要。叶轮通常不是这种情况，但是，由于叶轮相对其质量来说刚度较大。因此，通常没有将HCF的效果包括在叶轮损坏计算中的动机。

至此，假定所述叶轮存储器将显著减小，即具有比所述评估装置存储器显著减小的容量。而这可能是真实的，预计存储技术在不久的将来可能发展到相当大的数据量可能存储在一个较小的空间，比如可以被所述叶轮存储器占据的那么小的空间内。在那种情况下，可以设想，用于所述已使用/剩余寿命的计算的必要数据可能存储在叶轮上第一存储器中并不仅仅存储在评估装置的第二存储器中。因此，大部分，或许甚至全部存储在第二存储器中的数据可能最终被传送到所述第一存储器中。

大量增大的存储器容量的好处不仅可以应用于涉及评估装置的第二实施例中，也可以应用于第一实施例。在那样的情况下，所有来自探测器的原始数据可以直接存储在用于前述处理的叶轮存储器中。

尽管本发明就涡轮增压器叶轮进行描述，其也可以应用于其它旋转机器中旋转组件的运行寿命需要计算的场合。这些场合包括用于，比如，用于，例如混合器、切削器、磨床以及钢铁和纸张扎辊机械的工业型旋转机器；用于医院及监狱洗衣房的大功率洗衣设备以及用于屠宰场和食品市场中的大规模冷冻设备的压缩机等等。另外一个应用是在估算泵的已使用/剩余寿命，比如大量在精炼厂和加工工业以及在很多其它场合中使用。有关通过液体传送无线电波的有效性的问题，这种泵中叶轮可能被暴露。然而，这种泵的所述叶轮的端面通常穿过转子的中心线上的外壳，因此，其被空气而不是液体环绕。

本发明可以应用的其它场合是机动车上的轮子。例如，F1(Formula 1)赛车例如由于安全的原因需要非常可靠的轮子并且有可能在这种轮子上安装比如与所述第一或第二实施例相关联描述的装置。一个特别有利的结构可能是在所述第二实施例下利用RF标签，温度和速度探测器与评估装置一起位于所述轮子之外并且处理的结果，即，所述轮子的已使用/剩余寿命的值-显示在相关车辆内部的显示器上。或者，如果所述轮子在没有被安装在车辆上的分离状态测试，所述评估装置和探测器可以安装在驱动所述轮子的试验台架上。

因此，总之，本发明提供了一种具有向其中写入有关所述组件已使用和/或剩余寿命信息的存储器的旋转组件。所述信息可以限制为有关寿命的数据，或者可以包括所述旋转组件温度和速度的更详细数据，这是在所述存储器具有能够存储这些更详细数据的能力的情况下。温度和速度的探测或者在所述旋转组件自身上或者在其外部完成并且信息被理想地通过无线电传送而中继到所述存储器，无论在哪种情况下，所述存储器可以是RF标签的一部分。本发明在顾客有大量相同产品的市场部门(例如，涡轮增压器或涡轮增压器叶轮)中很有用，所述产品被互换并用于不同的车辆或其它场合。典型的例子是航空系统和油气管道，其中，燃气轮机定期更换和重复使用。由于所述旋转组件的历史，或历史累积效应包含在所述组件自身上，并且不仅仅在其外部，所述组件的已使用寿命，以及因此的剩余寿命可以很容易由存储器的内容确定而不用考虑所述组件经历过多少不同的场合。这与现有的情形完全相反，即，在现有情形中需要依靠机舱人员或者维修人员追踪特定机械中的特定旋转组件遭受的损坏的精确性。当所述组件在不同的装置中使用很多次时，可靠性的缺失增大很多倍。

如果机载存储器还包括识别特定装置的ID数据。因此，可以库存若干组件可以并很容易识别并且确定它们的寿命。具有这个知识后，潜在的客户可以知道特定的旋转组件是否适合所需要的目的，或者其是否将在使用中失效。

Claims (36)

1.一种旋转组件，包括存储与该组件过去使用相关的数据的第一存储器，其中，所述数据是通过探测所述组件的旋转速度和温度而得到的。

2.如权利要求1所述的旋转组件，其中所述数据包括所述组件的旋转速度的值和所述组件的一个或多个部件的温度值或者所述组件周围温度的值。

3.如权利要求1或2所述的旋转组件，其中所述数据包括所述组件遭受的损坏值。

4.如权利要求3所述的旋转组件，其中所述损坏是所述组件遭受的疲劳损坏和蠕变损坏。

5.如权利要求4所述的旋转组件，其中所述疲劳是小周期疲劳和大周期疲劳中的一个或者两个。

6.如权利要求3到5中任一项所述的旋转组件，其中所述损坏是所述组件遭受的累积损坏。

7.如前述权利要求中任一项所述的旋转组件，其中所述数据包括所述组件的已经过的运行寿命和所述组件的剩余运行寿命中的一个或两个。

8.如前述权利要求中任一项所述的旋转组件，其中所述数据包括与所述组件的材料性能由于该组件的老化而变化相关的数据。

9.如前述权利要求中任一项所述的旋转组件，其中所述数据包括下面的一个或多个：所述第一存储器的识别码，所述旋转组件已经运行的总小时数以及所述组件经历的起动总次数。

10.如前述权利要求中任一项所述的旋转组件，还包括用于探测所述旋转速度的速度探测器，用于探测所述温度的温度探测器，以及用于取样所述速度和温度值、从所述速度和温度值得到所述数据并将所述数据写入所述第一存储器的处理装置。

11.根据权利要求10所述的旋转组件，其中所述温度探测器是热电偶或者热敏电阻，而所述速度探测器是下面之一：感应线圈；霍尔效应装置；用于测量所述旋转组件振动的加速计；以及安装在所述旋转组件中或上的柔性组件上的应变仪，所述柔性组件在所述旋转组件的载荷下可变形。

12.如权利要求11所述的旋转组件，还包括用于为所述处理装置提供时钟基准参考的时钟源。

13.如前述权利要求中任一项所述的旋转组件，其中所述组件是转子。

14.如权利要求13所述的旋转组件，其中所述组件是涡轮机的叶轮。

15.如权利要求13所述的旋转组件，其中所述组件是旋转电动机械的转子。

16.如权利要求1到12中任一项所述的旋转组件，其中所述组件是车轮。

17.如权利要求13到15中任一项所述的旋转组件，其中至少所述第一存储器设置在所述转子的端面上或者附近。

18.如权利要求17所述的旋转组件，其中所述第一存储器设置在所述转子的纵轴上。

19.如权利要求17或18所述的旋转组件，还包括设置在所述端面上或附近用于读出存储在所述第一存储器中的所述数据的装置。

20.如权利要求17到19中任一项所述的旋转组件，其中至少所述第一存储器是转发器的一部分。

21.如权利要求20所述的旋转组件，其中所述转发器是RF转发器。

22.一种包括如前述权利要求中任一项所述的旋转组件的旋转机器。

23.一种旋转机器，包括：

如权利要求1到9中任一项所述的旋转组件，并且其还包括接收装置，以及

设置在所述旋转机器的所述旋转组件之外的一部分中或者一部分上的速度探测器、温度探测器以及评估装置，所述评估装置包括第二存储器和发射装置，所述评估装置连接到所述速度探测器和所述温度探测器并设置为：

取样所述速度和温度，

从所述速度和温度的取样值得到与所述旋转组件的过去使用相关的所述数据；

将所述数据存储到所述第二存储器中，以及

以预定的时间点利用所述发射装置将一些或者全部存储在所述第二存储器中的数据传送到所述旋转组件；

所述旋转组件设置为利用所述接收装置接收所述一些或者全部所述数据并将其存储到所述第一存储器中。

24.一种旋转机器，包括：

如权利要求1所述的旋转组件并且其还包括接收装置，和

设置在所述旋转机器中、所述旋转组件之外的一部分之中或之上的速度探测器、温度探测器以及评估装置，所述评估装置包括第二存储器和发射装置，所述评估装置连接到所述速度探测器和所述温度探测器并设置为：

取样所述速度和温度，

从所述速度和温度的取样值得到所述旋转组件经受的累积疲劳和蠕变损坏的量并将该量存储到所述第二存储器中，

从所述累积疲劳和蠕变量得到所述旋转组件的已经过的运行寿命的值并将该值存储到所述第二存储器中，

从所述已经过的运行寿命值和估计的最大寿命得出所述旋转组件的剩余运行寿命值，并将该值存储到所述第二存储器中，以及

以预定的时间点利用所述发射装置将一些或者全部存储在所述第二存储器中的数据传送到所述旋转组件；

所述旋转组件设置为利用所述接收装置接收所述一些或者全部所述数据并将其存储到所述第一存储器中。

25.如权利要求24中所述的旋转机器，其中所述第一存储器是转发器的一部分并且所述第一存储器存储所述转发器的识别标记。

26.如权利要求25所述的旋转机器，其中所述评估装置设置为在所述第二存储器中进一步存储所述识别标记和下面其他信息中的一个或两个：所述旋转组件已经运行的总小时数和所述旋转组件经历的起动总次数。

27.如权利要求26所述的旋转机器，其中，在用所述其他信息和所述剩余运行寿命的新值更新所述第一存储器之前，所述评估装置设置为将保存在所述第二存储器中的所述识别标记和所述其他信息的已有值与保存在所述第一存储器中的对应值比较，如果值相同，随后将所述新值存储到所述第一存储器中。

28.如权利要求27所述的旋转机器，其中评估装置设置为进行所述比较并以周期性间隔和/或当所述旋转组件停止旋转和/或当所述旋转组件被拆下时传送所述新值。

29.如权利要求27或28中所述的旋转机器，其中所述评估装置设置为使得，当不同的旋转组件安装到所述机器上时，存储在所述不同旋转组件的第一存储器中的剩余运行寿命的值、识别标记和其他信息被读出并存储到所述第二存储器中。

30.如权利要求29所述的旋转机器，其中所述不同的旋转组件是未使用过的组件，所述剩余运行寿命和所述其他信息的值分别为最大和零。

31.如权利要求29所述的旋转机器，其中，在将不同的旋转组件安装到所述机器上后，存储在所述第二存储器中的值是存储在所述第一存储器中的值的修改版本。

32.如权利要求27到31中任一项所述的旋转机器，其中所述机器设置为使得，当确定所述转发器不是合适的转发器或者所述转发器不工作时，为了维修的目的启动警报。

33.如权利要求23到32中任一项所述的旋转机器，其中所述发射装置是RF发射装置。

34.如权利要求25到33中任一项所述的旋转机器，其中所述转发器是RF转发器。

35如权利要求34所述的旋转机器，其中所述转发器是有源转发器。

36.如权利要求22到35中任一项所述的旋转机器，其中所述旋转机器是涡轮机而所述旋转组件是所述涡轮机的叶轮。

37.如权利要求22到36中任一项所述的旋转机器，其中所述评估装置设置为读出存储在所述第一存储器中的数据并将所述数据显示在与所述旋转组件分开的显示器上。

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