CN101842555A - 确定热负荷涡轮机转子的剩余寿命的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定热负荷涡轮机(10)的转子(11)的剩余寿命的方法。在该方法中,确定转子(11)上的温度,从所确定的温度获取转子(11)上的热应力,且从获得的热应力推导出关于转子(11)剩余寿命的结论。为了容易地、精确地和灵活地确定剩余寿命,在转子(11)上的预定点(18)处直接测量温度,且从所确定的温度获取转子(11)上的热应力。

Description

确定热负荷涡轮机转子的剩余寿命的方法
技术领域
本发明涉及热负荷涡轮机领域。本发明涉及一种确定根据权利要求1的前序部分的热负荷涡轮机转子的剩余寿命的方法。本发明还涉及一种实施该方法的装置。
背景技术
已知的是,在热负荷涡轮机(在此,但非排他的是汽轮机)的转子的寿命中可观的破损源自转子材料(尤其涡轮机入口上)内的高温度梯度。在这种涡轮机的涡轮过渡阶段期间(例如,启动期间或停机期间),由热动力状况的突然改变引起高温度梯度。在启动期间,例如,转子仍处于低温,而工作气体(也就是说,在汽轮机的情形中的蒸汽)流入到具有高压和高温的热汽管道中。于是,直接暴露于热汽中的转子表面带有更高的温度,而转子主体的主要部件仍处于(低)初始值。
这导致在主体与表面之间的高温度梯度,该高温度梯度被转换成机械应力。因为在这种汽轮机的连续启动和停机阶段,尤其是在现代快速启动联合循环电站应用中和具有高蒸汽温度(超超临界USC)的涡轮中,转子的寿命由于循环热量应力(低循环疲劳LCF)而降低。因此,用于基于转子中应力计算来剩余寿命的可靠算法取决于转子入口区域中的温度的精确测量值。
迄今,还未直接测量涡轮的入口区域中的转子温度。相反,例如,借由热元件在内部的外壳的不同点处已经进行温度测量,且由此基于转子和外壳之间的传递功能来确定转子上的相应温度。基于这些测量值,于是获取转子的应力以及由此获取剩余寿命。然而,这个程序对于快速过渡过程来说具有一些限制,对于以比常规蒸汽温度更高的温度操作的机械来说尤其如此。在该情形中,必须考虑到这样的事实:转子(在具有两次切换的联合循环电站中)的机械应力超过10%可能表示寿命40%的减少。
US-A-4,796,465公开了一种监视涡轮机(尤其是汽轮机)中的材料的方法和装置,其中从转子盘或其它涡轮部件的锻件取用材料样品,且在最终机加工锻件之后,为此目的将材料样品插入到所提供的凹槽中。然后在操作期间,将样品暴露于其主要经历的状况中。在预定操作时间之后,样品被再次移除且进行材料疲劳等的检查,以便可确定机械的剩余寿命。该方法相当复杂且在实用方面很不灵活。
JP-A-6200701公开了一种确定汽轮机的转子的剩余寿命的方法,其中在定期间隔下测量新式转子的高温部件的硬度。由此计算硬度降低速率,由该硬度降低速率最终获得转子的寿命。同样,该方法需要进入电站且因此是复杂和不灵活的。
JP-A-7217407公开了一种监视涡轮寿命消耗的方法和装置,其中测量外壳以及外壳厚度中间部分上的表面温度且从差值来计算热应力以及将热应力与计算的极限值比较。该方法主要适合于静态部件(外壳、阀等等)。充其量,该测量使得可能间接测量,从而得到关于转子的剩余寿命的结论。
JP-A-63117102公开了一种在转子的光孔中确定汽轮机的寿命的方法,其中借由在光孔中可移动的电阻传感器来测量转子的高温部件和低温部件的电阻。于是,从电阻的差值来推导出高温部件的寿命。这种差值测量需要复杂的内置运动机构,这种运动机构是复杂的且在操作期间易于出故障,且需要用于将其内置并进行维护的可观附加成本。
发明内容
本发明的目的是阐述一种确定受热负荷涡轮机转子的剩余寿命的方法,还提供一种用于实施该方法的装置,该方法避免了已知方法的不利之处且其特征在于使用的灵活性、设置的简易性和高操作可靠性,在此需要尤其强调的是,用于确定发生在转子中的热应力的方法可有利地实施于至少涡轮机(在该情形中,例如汽轮机中)的受控启动阶段,在涡轮机的启动之前和/或启动期间,考虑到高负荷涡轮机部件中的容许热应力之后,确定在涡轮机入口和锅炉出口处的容许蒸汽参数。
该目的是通过权利要求1和9的所有技术特征来实现的,关于权利要求9,该目的基本不受限于汽轮机。对于根据本发明的方法重要的是,在转子的一个或多个预定点处直接测量温度,以及从测量温度获取转子上的热应力。
根据本发明的一个实施例,尤其借由高温计来非接触式地测量转子上的温度。
根据本发明的方法的另一实施例的特征在于,转子绕轴线可旋转地安装且由外壳围绕;在于,运动叶片排在轴向方向上间隔地相继设置在转子上,热工作气体在轴向方向上流动通过该运动叶片排;在于,工作气体被引入到在入口区域中的转子的叶片装置中;还在于,在入口区域中测量转子上的温度。
具体地说,如果入口区域由流入螺旋体形成,且入口区域形成于外壳中且环状围绕轴线,用于将热工作气体径向引入,且通过邻近流入螺旋体的偏转管道用于将进入的工作气体从径向方向偏转到轴向方向,那么有利的是在启动叶片装置之前在偏转管道中立刻测量转子上的温度。
进一步的实施例的特征在于,在环绕外壳上的固定点处测量转子的温度,尤其在围绕外壳上位于与工作气体管道相反的点处直接测量转子的温度。
根据本发明的装置的实施例的特征在于,温度记录器是高温计。
具体地说,涡轮机具有用于将工作气体引入到转子的叶片装置中的入口区域,该高温计定向在转子的测量区域上,且所述测量区域位于入口区域中。
优选地,温度记录器或高温计与转子的预定点或测量区域正好相反地设置在外壳上。
在该情形中有利的是,温度记录器或高温计固定地设置在外壳上。
根据本发明的装置的另一实施例的特征在于,温度记录器或高温计连接到评估单元,所述评估单元后接指示器装置,用于指示剩余寿命,具体地说,该评估单元具有用于控制涡轮机的操作的控制输出。
附图说明
现将通过示例性实施例结合附图来更详细地描述本发明,在附图中:
图1示出了贯通根据本发明示例性实施例的用高温计非接触式测量转子温度的汽轮机的示例性入口区域的纵截面。
具体实施方式
根据本发明,构想出使用高温计作为用于监视热应力的装置的输入构件。公知的是,高温计适合用于实心主体表面上温度的非接触式测量,从而记录由主体发出的热辐射。因此可能直接读出转子上尤其重要的部位的温度,而不是基于必须实施的传递功能来间接确定。
图1基于例如在EP-A2-1 536 102中所公开的基于汽轮机构造再现了贯穿这种汽轮机的入口区域的纵截面,在根据本发明的示例性实施例的汽轮机中配置用于温度测量的高温计。图1的汽轮机10包括绕轴线22可旋转的转子11,且转子11在一端处终结于转子轴12。转子11由(内部的)外壳13同心围绕,在转子11与外壳13之间形成有热汽管道26,在热汽管道26中设置包括导叶16和运动叶片17的叶片装置。导叶16被紧固到外壳13,而运动叶片17与转子11绕轴线22旋转。
热汽经由形成于外壳13中的同心流入螺旋体14而供应给涡轮机,通过偏转管道15从径向方向偏转到轴向方向中并轴向传送到具有叶片装置16、17的热汽管道26中,以便在其中膨胀且同时做功。在偏转管道15中主要是高温,而在低于第一运动叶片排的转子区域中尤其严重地出现高热交替负荷,转子11的温度通过高温计20在测量区域18中进行非接触式测量,高温计20固定地附连到外壳13上,位于相对两侧且位于从测量区域18发出的热或红外辐射束19所落入的部位上。当然,当转子11在旋转时,测量区域18在任何时间点对应于转子11的另一表面区域,这取决于环形位置。如果由高温计20进行的温度测量与转子11的旋转以合适的方式进行同步,那么温度测量总是可出现在转子11的相同表面区域。否则,将转子11的环形同心表面部分上的测量值累积。
由高温计20记录的(测量)温度值经由传输线路21输送给评估单元23,且在其中进行评估并转换成热应力值并最终转换成剩余寿命。这些值可指示在指示器装置24上。然而,这些值还可经由控制输出25被使用,用于控制汽轮机10的瞬态,以便例如优化转子11的剩余寿命。
开始时,本发明的用途可包括在新式汽轮机中。然而,还可构想出采用这种装置对现有的汽轮机进行修整。类似地,可构想出提供在汽轮机的多个点或其它点处的温度测量值,以便改善对剩余寿命的确定。当然,上述说明并不仅仅局限于汽轮机。类似地,任何其它热负荷涡轮机在技术动作方面是本教导的组成部分。
附图标记:
10汽轮机
11转子
12转子轴
13外壳
14流入螺旋体
15偏转管道
16导叶
17运动叶片
18测量区域
19束
20高温计
21输入线路
22轴线
23评估单元
24指示器装置
25控制输出
26热汽管道

Claims (16)

1.一种用于确定热负荷涡轮机(10)的转子(11)的剩余寿命的方法,在所述方法中,确定涡轮机的转子(11)上的温度,从所确定的温度获取转子(11)上的热应力,以及从得到的热应力推导出转子(11)的剩余寿命,其特征在于,在转子(11)的预定点(18)处直接测量温度,并且,从测量的温度来获得转子(11)上的热应力。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述涡轮机是汽轮机。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,非接触式地测量转子(11)上的温度。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,借由高温计(20)来测量转子(11)上的温度。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法,其特征在于,所述转子(11)绕轴线(22)可旋转地安装且由外壳(13)围绕;运动叶片(17)排在轴向方向间隔开地相继设置在转子(11)上,热工作气体在轴向方向上流动通过所述运动叶片排;工作气体被引入到转子(11)的叶片装置(17)中位于入口区域(14,15)中;并且,在入口区域(14,15)中测量转子(11)上的温度。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述入口区域由流入螺旋体(14)形成,所述入口区域形成在外壳(13)中且环状围绕轴线(22),用于将工作气体径向引入,且通过邻近流入螺旋体(14)的偏转管道(15)用于将进入的工作气体从径向方向偏转到轴向方向;还在于,在启动叶片装置(17)之前在偏转管道(15)中立刻测量转子(11)上的温度。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法,其特征在于,在环绕外壳(13)上的固定点进行转子(11)上的温度测量。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,在环绕外壳(13)上位于与工作气体管道(26)相反的点处直接测量转子(11)上的温度。
9.一种用于实施根据权利要求1所要求保护的方法的装置,所述装置位于热高负荷涡轮机或汽轮机(10)中,所述装置包括绕轴线(22)可旋转地安装的转子(11),所述转子包括在轴向方向上延伸的叶片装置(17)且被外壳(13)围绕以便形成热工作气体管道或热汽管道(26),其特征在于,在外壳(13)上配置有非接触式操作温度记录器(20),所述记录器记录在转子(11)的预定点(18)处的温度。
10.根据权利要求9所述的装置,其特征在于,所述温度记录器是高温计(20)。
11.根据权利要求9或10所述的装置,其特征在于,所述涡轮机或汽轮机(10)包括用于将工作气体或热汽引入到转子(11)的叶片装置(17)中的入口区域(14,15);还在于,高温计(20)定向在转子(11)的测量区域(18)上,所述测量区域位于入口区域(14,15)中。
12.根据权利要求8-11中任一项所述的装置,其特征在于,所述温度记录器或高温计(20)与转子(11)的预定点或测量区域(18)正好相反地设置在外壳(13)上。
13.根据权利要求8-12中任一项所述的装置,其特征在于,所述温度记录器或高温计(20)固定地配置在外壳(13)上。
14.根据权利要求8-13中任一项所述的装置,其特征在于,所述温度记录器或高温计(20)连接到评估单元(23)。
15.根据权利要求14所述的装置,其特征在于,所述评估单元(23)后接指示器装置(24),所述指示器装置用于指示剩余寿命。
16.根据权利要求14或15所述的装置,其特征在于,所述评估单元(23)具有控制输出(25),所述控制输出用于控制涡轮机或汽轮机(10)的操作。
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