CN103592053B - 用于涡轮发动机的蠕变寿命管理系统及操作其的方法 - Google Patents

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CN103592053B CN201310352388.7A CN201310352388A CN103592053B CN 103592053 B CN103592053 B CN 103592053B CN 201310352388 A CN201310352388 A CN 201310352388A CN 103592053 B CN103592053 B CN 103592053B
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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮发动机的蠕变寿命管理系统及操作其的方法。蠕变寿命管理系统(200/400/500)包括联接于第一构件(122/124)的至少一个传感器设备(202/350/360)。至少一个传感器设备构造有唯一标识符。蠕变寿命管理系统还包括联接于第二构件(105/109/110/670/674)的至少一个读取器单元(212)。至少一个读取器单元构造成将询问请求信号(218/418/518)传输至至少一个传感器设备并接收从至少一个传感器设备传输的测量响应信号(220/420/520)。蠕变寿命管理系统还包括至少一个处理器(216)，其编程成根据从至少一个传感器设备传输的测量响应信号确定第一构件的实时蠕变曲线(802)。

Description

用于涡轮发动机的蠕变寿命管理系统及操作其的方法
关于联邦资助的研究和开发的声明
本发明在由能源部(DOE)颁发的合同No.DE-FC26-05NT42643下利用政府支持作出。政府具有本发明中的某些权利。
技术领域
本文中描述的实施例大体涉及系统和设备的状态监测，并且更特别地，涉及用于涡轮机的状态监测的方法和系统。
背景技术
至少一些已知的涡轮机(即，燃气涡轮发动机)经由多个可旋转的压缩机叶片压缩空气并且在燃烧器中点燃燃料-空气混合物以生成经由热气体路径引导穿过可旋转的涡轮动叶的燃烧气体。此外，至少一些其它已知的涡轮机(即，蒸汽涡轮发动机)经由蒸汽路径引导蒸汽穿过可旋转的动叶。这种已知的涡轮机将燃烧气体流和蒸汽的热能转换为用于使涡轮轴旋转的机械能。涡轮机的输出可用于给机器(例如，发电机、压缩机或泵)提供动力。
许多已知的压缩机叶片和涡轮动叶经由便于以其同样单元之间的一致材料特性生产这种叶片和动叶的工艺而制造。然而，叶片和动叶的材料特性可存在轻微的材料变化并且难以检测。一旦这些叶片和动叶被投入使用，则这些细微的差别开始形成叶片和动叶的剩余使用寿命(RUL)的变化。
至少一些已知的用于涡轮机构件(诸如叶片和动叶)的维修工艺使用施加于装备的所有相似件的标准化检查和修理方法以通过标准化工作范围处理装备。这种标准化的工作范围可包括施加于每个构件而不管每个构件的实际状态的涡轮机拆卸、广泛检查和纠正性修理程序。例如，建造成预测构件寿命的构件模型可确定更换计划，并且这些值用于安排更换。因此，具有小缺陷或没有缺陷的构件可以以与具有显著缺陷的这些构件相似的资源花费来处理，包括不必要的更换。该资源花费从财务角度来看被认为是次最佳的。
此外，至少一些已知的用于涡轮机构件的维修工艺可包括检查结果的不确定性，该检查包括标准非破坏性检查(NDE)和随后数据分析。例如，许多已知的NDE工艺/分析不根据蠕变和蠕变疲劳提供包括裂纹生长速率的裂纹生长数据的充分关联。另外，存在以具体构件的裂纹生长速率为特征的很少的机制(如果有的话)。因此，难以确定经历渐进蠕变的构件的RUL。通过测量构件的大小并随时跟踪大小的变化而估计蠕变。记录保持实践不是标准化的，并且常常由于与构件的初始大小和随后测量有关的不确定性而难以作出精确的蠕变确定。
此外，至少一些已知的用于操作涡轮和压缩机的测量系统包括联接于压缩机叶片和涡轮动叶的测量仪器。这些系统典型地要求大量布线、为了容纳布线而对叶片和动叶进行的修改以及由于被监测构件的旋转操作而必要的复杂滑动环构型来将测量数据从叶片和动叶传输至外部数据储存和分析单元。因此，这种系统增加了建造和维护成本。
发明内容
在一个方面，提供了一种蠕变寿命管理系统。蠕变寿命管理系统包括联接于第一构件的至少一个传感器设备。至少一个传感器设备构造有唯一标识符。蠕变寿命管理系统还包括联接于第二构件的至少一个读取器单元。至少一个读取器单元构造成将询问请求信号传输至至少一个传感器设备并接收从至少一个传感器设备传输的测量响应信号。蠕变寿命管理系统还包括至少一个处理器，其编程成根据从至少一个传感器设备传输的测量响应信号确定第一构件的实时蠕变曲线。
在又一个方面，提供了一种操作涡轮发动机的方法。涡轮发动机包括至少一个可旋转构件、至少一个静止构件和蠕变寿命管理系统，该蠕变寿命管理系统包括联接于至少一个可旋转构件的第一部分和联接于至少一个静止构件的第二部分。该方法包括使至少一个可旋转构件相对于至少一个静止构件旋转并通过第二部分询问第一部分。该方法还包括响应于通过第二部分的询问而从第一部分传输响应信号，其中，响应信号代表至少一个可旋转构件的测量结果。该方法还包括在第二部分处接收响应信号并确定至少部分地基于响应信号的、用于至少一个旋转构件的唯一蠕变曲线。
在另一个方面，提供了一种涡轮发动机。涡轮发动机包括至少一个可旋转构件和至少一个静止构件。涡轮发动机还包括蠕变寿命管理系统，其包括联接于至少一个可旋转构件的至少一个传感器设备。至少一个传感器设备构造有唯一标识符。蠕变寿命管理系统还包括联接于至少一个静止构件的至少一个读取器单元。至少一个读取器单元构造成将询问请求信号传输至至少一个传感器设备并从至少一个传感器设备接收测量响应信号。蠕变寿命管理系统还包括至少一个处理器，其编程成根据从至少一个传感器设备传输的测量响应信号确定所述至少一个可旋转构件的实时蠕变曲线。
附图说明
图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图；
图2是可与图1中示出的燃气涡轮发动机一起使用的示例性蠕变寿命管理系统的示意图。
图3是可与图1中示出的燃气涡轮发动机一起使用的具有联接于其的多个传感器的示例性涡轮动叶的示意图；
图4是可与图1中示出的燃气涡轮发动机一起使用的可选示例性蠕变寿命管理系统的示意图。
图5是可与图1中示出的燃气涡轮发动机一起使用的另一个可选示例性蠕变寿命管理系统的示意图。
图6是图2、4和5中示出的蠕变寿命管理系统的一部分在图1中示出的燃气涡轮发动机内的示例性定位的示意图；
图7是监测器和由图2、4和5中示出的蠕变寿命管理系统生成的示例性屏幕显示的示意图；
图8是监测器和由图2、4和5中示出的蠕变寿命管理系统生成的另一个示例性屏幕显示的示意图；以及
图9是监测器和由图2、4和5中示出的蠕变寿命管理系统生成的又一个屏幕显示的示意图。
部件列表
100 燃气涡轮发动机(涡轮机)
102 进气区段
104 压缩机区段
105 压缩机外壳
106 燃烧器区段
108 涡轮区段
109 涡轮外壳
110 排气区段
112 转子组件
114 压缩机(转子)驱动轴
115 涡轮(转子)驱动轴
116 燃烧器
118 燃料喷嘴组件
120 负载
122 压缩机叶片组件
123 导叶组件
124 涡轮动叶组件
125 喷嘴组件
150 进气
152 压缩空气
154 燃烧气体
156 排气
200 蠕变寿命管理系统
202 RF传感器设备
204 压电晶体基底
206 反射器
208 叉指式换能器
210 天线
212 读取器单元
214 天线
215 收发器装置
216 控制器
218 请求(询问)信号
220 响应信号
330 叶根部分
340 翼型件部分
342 末端部分
344 前缘
346 后缘
L 翼型件长度
350 温度传感器
360 应变传感器
400 蠕变寿命管理系统
402 天线延伸部
404 天线
418 请求(询问)信号
420 响应信号
D 距离
500 蠕变寿命管理系统
518 请求(询问)信号
520 响应信号
670 压缩机进气壁
672 压缩机的最后一级
674 涡轮排气壁
676 涡轮的最后一级
700 监测器
702 实时应变曲线的屏幕画面
704 Y轴
706 X轴
708 动叶实时应变测量
710 提高的动叶应变测量
712 动叶应变参数
800 监测器
802 实时蠕变应变历史曲线屏幕
804 Y轴
806 X轴
808 Z轴
810 单独的蠕变应变历史曲线
900 监测器
902 实时构件温度曲线屏幕
904 Y轴
906 X轴
908 Z轴
910 单独的构件温度曲线。
具体实施方式
图1是旋转机器100(即，涡轮机)和更具体地涡轮发动机的示意图。在示例性实施例中，涡轮发动机100为燃气涡轮发动机。可选地，涡轮发动机100为任何其它涡轮发动机和/或旋转机器，包括但不受限于蒸汽涡轮发动机。在示例性实施例中，燃气涡轮发动机100包括进气区段102和压缩机区段104，压缩机区段104联接在进气区段102的下游并且与其流动连通。压缩机区段104包封在压缩机外壳105内。燃烧器区段106联接在压缩机区段104的下游并且与其流动连通，并且涡轮区段108联接在燃烧器区段106的下游并且与其流动连通。涡轮发动机100包封在涡轮外壳109内，并且包括位于涡轮区段108的下游的排气区段110。此外，在示例性实施例中，涡轮区段108经由转子组件112联接于压缩机区段104，转子组件112包括但不受限于压缩机转子或驱动轴114以及涡轮转子或驱动轴115。
在示例性实施例中，燃烧器区段106包括均与压缩机区段104流动连通地联接的多个燃烧器组件，即，燃烧器116。燃烧器区段106还包括至少一个燃料喷嘴组件118。每个燃烧器116与至少一个燃料喷嘴组件118流动连通。此外，在示例性实施例中，涡轮区段108和压缩机区段104经由驱动轴114可旋转地联接于负载120。例如，负载120可包括但不受限于发电机和/或机械驱动应用，例如，泵。可选地，燃气涡轮发动机100可为飞行器发动机。在示例性实施例中，压缩机区段104包括至少一个压缩机叶片组件122(即，叶片122)和至少一个相邻的静止导叶组件123。
此外，在示例性实施例中，涡轮区段108包括至少一个涡动叶片组件(即，动叶124)和至少一个相邻的静止喷嘴组件125。每个压缩机叶片组件122和每个涡轮动叶124联接于转子组件112或更具体地压缩机驱动轴114和涡轮驱动轴115。
在操作中，进气区段102将空气150引导向压缩机区段104。压缩机区段104在将压缩空气152朝向燃烧器区段106排出之前将进气150压缩至较高的压力和温度。压缩空气152引导至燃料喷嘴组件118，与燃料(未示出)混合，并且在每个燃烧器116内燃烧以生成朝向涡轮区段108向下游引导的燃烧气体154。燃烧器116内生成的燃烧气体154朝向涡轮区段108向下游引导。在撞击涡轮动叶124之后，热能转换为用于驱动转子组件112的机械旋转能。涡轮区段108经由驱动轴114和115驱动压缩机区段104和/或负载120，并且排气156通过排气区段110排出至环境大气。
图2是可与燃气涡轮发动机100(在图1中示出)一起使用的示例性蠕变寿命管理系统200的示意图。蠕变寿命管理系统200包括联接于压缩机叶片122和涡轮动叶124中的一个的至少一个传感器设备202。在示例性实施例中，传感器设备202为表面声波(SAW)传感器设备。可选地，传感器设备202为构造成耐受大致恒定地暴露于恶劣环境的任何感应装置，这种恶劣环境可包括但不受限于超过100摄氏度(°C)(212华氏度(°F))的高温压缩空气、超过260°C(500°F)的高温燃烧气体和由近似3000转每分钟(rpm)至近似3600rpm的旋转速度诱发的显著旋转力。这种可选感应装置可包括但不受限于直接存放(DD)RF传感器设备。
此外，在示例性实施例中，每个传感器设备202包括压电晶体基底204。传感器设备202还包括联接于压电基底204的多个反射器206。反射器206便于为每个传感器设备202提供唯一标识符，使得通过联接于其的相关传感器设备202便于每个压缩机叶片122和每个涡轮动叶124的唯一标识。可选地，传感器设备202包括任何唯一标识机构，包括但不受限于与零售RF识别(RFID)装置相似的装置，其中，这种RFID装置包括唯一地构造的RF换能器。传感器设备202还包括联接于压电基底204的至少一个叉指式换能器208。传感器设备202还包括联接于叉指式换能器208的至少一根天线210。此外，传感器设备202为被动的，即，它不包括机载(on-board)电源，并且处于休眠状态直到它被询问，如下所述。
此外，在示例性实施例中，蠕变寿命管理系统200包括读取器单元212。读取器单元212联接于燃气涡轮发动机100的静止部分。读取器单元212包括至少一根天线214、至少一个射频(RF)发送器装置和联接于天线214的至少一个RF接收器装置。在示例性实施例中，RF发送器和接收器装置集成到收发器装置215中。
此外，在示例性实施例中，读取器单元212包括联接于收发器装置215的控制器216。可选地，控制器216可位于读取器单元212外部。控制器216包括至少一个处理器(未示出)并且/或者由其实施。如本文中使用的，处理器包括任何合适的可编程电路，诸如但不受限于一个或更多个系统和微控制器、微处理器、通用中央处理单元(CPU)、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或能够执行本文中描述的功能的任何其它电路。以上实例仅为示例性的，并且因此不意图以任何方式限制用语“处理器”的定义和/或含义。
另外，控制器216包括联接于处理器的至少一个存储装置(未示出)，其储存计算机可执行指令和数据，诸如操作数据、参数、设定点、阈值和/或使蠕变寿命管理系统200能够如本文中描述地运行的任何其它数据。存储装置可包括一个或更多个有形的、非瞬时的计算机可读媒体，诸如但不受限于随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、固态盘、硬盘、只读存储器(ROM)、可擦除可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)和/或非易失性RAM(NVRAM)存储器。
本文中描述的方法可编译为在有形的、非瞬时的计算机可读媒体(包括但不受限于储存装置和/或存储装置)中实施的可执行指令和算法。这种指令和算法在由处理器执行时使处理器执行本文中描述的方法的至少一部分。此外，如本文中使用的，用语“非瞬时计算机可读媒体”包括所有有形计算机可读媒体，诸如固件、物理现象和虚拟储存器、CD-ROM、DVD和另一种数字源，诸如网络或因特网，以及仍待开发的数字器件，唯一的例外是瞬时传播信号。
在操作中，燃气涡轮发动机100处于使用中，并且涡轮区段108经由转子组件112驱动压缩机区段104，使得压缩机叶片122和涡轮动叶124旋转。读取器单元212经由天线214传输至少一个RF请求信号218，即，控制器216通过天线214命令收发器装置215在每个设备202旋转时询问每个传感器设备202。请求信号218由天线210接收，并且信号218中的能量传输至叉指式换能器208。叉指式换能器208在压电基底204中诱发表面声波。表面声波的共振频率被反射器206和相关的压缩机叶片122或涡轮动叶124的实时特性(例如，温度和应变)影响。叉指式换能器208将具有共振频率的能量转换成经由天线210和214以及收发器装置215传输至读取器单元212的RF响应信号220。由控制器216评估响应信号220内的数据。
如本文中使用的，用语“实时”指的是相关事件发生的时间、预定数据的测量和收集的时间、处理数据的时间以及系统对事件和环境的响应的时间中的至少一个。在本文中描述的实施例中，这些活动和事件大致瞬间地发生。
图3是可与燃气涡轮发动机100(在图1中示出)一起使用的具有联接于其的传感器设备202的示例性涡轮动叶124的示意图。涡轮动叶124包括叶根部分330和联接于叶根部分330的翼型件部分340。翼型件部分340限定翼型件末端部分342、前缘344、后缘346和叶根部分330与翼型件末端部分342之间的长度L。在示例性实施例中，传感器设备202包括紧邻前缘344(即，动叶124的首先接收高温燃烧气体154(在图1中示出)的部分)定位的多个温度传感器350。此外，温度传感器350在长度L的预定百分比范围内(例如，近似在10%至20%、45%至55%和85%至95%之间)定位。可选地，温度传感器350以使蠕变寿命管理系统220(在图2中示出)能够如本文中描述地操作的动叶124间的任何间距在动叶124上的任何位置定位。温度传感器350通过使蠕变寿命管理系统200能够如本文中描述地操作的任何方法联接于动叶124，该任何方法包括但不受限于使温度传感器350嵌入在翼型件340的基底和/或涂层(两者都不示出)内，以及机械联接于翼型件340的基底和/或涂层的表面。
此外，在示例性实施例中，传感器设备202包括应变传感器360。应变传感器360在长度L的近似30%至40%的百分比范围之间定位。可选地，任何数量的应变传感器360以使蠕变寿命管理系统200能够如本文中描述地操作的动叶124间的任何间距在动叶124上的任何位置定位。温度传感器350通过使蠕变寿命管理系统200能够如本文中描述地操作的任何方法联接于动叶124，该任何方法包括但不受限于描述用于温度传感器350的这些方法。
温度传感器350和应变传感器360与传感器设备202(在图2中示出)相似，并且包括至少一根天线210(在图2中示出)。
图4是可与燃气涡轮发动机100(在图1中示出)一起使用的可选示例性蠕变寿命管理系统400的示意图。除了系统400包括联接于收发器装置215的天线延伸部402之外，系统400与系统200(在图2中示出)相似。此外，天线延伸部402穿透并且延伸穿过压缩机外壳105和涡轮外壳109中的任一个。此外，四根天线404固定地联接于天线延伸部402，并且固定地联接于静止导叶组件123和静止喷嘴组件125中的任一个。此外，系统400包括在与以上描述的构型(在图3中示出)相似的构型下联接于叶片122和动叶124中的一个的多个温度传感器350和应变传感器360。在一些实施例中，每根天线404专用于以一对一的关系与温度传感器350和应变传感器360中的一个相关的天线210并且与其通信联接。在一些其它实施例中，每根天线404专用于以一对多的关系与温度传感器350和/或应变传感器360中的多于一个相关的天线210并且与其通信联接。天线延伸部402构造有多个询问信道(未示出)，即，每个传感器350/360一个信道。可选地，天线延伸部402构造有构造成传输多个信号的单个信道，每个信号具有唯一编码的标识符和/或频率。此外，可选地，使用使蠕变寿命管理系统400能够如本文中描述地操作的天线404、天线延伸部402内的通信信道以及传感器350和360的任何组合和任何数量。
在操作中，燃气涡轮发动机100(在图1中示出)处于使用中，并且涡轮区段108经由转子组件112驱动压缩机区段104，使得压缩机叶片122和涡轮动叶124旋转。读取器单元212经由至少一根天线404传输至少一个RF请求信号418，即，控制器216通过相关的静止天线404命令收发器装置215在每个设备350/360旋转时询问每个传感器设备350/360。每个请求信号418由相关的传感器设备350/360接收，并且测量相关的压缩机叶片122或涡轮动叶124的实时特性，例如温度和应变。RF响应信号420经由天线404和收发器装置215传输至读取器单元212。由控制器216评估响应信号420内的数据。
在示例性实施例中，天线210以距离D彼此分离。距离D与RF响应信号420的相关操作波长的至少1/4大致相等。可选地，距离D等于或大于传感器天线210与读取器天线404之间的无线信道的空间相干距离。相似地，在示例性实施例中，天线404以距离D(即，至少为RF响应信号420的相关操作波长的1/4或大于传感器天线210与读取器天线404之间的无线信道的相关空间相干距离)彼此分离。天线210与天线404之间的这种空间分离距离D便于由读取器单元212接收和处理RF响应信号420，使得显著减小RF多路径干扰和独立的接收器噪音源的影响，并且提高RF响应信号420的总体信号水平，由此增大系统400的灵敏性和读数的稳健性。
图5是可与燃气涡轮发动机100(在图1中示出)一起使用的另一个可选示例性蠕变寿命管理系统500的示意图。系统500与系统200和400(分别在图2和图4中示出)的相似之处在于，系统500包括一根天线214(与系统200相似)，其联接于收发器装置215并且还与多个温度传感器350和应变传感器360通信地联接于叶片122和动叶124中的一个(与系统400相似)。系统500关于读取器单元212(包括天线214、收发器装置215和控制器216)与系统200和400不同。读取器212定位在进气区段102和排气区段110中的一个中，并且联接于其中的静止结构(在图5中未示出)，使得不存在压缩机外壳105或涡轮外壳109的穿透。此外，读取器天线214以一对多的关系通信联接于多个传感器设备天线210。可选地，代替单根读取器天线214，读取器单元212可包括以距离D(在图4中示出)分离的多根读取器天线214，使得显著减小RF多路径干扰和独立接收器噪音源的影响(如上所述)。
在操作中，燃气涡轮发动机100(在图1中示出)处于使用中，并且涡轮区段108经由转子组件112驱动压缩机区段104，使得压缩机叶片122和涡轮动叶124旋转。读取器单元212经由天线214传输至少一个RF请求信号518，即，控制器216通过相关的静止天线214命令收发器装置215在每个设备350/360旋转时询问每个传感器设备350/360。每个请求信号518由相关的传感器设备350/360接收，并且测量相关的压缩机叶片122或涡轮动叶124的实时特性，例如温度和应变。RF响应信号520经由天线214和收发器装置215传输至读取器单元212。由控制器216评估响应信号520内的数据。
图6是蠕变寿命管理系统500的部分在燃气涡轮发动机100内的示例性定位的示意图。在示例性实施例中，读取器单元212定位在压缩机区段104的静止部分上，即，至少一个读取器单元212联接于压缩机进气壁670。可选地，读取器单元212定位在使蠕变寿命管理系统500能够如本文中描述地操作的任何位置。例如，在不限制的情况下，读取器单元212可定位在相关的传感器设备202的无线RF通信范围内的任何位置。
此外，在示例性实施例中，多个传感器设备202(在图2和图3中示出)联接于压缩机区段104的最后一级672中的每个压缩机叶片122。压缩机区段104的最后一级672典型地暴露于在引导到燃烧器区段106中之前处于其最高压力和温度的压缩空气152(在图1中示出)。温度传感器350和应变传感器360中的每一个中的至少一个联接于每个叶片122，并且每个叶片122上的传感器350和360中的每一个包括唯一的字母数字识别代码。可选地，在压缩机区段104的任何一级上使用使蠕变寿命管理系统500能够如本文中描述地操作的传感器设备202的任何构型。
此外，在示例性实施例中，读取器单元212定位在排气区段110的静止部分上，即，至少一个读取器单元212联接于涡轮排气壁674。可选地，读取器单元212定位在使蠕变寿命管理系统500能够如本文中描述地操作的任何位置。例如，在不限制的情况下，读取器单元212可定位在相关的传感器设备202的无线RF通信范围内的任何位置。
此外，在示例性实施例中，多个传感器设备202联接于涡轮区段108的最后一级676中的每个涡轮动叶124。涡轮区段108的第三或最后一级676典型地暴露于在引导到排气区段110中之前处于它们的最低压力和温度的燃烧气体154(在图1中示出)。温度传感器350和应变传感器360中的每一个中的至少一个联接于每个动叶124，并且每个动叶124上的传感器350和360中的每一个包括唯一的字母数字识别代码。可选地，在涡轮区段108的任何一级上使用使蠕变寿命管理系统200能够如本文中描述地操作的传感器设备202的任何构型。
在操作中，每个读取器单元212以预定间隔询问每个相关的传感器设备202。例如，在不限制的情况下，具有联接于其的至少一个传感器设备202的每个单独的动叶124在操作时每隔一小时被相关的读取器单元212询问，其中，每个传感器设备202以一秒的间隔被询问。因此，对于具有带有传感器设备202的91个动叶124的这些涡轮区段108而言，从动叶124收集数据的一个循环的长度为近似91秒。传感器设备202可被询问并且不论燃气涡轮发动机100的操作旋转速度如何都传输响应。此外，操作员可通过使用唯一标识符手动地诱发用于具有传感器设备202的任何叶片122和动叶124的数据收集事件(episode)。此外，数据收集可为大致连续的。
在可选实施例中，系统400(在图4中示出)或系统500可代替系统200(在图2中示出)。此外，在可选实施例中，系统200、400和500包括使这种系统200、400和500的操作能够与燃气涡轮发动机100的具体构型一致的任何构型。
图7是监测器700和由蠕变寿命管理系统200、400和500生成的示例性屏幕显示702(即，实时应变曲线图702的屏幕画面(view))的示意图。曲线图702包括代表0.0005的无单位应变增量的y轴704和代表涡轮区段108的第三或最后一级676中的91个动叶124中的每一个(全部在图6中示出)的x轴706。曲线图702还包括多个(即，91个)动叶实时应变测量结果708。测量结果708包括两组提高的动叶应变测量结果710。曲线图702还包括具有0.003的值的应变参数712。可选地，使用使系统200、400和500能够如本文中描述地操作的y轴704的任何增量大小确定和应变参数712的任何值。此外，可选地，可监测使系统200、400和500能够如本文中描述地操作的涡轮区段108的任何一级中的任何数量的动叶124和压缩机区段104的任何一级中的任何数量的叶片122(全部在图1中示出)。
参考图6和图7，在操作中，收集成形成蠕变曲线的数据包括每个被询问的叶片122和动叶124上的温度和应变的实时测量结果。数据收集和储存用于实时分析和未来分析。例如，在不限制的情况下，实时应变曲线图702的屏幕画面在监测器700上显示用于操作员(未示出)，由此便于构件应变的实时监测。
此外，实时应变的预定设定点(例如，在不限制的情况下，0.003的应变参数712值)可编程到控制器216中，使得在被监测构件上的任何应变测量结果718(在图7中示出)接近、达到或超过这种值时，发出警报和/或警告以提醒操作员，由此便于蠕变寿命管理系统200、400和500的“早期警告”特征。对于某些应变值(例如，在不限制的情况下，应变参数712)，这种测量结果可输入至控制器216(在图2中示出)的编程内的决定算法和指令，包括但不受限于在近期或立即停止发动机100的操作。
图8是监测器800和由蠕变寿命管理系统200、400和500生成的另一个示例性屏幕显示802(即，实时蠕变应变历史曲线屏幕802的画面)的示意图。曲线屏幕802包括代表蠕变应变的典型值的y轴804。此外，曲线屏幕802包括代表时间的x轴806。此外，曲线屏幕802包括代表多个叶片122或动叶124(全部在图6中示出)中的每一个的z轴808。曲线屏幕802还包括用于燃气涡轮发动机100中的多个叶片122和/或动叶124中的每一个(在图6中示出)的多个单独的蠕变应变历史曲线810。在示例性实施例中，示出叶片122或动叶124的单个级。可选地，可在曲线屏幕802中示出用于任何叶片122和任何动叶124的单独曲线810的任何组合。
这种实时蠕变确定由控制器216执行，以利用蠕变速率、温度和应变之间的已知关系生成构件的每个实时的单独蠕变应变曲线810，由此便于与确定的总构件应变整合的构件蠕变速率的实时监测。
曲线屏幕802分成蠕变历史的三个阶段，并且便于为燃气涡轮发动机100的操作员提供每个示出的被监测的叶片122和/或动叶124当前呈现哪一个蠕变阶段的指示。阶段I代表典型地由随着时间推移而减速直到其达到大致最小值的初始大蠕变速率限定的主蠕变阶段。阶段II代表典型地由大致恒定地处于在阶段I结束时的最小值的蠕变速率限定的第二蠕变阶段。阶段III代表典型地由随着时间推移而加速的蠕变速率限定的第三蠕变阶段。加速的蠕变速率至少部分地归因于被监测的构件的变形。这种变形典型地为即将发生的永久损坏和构件失效的指示。
曲线屏幕802包括与单独的蠕变应变历史曲线810的阶段III相关的视觉报警特征。例如，并且在不限制的情况下，视觉和/或可听警报级别1指示阶段III变形的早期，并且提示操作员通过200、400和500增加相关构件的监测。此外，在不限制的情况下，屏幕802包括指示被监测构件的变形的加速速率的视觉和/或可听警报级别2，并且提示操作员关于通过系统200、400和500增加监测和在下一次停机期间的可能检查、修理和/或更换作出决定。此外，警报级别1和警报级别2可提示操作员对燃气涡轮发动机100作出用以增强/优化操作的操作调节，以便于延长每个被监测且可唯一地识别的叶片122和动叶124的剩余使用寿命(RUL)(在下面进一步描述)。
此外，在不限制的情况下，屏幕802包括指示被监测构件的可能近期失效的视觉和/或可听警报级别3，并且提示操作员关于在下一次停机期间的可能检查、修理和/或更换和在近期使发动机100停止操作作出决定。此外，警报级别3可提示操作员对燃气涡轮发动机100作出用以增强/优化操作的操作调节，以便于至少短期地延长每个被监测且可唯一地识别的叶片122和动叶124的RUL(在下面进一步描述)直到发动机100可停止操作。
警报级别3还可为对控制器216(在图2中示出)的编程内的决定算法和指令的输入，包括但不受限于在近期或立即使发动机100停止操作。可选地，屏幕802包括使系统200、400和500能够如本文中描述地操作的关于任何大小的(any order of)严重程度的任何数量的警报级别。
这种警报级别、视觉报警特征和可听报警特征在被监测构件接近、达到或超过相关参数时便于蠕变寿命管理系统200、400和500的“早期警告”特征的操作。对于某些被测量特征的值(例如但不受限于单独的蠕变应变历史曲线810)而言，这种测量结果可输入至控制器216(在图2中示出)的编程内的决定算法和指令，包括但不受限于在近期或立即使发动机100停止操作。
图9是监测器900和由蠕变寿命管理系统200、400和500生成的又一个屏幕显示902(即，实时构件温度曲线屏幕902的画面)的示意图。曲线屏幕902包括代表蠕变应变的典型值的y轴904。此外，曲线屏幕902包括代表时间的x轴906。此外，曲线屏幕902包括代表多个叶片122或动叶124(全部在图6中示出)中的每一个的z轴908。曲线屏幕902还包括用于燃气涡轮发动机100中的多个叶片122和/或动叶124中的每一个(在图6中示出)的多个单独的构件温度曲线910。在示例性实施例中，示出叶片122或动叶124的单个级。可选地，可在曲线屏幕902中示出用于任何叶片122和任何动叶124的单独曲线910的任何组合。
在示例性实施例中，实时构件温度曲线910显示用于每个被询问的叶片122和动叶124。实时构件温度确定由控制器216执行，以生成构件的实时温度曲线。
曲线屏幕902包括与实时构件温度曲线910相关的视觉报警特征。例如，并且在不限制的情况下，视觉和/或可听警报级别1指示构件温度正在接近、已经达到或者已经超过与第一预定设定点相关的预定值达预定的时间段。第一预定温度设定点可指示发动机100(在图6中示出)的短期温度偏离，并且提示操作员通过系统200、400和500增加对相关构件的监测。此外，在不限制的情况下，屏幕902包括指示构件温度接近、达到或超过与第二预定设定点相关的预定值的视觉和/或可听警报级别2。第二预定温度设定点可指示达预定时间段的发动机100内的延长温度偏离，并且提示操作员关于通过系统200、400和500增加监测和在下一次停机期间的可能检查、修理和/或更换作出决定。此外，警报级别1和警报级别2可提示操作员对燃气涡轮发动机100作出用以增强/优化操作的操作调节，以便于延长每个被监测且可唯一地识别的叶片122和动叶124的剩余使用寿命(RUL)(在下面进一步描述)。
此外，在不限制的情况下，屏幕902包括指示构件温度接近、达到或超过与第三预定设定点相关的预定值达预定的时间段的视觉和/或可听警报级别3。第三预定设定点可指示被监测构件的可能近期失效，并且提示操作员关于在下一次停机期间的可能检查、修理和/或更换和在近期使发动机100停止操作作出决定。此外，警报级别3可提示操作员对燃气涡轮发动机100作出用以增强/优化操作的操作调节，以便于至少短期地延长每个被监测且可唯一地识别的叶轮122和动叶124的RUL(在下面进一步描述)直到发动机100可停止操作。
警报级别3还可为对控制器216(在图2中示出)的编程内的决定算法和指令的输入，包括但不受限于在近期或立即使发动机100停止操作。可选地，屏幕902包括使系统200、400和500能够如本文中描述地操作的关于任何大小的严重程度的任何数量的警报级别。
这种警报级别、视觉报警特征和可听报警特征在被监测构件接近、达到或超过相关参数时便于蠕变寿命管理系统200、400和500的“早期警告”特征的操作。对于某些被测量特征的值(例如在不限制的情况下实时构件温度曲线910)而言，这种测量结果可输入至控制器216(在图2中示出)的编程内的决定算法和指令，包括但不受限于在近期或立即使发动机100停止操作。
除实时蠕变、蠕变速率、温度和应变测量和确定之外，蠕变寿命管理系统200、400和500还包括用于被监测的每个单独的叶片122和动叶124的历史和趋势特征。例如，在不限制的情况下，控制器216编程为确定和显示用于被监测的每个单独的叶片122和动叶124的历史温度曲线、历史应变曲线和历史蠕变曲线。
参考图6、7、8和9，例如，并且在不限制的情况下，从叶片122和动叶124的安装时间和/或系统200的试运行时间确定用于每个被监测叶片122和动叶124的应变、温度和蠕变历史，直到最近数据收集的时间。此外，例如，并且在不限制的情况下，从叶片122和动叶124的安装时间和/或系统200的试运行时间确定用于每个被监测叶片122和动叶124的实时剩余使用寿命(RUL)，直到最近数据收集的时间。较高的蠕变或温度级别指示涡轮发动机100可正在过热运行并且可指示需要检查其它涡轮参数的异常，使得可尽早采取纠正行动。
此外，蠕变寿命管理系统200、400和500还编程成确定用于每个被监测构件的每个RUL估计之间的比较，其中，比较至少部分地代表用于被监测构件的维护活动的优先级。此外，确定用于每个被监测构件的每个RUL估计与至少一个预定RUL参数之间的比较，使得接近使用寿命的终点的这些构件可“标记”用于检查、修理和/或更换。此外，蠕变寿命管理系统200、400和500还编程成向操作员显示多个被监测构件的比较操作历史，由此便于识别便于延长构件的使用寿命的操作条件。
此外，在操作中，构件温度和应变数据被标出日期和时间，使得这种构件数据可与包括但不受限于燃烧气体温度的其它操作数据关联。因此，对于暴露于不同操作条件(例如，在不限制的情况下，更高的气体温度)的这些叶片122和/或动叶124而言，与相似构件相比，构件可标记用于更频繁的监测。这种被标记的构件可选定成具有与相似构件不同的应变警告/警报设定点。此外，可比其它构件风险更大的某些构件(例如，在不限制的情况下，不具有冷却特征的动叶124)可被更经常地询问。此外，用于叶片122和/或动叶124中的每一个的实时温度和应变数据便于比具有相似操作历史的处于相似操作条件的相似构件更快速或更缓慢地“老化”的这些构件的识别，并且这些构件可被更经常地询问。
此外，对于呈现加速蠕变确定和/或正接近预定应变参数的这些叶片122和/或动叶124而言，可在计划维护停机期间安排早期更换。此外，对于确定为具有增加的监测频率的这些叶片122和/或动叶124而言，可在计划维护停机期间安排用于这种构件的特定检查活动。因此，在操作中，对每个单独的叶片122和动叶124的具体应变和/或蠕变确定便于减少不必要的维护检查和更换，由此降低燃气涡轮发动机100的操作和维护成本。
此外，由蠕变寿命管理系统200、400和500收集和确定的数据可用于增强和/或校准燃气涡轮发动机100(包括叶片122和动叶124)的基于物理现象的模型。基于物理现象的模型包括设计、建造和操作信息的细节，诸如，在不限制的情况下，构件材料、构件尺寸确定和方位、以及燃气涡轮历史操作数据。这种信息和数据在有限元模型(FEM)中实施，以在不限制的情况下计算构件应变和温度，该构件应变和温度进而用于估计构件RUL。利用如本文中描述的这些值的直接测量，可利用收集的实时数据增强和校准FEM模型。接着，这些增强和校准的模型可整机(fleet-wide)施加，以进一步增强估计RUL的方法并提高这种RUL估计的精度。
与已知的蠕变寿命管理系统相比，如本文中描述的蠕变寿命管理系统便于改进收集和确定与涡轮发动机构件相关的蠕变和蠕变疲劳数据。具体地，与已知的蠕变寿命管理系统相比，本文中描述的蠕变寿命管理系统包括将询问信号从读取器单元无线地传输至具有唯一标识符的传感器设备并无线地接收用于相关构件的测量数据。本文中描述的无线传感器设备嵌入和/或联接于否则难以监测的这些构件，例如，高速旋转和/或在恶劣环境内定位的这些构件，例如，压缩机叶片和涡轮动叶。因此，包括温度和应变数据的实时操作数据可在一个位置被收集，并且在更加有助于在读取器单元或联接于其的储存装置中的安全长期储存的另一个位置储存。本文中描述的无线传感器设备是被动的，并且用于给传感器设备提供动力的能量与来自读取器单元的询问信号一起被传输，因此不需要用于传感器设备的机载电源。此外，本文中描述的每个无线传感器设备可利用用于每个传感器的唯一标识符单独地询问，这种唯一标识符还与该无线传感器设备所联接的叶片或动叶相关。
如本文中描述的蠕变寿命管理系统便于确定在构件的寿命中操作条件对构件的使用寿命的影响。此外，如本文中描述的蠕变寿命管理系统便于更好地确定构件的剩余使用寿命，并且因此便于增强基于条件的维护系统。此外，如描述的蠕变寿命管理系统可包括可用于设定应变和/或温度阈值以触发检查和/或更换的预定参数。此外，如描述的蠕变寿命管理系统可用于便于延长呈现延长的使用寿命的这些构件的检查和更换周期。因此，可利用易于使用的、可容易得到的诊断系统来避免不必要的维护停机，由此便于为操作和维护管理者节省累积成本。此外，如果确定加速蠕变的模式和/或趋势，则可开始附加的调查以确定根本原因。因此，可计划维护停机以在任何永久损坏之前纠正根本原因，由此进一步便于为操作和维护管理者节省累积成本。
本文中描述的方法、系统和设备的示例性技术效果包括以下中的至少一个：(a)无线地询问联接于处于恶劣环境的构件的传感器设备；(b)将实时测量数据无线地传输至数据储存库；(c)执行处于恶劣环境的构件的实时蠕变分析；(d)使收集的测量数据与可唯一地识别的构件关联；(e)确定用于构件的蠕变曲线和估计的剩余使用寿命；(f)当构件的测量的实时应变值接近预定值，达到预定值和超过预定值时，提醒操作员；(g)指导操作员增加可唯一地识别的构件的监测；(h)指导操作员增强/优化涡轮的操作以便于延长可唯一地识别的构件的RUL；(i)指导操作员安排可唯一地识别的构件的检查；(j)将用于每个可唯一地识别的构件的每个估计剩余使用寿命彼此进行比较，由此确定用于可唯一地识别的构件的维护活动的优先级；(k)将用于每个可唯一地识别的构件的每个估计剩余使用寿命与预定使用寿命参数进行比较，由此确定用于可唯一地识别的构件的维护活动的优先级；(l)产生可唯一地识别的构件的比较操作历史，由此便于识别便于延长可唯一地识别的构件的使用寿命的操作条件；以及(m)使用收集的数据增强和/或校准涡轮发动机和相关构件的基于物理现象的模型，以进一步增强估计RUL的方法并提高这种RUL估计的精度。
本文中描述的方法和系统不受限于本文中描述的具体实施例。例如，每个系统的构件和/或每种方法的步骤可与本文中描述的其它构件和/或步骤独立地和分开地使用和/或实践。另外，每个构件和/或步骤还可利用其它组件和方法来使用和/或实践。
一些实施例包括一个或更多个电子或计算装置的使用。这种装置典型地包括处理器或控制器，诸如通用中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、精简指令集计算机(RISC)处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)和/或任何其它能够执行本文中描述的功能的电路或处理器。本文中描述的方法可编译为在计算机可读媒体(包括但不受限于储存装置和/或存储装置)中实施的可执行指令。这种指令在由处理器执行时使处理器执行本文中描述的方法的至少一部分。以上实例仅为示例性的，并且因此不意图以任何方式限制用语处理器的定义和/或含义。
虽然已关于各种具体实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识，本发明可在权利要求的精神和范围内利用改型来实践。

Claims (9)

1.一种蠕变寿命管理系统，其包括：
联接于第一构件的至少一个传感器设备，其中，所述至少一个传感器设备构造有唯一标识符；
联接于第二构件的至少一个读取器单元，所述至少一个读取器单元构造成将询问请求信号传输至所述至少一个传感器设备并接收从所述至少一个传感器设备传输的测量响应信号；以及
至少一个处理器，其编程成根据从所述至少一个传感器设备传输的所述测量响应信号确定所述第一构件的实时蠕变曲线，并且根据从所述至少一个传感器设备中的传输的所述测量响应信号为所述第一构件确定实时剩余使用寿命(RUL)估计。
2.根据权利要求1所述的蠕变寿命管理系统，其特征在于，编程成确定实时蠕变曲线的所述至少一个处理器编程成确定所述第一构件的历史温度曲线、历史应变曲线和历史蠕变曲线中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的蠕变寿命管理系统，其特征在于，所述至少一个处理器还编程成当所述第一构件的测量的实时应变值接近预定值、达到所述预定值和超过所述预定值中的至少一个时提醒操作员。
4.根据权利要求1所述的蠕变寿命管理系统，其特征在于，所述至少一个处理器还编程成为多个第一构件确定所述RUL估计，其中，所述至少一个处理器还编程成确定以下中的至少一个：
用于所述多个第一构件中的每个第一构件的每个RUL估计之间的比较，其中，所述比较至少部分地代表用于所述多个第一构件的维护活动的优先级；以及
用于所述多个第一构件的每个第一构件的每个RUL估计与至少一个预定RUL参数之间的比较。
5.根据权利要求1所述的蠕变寿命管理系统，其特征在于，还包括以下中的至少一个：
联接于所述至少一个读取器单元的多根第一天线；以及
包括多根第二天线的多个传感器设备，其中，所述多根第一天线和所述多根第二天线中的每一个定位成使得：
所述多根第一天线中的每一根之间的距离为以下中的至少一个：
一个波长的至少1/4；以及
与由所述多根第一天线中的至少一根和所述多根第二天线中的至少一根限定的无线信道相关的至少一个空间相干距离；并且
所述多根第二天线中的每一根之间的距离为以下中的至少一个：
一个波长的至少1/4；以及
与由所述多根第一天线中的所述至少一根和所述多根第二天线中的至少一根限定的所述无线信道相关的至少一个空间相干距离。
6.根据权利要求1所述的蠕变寿命管理系统，其特征在于：
所述至少一个传感器设备和所述至少一个读取器单元无线通信地联接；并且
所述至少一个传感器设备包括应变测量传感器和温度测量传感器中的至少一个。
7.一种涡轮发动机，其包括：
至少一个可旋转构件；
至少一个静止构件；以及
蠕变寿命管理系统，其包括：
联接于所述至少一个可旋转构件的至少一个传感器设备，其中，所述至少一个传感器设备构造有唯一标识符；
联接于所述至少一个静止构件的至少一个读取器单元，所述至少一个读取器单元构造成将询问请求信号传输至所述至少一个传感器设备并接收从所述至少一个传感器设备传输的测量响应信号；以及
至少一个处理器，其编程成根据从所述至少一个传感器设备传输的所述测量响应信号确定所述至少一个可旋转构件的实时蠕变曲线，并且从所述至少一个传感器设备传输的所述测量响应信号为所述至少一个可旋转构件确定实时剩余使用寿命(RUL)估计。
8.根据权利要求7所述的涡轮发动机，其特征在于：
所述至少一个传感器设备包括多个传感器设备，其中，所述多个传感器设备中的每一个传感器设备包括传感器天线；并且
所述至少一个读取器单元包括多根读取器天线，其中，所述多根读取器天线中的每一根读取器天线以一对多的关系或者一对一的关系与对应的所述传感器天线通信地联接。
9.根据权利要求7所述的涡轮发动机，其特征在于：
所述至少一个传感器设备包括多个传感器设备，其中，所述多个传感器设备中的每一个传感器设备包括传感器天线；并且
所述至少一个读取器单元包括一根读取器天线，其中，所述读取器天线以一对多的关系与所述传感器天线通信地联接。
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