CN109372595A - 汽轮机叶片在线损伤状态评估系统及汽轮机叶片寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

汽轮机叶片在线损伤状态评估系统及汽轮机叶片寿命评估方法，属于汽轮机运行状态监测与叶片寿命评估技术领域。本发明解决了汽轮机的运行状态监测与评估存在叶片在线寿命评估不准确，无法实时对高温叶片的高周疲劳、低周疲劳、以及低温叶片的水蚀和结垢与磨损进行评估的问题。本发明利用电厂采集的汽轮机每个叶片温度信号、压力信号和负荷信号，围绕汽轮机各级叶片的运行状态开发了寿命评估模块，分别通过程序计算获得汽轮机叶片的高低周疲劳损耗量，水蚀坑深度量、结垢量和磨损量，可在线对叶片损伤程度进行实时监测，及时获取叶片运行过程中损伤状态。本发明适用于汽轮机叶片寿命评估。

Description

汽轮机叶片在线损伤状态评估系统及汽轮机叶片寿命评估 方法

技术领域

本发明属于汽轮机运行状态监测与叶片寿命评估技术领域。

背景技术

汽轮机是火电和核电企业的核心设备之一，其运行状态的好坏直接影响着整个企业的经济效益。国内外众多企业对汽轮机的状态监测技术都非常重视，但是长久以来，汽轮机的安全评估均以转子系统为主，叶片的安全评估关注度不高。在国外，已经有少数电站装备了先进的性能监测和测量软件系统，提高了电站性能和系统配置能力。但在国内，关于汽轮机叶片疲劳和叶片水蚀的相关文章和工程产品很少，主要是关于叶片疲劳设计和叶片水蚀故障的事后分析，鲜有关于叶片疲劳和叶片水蚀的在线监测系统的介绍。

现有技术中关于汽轮机的状态监测与评估存在叶片在线寿命评估不准确，无法实时对高温叶片的高周疲劳、低周疲劳以及低温叶片的水蚀和结垢与磨损进行评估，造成汽轮机运行过程中叶片损坏，影响使用的问题。

发明内容

本发明是为了解决汽轮机的运行状态监测与评估存在叶片在线寿命评估不准确，无法实时对高温叶片的高周疲劳、低周疲劳、以及低温叶片的水蚀和结垢与磨损进行评估的问题，提出了一种汽轮机叶片在线损伤状态评估系统及汽轮机叶片寿命评估方法。

本发明所述的汽轮机叶片在线损伤状态评估系统，该系统包括监测数据转换模块(1)、高周疲劳损耗量计算模块(3)、低周疲劳损耗量计算模块(4)、水蚀损伤量计算模块(5)、叶片喉口面积计算模块(6)、疲劳评估模块(7)、水蚀损伤评估模块(8)和结垢与磨损损伤评估模块(9)；

监测数据转换模块(1)，用于接收电厂监测汽轮机叶片实时参数信号，并对汽轮机叶片的实时参数信号进行模数转换，将数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号发送至高周疲劳损耗量计算模块(3)、低周疲劳损耗量计算模块(4)、水蚀损伤量计算模块(5)和叶片喉口面积计算模块(6)；

所述汽轮机叶片的实时参数包括：汽轮机叶片温度信号、压力信号和负荷信号；

高周疲劳损耗量计算模块(3)，用于接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，建立叶片名义应力与汽轮机叶片实时参数的关系模型；还用于利用叶片名义应力与汽轮机叶片实时参数的关系模型和材料疲劳极限的试验曲线，获得疲劳极限与汽轮机叶片实时参数的关系模型；再根据材料的应力与寿命曲线和疲劳极限与汽轮机叶片实时参数的关系模型，获得叶片高周疲劳损耗量；并将叶片高周疲劳损耗量信号发送至疲劳评估模块(7)；

低周疲劳损耗量计算模块(4)，用于接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，利用叶片在启停机、甩负荷和跳机变工况下的危险截面，建立危险截面处的局部应力计算模型，基于材料应力应变曲线利用局部应力计算模型，建立局部应变计算模型；再利用局部应变计算模型，根据材料应变寿命曲线和接收的数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，计算叶片低周疲劳损耗量；并将叶片低周疲劳损耗量发送至疲劳评估模块(7)；

水蚀损伤量计算模块(5)，用于接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，利用水蚀机理，建立汽轮机热力及结构参数对运动叶片水蚀速度的关系模型φ，利用模型φ和水蒸汽性质数据库，建立基于水蚀累计量与水蚀坑深度的关系模型，利用水蚀累计量与水蚀坑深度的关系模型计算叶片的水蚀坑深度，并将叶片的水蚀坑深度信号发送至水蚀损伤评估模块(8)；

叶片喉口面积计算模块(6)，用于接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，基于弗留格尔公式和汽轮机叶片的实时参数信号，计算各级叶片喉口面积；并将各级叶片喉口面积信息发送至结垢与磨损损伤评估模块(9)；

疲劳评估模块(7)用于接收叶片高周疲劳损耗量信号和叶片低周疲劳损耗量，并对累计时间内接收到的叶片高周疲劳损耗量进行叠加，获得叶片高周疲劳累计损耗量；对累计时间内接收到的叶片低周疲劳损伤量进行叠加，获得叶片低周疲劳累计损耗量，最后对高周疲劳累计损耗量与低周疲劳累计损耗量求和，获得叶片总的疲劳损耗量，实现对叶片疲劳寿命的评估；

水蚀损伤评估模块(8)，用于接收叶片的水蚀坑深度信号，根据叶片的水蚀坑深度发送轻度、中度或重度水蚀报警信号，实现对汽轮机叶片水蚀损伤的评估；

结垢与磨损损伤评估模块(9)，用于接收各级叶片的喉口面积信息，根据所述各级叶片喉口面积与各级叶片喉口面积基准值，计算各级叶片喉口面积变化量，当各级叶片中任意一级的喉口面积的变化量大于该级叶片对应的喉口面积基准值的1％时，若叶片喉口面积大于对应的基准值，则发送汽轮机叶片磨损报警信号，并输出磨损叶片的级编号；若叶片喉口面积小于对应的基准值，则发送汽轮机叶片结垢报警信号，并输出结垢叶片的级编号。

进一步地，该系统还包括显示处理模块(10)，所述显示处理模块(10)，用于接收疲劳评估模块(7)的叶片总的疲劳损耗量信号，将接收的叶片总的疲劳损耗量与汽轮机叶片设计疲劳损耗量阈值进行比较，当叶片总的疲劳损耗量大于汽轮机叶片设计疲劳损耗量阈值时，发送疲劳警告信号，并对警告信号与疲劳损耗量信息进行显示；

还用于接收水蚀损伤评估模块(8)发送的轻度、中度或重度水蚀报警信号，并对接收的水蚀报警信号进行显示；

还用于接收结垢与磨损损伤评估模块(9)发送汽轮机叶片结垢报警信号及结垢叶片的级编号或汽轮机叶片磨损报警信号及磨损叶片的级编号并对接收的报警信号及叶片的级编号进行显示。

汽轮机叶片寿命评估方法，该方法包括：

模数转换的步骤1，具体包括：

接收电厂监测汽轮机叶片实时参数信号，对汽轮机叶片的实时参数信号进行模数转换的子步骤11，

将数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号发送出去的子步骤12；所述汽轮机叶片的实时参数包括：汽轮机叶片温度信号、压力信号和负荷信号；

汽轮机叶片疲劳寿命评估的步骤2，具体包括：

接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，利用数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号建立叶片名义应力与汽轮机叶片实时参数的关系模型的子步骤21，

利用叶片名义应力与汽轮机叶片实时参数的关系模型和材料疲劳极限的试验曲线，获得疲劳极限与汽轮机叶片实时参数的关系模型子步骤22；

根据材料的应力与寿命曲线和疲劳极限与汽轮机叶片实时参数的关系模型，获得叶片高周疲劳损耗量η_h(σ)的子步骤23；

对叶片高周疲劳损耗量η_h(σ)进行累计叠加，获得高周疲劳累计损耗量φ_h的子步骤24；

利用数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号和叶片在启停机、甩负荷和跳机变工况下的危险截面，建立危险截面处的局部应力计算模型的子步骤25；

基于材料应力应变曲线，建立局部应变计算模型，获得材料应变寿命曲线的子步骤26；

根据材料应变寿命曲线和接收的数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，计算叶片低周疲劳损耗量η_l(ε)的子步骤27；

并对叶片低周疲劳损耗量η_l(ε)进行累计叠加，获得叶片低周疲劳累计损耗量φ_l的子步骤28；

对叶片高周疲劳累计损耗量φ_h和叶片低周疲劳累计损耗量φ_l求和，获得叶片总得疲劳损耗量，实现对汽轮机叶片疲劳寿命的评估的子步骤29；

汽轮机叶片水蚀寿命评估的步骤3，具体包括：

接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，利用水蚀机理，建立基于水蚀累计量模型的子步骤31；

利用水蚀机理，建立基于水蚀累计量模型和水蒸汽性质数据库，建立基于水蚀累计量与水蚀坑深度的关系模型，利用基于水蚀累计量与水蚀坑深度的关系模型计算叶片的水蚀坑深度H的子步骤32；

叶片的水蚀坑深度H与阈值比较，实现对叶片水蚀寿命评估，并发送叶片水蚀报警信号的子步骤33；

结垢与磨损损伤寿命评估的步骤4，具体包括：

接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，基于弗留格尔公式和汽轮机叶片的实时参数信号，计算各级叶片的喉口面积F_T的子步骤41；

根据各级叶片的喉口面积与各级叶片喉口面积对应的基准值，计算各级叶片喉口面积变化量的子步骤42；

判断各级叶片喉口面积变化量是否大于该级叶片对应的喉口面积基准值的1％的子步骤43；

该子步骤43中，当各级叶片中任意一级叶片喉口面积的变化量大于该级叶片对应的喉口面积基准值的1％时，若叶片喉口面积大于对应的基准值，则发送汽轮机叶片磨损报警信号，并输出磨损叶片的级编号；若叶片喉口面积小于对应的基准值，则发送汽轮机叶片结垢报警信号，并输出结垢叶片的级编号。

本发明利用电厂采集的汽轮机每个叶片温度信号、压力信号和负荷信号，围绕汽轮机各级叶片的运行状态开发了三个寿命评估模块和一个辅助维修模块，分别通过程序计算获得汽轮机叶片的高低周疲劳损耗量，水蚀坑深度量、结垢量和磨损量，可在线对叶片损伤程度进行实时监测，及时获取叶片运行过程中损伤状态，避免叶片突发事故所造成的时间和经济损失，指导电厂工作人员根据汽轮机损伤量及时进行有效的叶片维修或更换。

附图说明

图1是本发明所述汽轮机叶片在线损伤状态评估系统原理框图；

图2是具体实施方式四所述的汽轮机叶片疲劳寿命评估流程示意图；

图3是具体实施方式四所述的汽轮机叶片水蚀寿命评估流程示意图；

图4是具体实施方式四所述的结垢与磨损损伤寿命评估的流程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述汽轮机叶片在线损伤状态评估系统，

该系统包括监测数据转换模块(1)、高周疲劳损耗量计算模块(3)、低周疲劳损耗量计算模块(4)、水蚀损伤量计算模块(5)、叶片喉口面积计算模块(6)、疲劳评估模块(7)、水蚀损伤评估模块(8)和结垢与磨损损伤评估模块(9)；

监测数据转换模块(1)，用于接收电厂监测汽轮机叶片实时参数信号，并对汽轮机叶片的实时参数信号进行模数转换，将数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号发送至高周疲劳损耗量计算模块(3)、低周疲劳损耗量计算模块(4)、水蚀损伤量计算模块(5)和叶片喉口面积计算模块(6)；

所述汽轮机叶片的实时参数包括：汽轮机叶片温度信号、压力信号和负荷信号；

高周疲劳损耗量计算模块(3)，用于接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，建立叶片名义应力与汽轮机叶片实时参数的关系模型；还用于利用叶片名义应力与汽轮机叶片实时参数的关系模型和材料疲劳极限的试验曲线，获得疲劳极限与汽轮机叶片实时参数的关系模型；再根据材料的应力与寿命曲线和疲劳极限与汽轮机叶片实时参数的关系模型，获得叶片高周疲劳损耗量；并将叶片高周疲劳损耗量信号发送至疲劳评估模块(7)；

低周疲劳损耗量计算模块(4)，用于接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，利用叶片在启停机、甩负荷和跳机变工况下的危险截面，建立危险截面处的局部应力计算模型，基于材料应力应变曲线利用局部应力计算模型，建立局部应变计算模型；再利用局部应变计算模型，根据材料应变寿命曲线和接收的数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，计算叶片低周疲劳损耗量；并将叶片低周疲劳损耗量发送至疲劳评估模块(7)；

水蚀损伤量计算模块(5)，用于接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，利用水蚀机理，建立汽轮机热力及结构参数对运动叶片水蚀速度的关系模型φ，利用模型φ和水蒸汽性质数据库，建立基于水蚀累计量与水蚀坑深度的关系模型，利用水蚀累计量与水蚀坑深度的关系模型计算叶片的水蚀坑深度，并将叶片的水蚀坑深度信号发送至水蚀损伤评估模块(8)；

叶片喉口面积计算模块(6)，用于接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，基于弗留格尔公式和汽轮机叶片的实时参数信号，计算各级叶片喉口面积；并将各级叶片喉口面积信息发送至结垢与磨损损伤评估模块(9)；由于同一级叶片的运行环境相同，相邻叶片构成的喉口面积相同，因此,计算各级叶片的喉口面积信息时，只需要计算该级任一个动叶片的喉口面积信息；

疲劳评估模块(7)，用于接收叶片高周疲劳损耗量信号和叶片低周疲劳损耗量，并对累计时间内接收到的叶片高周疲劳损耗量进行叠加，获得叶片高周疲劳累计损耗量；对累计时间内接收到的叶片低周疲劳损伤量进行叠加，获得叶片低周疲劳累计损耗量，最后对高周疲劳累计损耗量与低周疲劳累计损耗量求和，获得叶片总的疲劳损耗量，实现对叶片疲劳寿命的评估；

水蚀损伤评估模块(8)，用于接收叶片的水蚀坑深度信号，根据叶片的水蚀坑深度发送轻度、中度或重度水蚀报警信号，实现对汽轮机叶片水蚀损伤的评估；

结垢与磨损损伤评估模块(9)，用于接收叶片的各级喉口面积信息，根据所述各级叶片喉口面积与各级叶片喉口面积基准值，计算各级叶片喉口面积变化量，当各级叶片中任意一级的喉口面积的变化量大于该级叶片对应的喉口面积基准值的1％时，若叶片喉口面积大于对应的基准值，则发送汽轮机叶片磨损报警信号，并输出磨损叶片的级编号；若叶片喉口面积小于对应的基准值，则发送汽轮机叶片结垢报警信号，并输出结垢叶片的级编号。

本实施方式建立了叶片在线损伤状态评估系统，构建了电厂测点温度、压力以及负荷信号与叶片疲劳损伤的数学模型，开发了叶片高周疲劳计算模块、低周疲劳模块、水蚀状态计算模块以及结垢与磨损状态计算模块，量化了叶片运行过程中的损伤状态，结合提出的报警准则，实现了叶片寿命的在线评估和损伤报警。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的汽轮机叶片在线损伤状态评估系统作进一步说明，该系统还包括数据存储模块(2)，所述数据存储模块(2)，用于接收监测数据转换模块(1)发送的数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，并对接收的信号进行存储。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一所述的汽轮机叶片在线损伤状态评估系统作进一步说明，该系统还包括显示处理模块(10)，所述显示处理模块(10)用于接收疲劳评估模块(7)的叶片总的疲劳损耗量信号，将接收的叶片总的疲劳损耗量与汽轮机叶片设计疲劳损耗量阈值进行比较，当叶片总的疲劳损耗量大于汽轮机叶片设计疲劳损耗量阈值时，发送疲劳警告信号，并对警告信号与疲劳损耗量信息进行显示；

还用于接收水蚀损伤评估模块(8)发送的轻度、中度或重度水蚀报警信号，并对接收的水蚀报警信号进行显示；

还用于接收结垢与磨损损伤评估模块(9)发送的汽轮机叶片结垢报警信号及结垢叶片的级编号或汽轮机叶片磨损报警信号及磨损叶片的级编号，并对接收的报警信号及叶片的级编号进行显示。

具体实施方式四：结合图2至图4说明本实施方式，本实施方式所述汽轮机叶片寿命评估方法，该方法包括：

模数转换的步骤1，具体包括：

接收电厂监测汽轮机叶片实时参数信号，对汽轮机叶片的实时参数信号进行模数转换的子步骤11，

将数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号发送出去的子步骤12；所述汽轮机叶片的实时参数包括：汽轮机叶片温度信号、压力信号和负荷信号；

汽轮机叶片疲劳寿命评估的步骤2，具体包括：

接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，利用数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号建立叶片名义应力与汽轮机叶片实时参数的关系模型的子步骤21，

利用叶片名义应力与汽轮机叶片实时参数的关系模型和材料疲劳极限的试验曲线，获得疲劳极限与汽轮机叶片实时参数的关系模型子步骤22；

根据材料的应力与寿命曲线和疲劳极限与汽轮机叶片实时参数的关系模型，获得叶片高周疲劳损耗量η_h(σ)的子步骤23；

对叶片高周疲劳损耗量η_h(σ)进行累计叠加，获得高周疲劳累计损耗量φ_h的子步骤24；

利用数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号和叶片在启停机、甩负荷和跳机变工况下的危险截面，建立危险截面处的局部应力计算模型的子步骤25；

基于材料应力应变曲线，建立局部应变计算模型，获得材料应变寿命曲线的子步骤26；

根据材料应变寿命曲线和接收的数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，计算叶片低周疲劳损耗量η_l(ε)的子步骤27；

并对叶片低周疲劳损耗量η_l(ε)进行累计叠加，获得叶片低周疲劳累计损耗量φ_l的子步骤28；

对叶片高周疲劳累计损耗量φ_h和叶片低周疲劳累计损耗量φ_l求和，获得叶片总得疲劳损耗量，实现对汽轮机叶片疲劳寿命的评估的子步骤29；

汽轮机叶片水蚀寿命评估的步骤3，具体包括：

接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，利用水蚀机理，建立基于水蚀累计量模型的子步骤31；

利用水蚀机理，建立基于水蚀累计量模型和水蒸汽性质数据库，建立基于水蚀累计量与水蚀坑深度的关系模型，利用基于水蚀累计量与水蚀坑深度的关系模型计算叶片的水蚀坑深度H的子步骤32；

叶片的水蚀坑深度H与阈值比较，实现对叶片水蚀寿命评估，并发送叶片水蚀报警信号的子步骤33；

结垢与磨损损伤寿命评估的步骤4，具体包括：

接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，基于弗留格尔公式和汽轮机叶片的实时参数信号，计算各级叶片的喉口面积F_T的子步骤41；

根据各级叶片的喉口面积与各级叶片喉口面积对应的基准值，计算各级叶片喉口面积变化量的子步骤42；

判断各级叶片喉口面积变化量是否大于该级叶片对应的喉口面积基准值的1％的子步骤43；

该子步骤43中，当各级叶片中任意一级叶片喉口面积的变化量大于该级叶片对应的喉口面积基准值的1％时，若叶片喉口面积大于对应的基准值，则发送汽轮机叶片磨损报警信号，并输出磨损叶片的级编号；若叶片喉口面积小于对应的基准值，则发送汽轮机叶片结垢报警信号，并输出结垢叶片的级编号。

本实施方式描述了叶片寿命评估方法和具体的评估步骤，基于电厂测点仅有的三个监测信号，构建了叶片名义应力、叶片危险截面的局部应力、叶片水蚀累计量以及叶片喉口面积四个基本计算模型，进一步结合材料损伤理论、寿命曲线和水蚀机理，实现了叶片高周疲劳累计损伤量、低周疲劳累计损伤量、水蚀坑深度量、结垢量和磨损量的在线计算，为叶片损伤状态的在线评估提供了方法指导。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式四所述的汽轮机叶片寿命评估方法作进一步说明，叶片的水蚀坑深度H与阈值比较，并发送叶片水蚀报警信号的子步骤23具体为：判断叶片的水蚀坑深度H是否小于阈值A1，若是，不发送报警信号，否则判断叶片的水蚀坑深度H是否小于A2，若是，发送轻度水蚀报警信号；否则，判断叶片的水蚀坑深度H是否小于A3，若是，发送中度水蚀报警信号，否则发送重度水蚀报警信号，其中，0＜A1＜A2＜A3。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式四或五所述的汽轮机叶片寿命评估方法作进一步说明，A1＝0.5mm，A2＝1mm，A3＝2mm。

本实施方案所提到的阀值是在大量的叶片水蚀事故总结基础上所提出的通用性限制值，能够对汽轮机末三级叶片的水蚀状态进行有效的区分，实现叶片水蚀状态的准确监测和预警。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式四或五所述的汽轮机叶片寿命评估方法作进一步说明，叶片高周疲劳累计损耗量φ_h的具体计算方法为：

利用流量计算模型：

获得平均截面处的蒸汽速度数据，式中，G_tot为平均截面蒸汽流量，Dpd为叶片平均直径，Ld为出汽边高度，beta2为平均截面相对出口角，w2为平均截面相对出口速度，为动叶速度系数，为运动叶片流量系数，ρ蒸汽密度；

利用公式：

获得叶片切向受力Fu和叶片轴向受力Fz；公式中，zd为叶片只数，e为部分进汽度，c1u为平均截面进口切向绝对速度，c2u为平均截面出口切向绝对速度，c1z为平均截面入口轴向绝对速度，c2z为平均截面出口轴向绝对速度，p1为平均截面入口压力，p2为平均截面出口压力，tb为平均截面叶栅节距；

利用公式：

M＝F*Ld/2000 (5)

S₁＝M/W (6)

获得稳态蒸汽弯应力S₁，即叶片名义应力，式中，F为叶片所受总稳态蒸汽力，M为蒸汽弯应力对叶根的力矩，W为平均截面抗弯模量；

利用公式：

获得修正后的疲劳极限σ，式中，σ_b为强度极限，σ_-1为实验室测得的应力比R＝-1时的对称循环疲劳极限；

σ＝σ′_f(2N)^b (8)

式中，σ′_f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，N为致裂寿命；

计算高周疲劳累计损耗量φ_h：

其中，n_h为叶片在某一温度、压力和负荷参数下经历的总的高周疲劳循环的次数，D_c为实际结构的临界损伤值，为小于等于1的常数，用于修正Miner(迈因纳)线性累积理论的误差，其中，t0为系统开始监测的时刻，t为当前结果显示时刻。

具体实施方式八：本实施方式对实施方式七所述的汽轮机叶片寿命评估方法作进一步说明，叶片低周疲劳累计损耗量φ_l的计算方法为：

S₂·ε＝K (10)

式中，S₂为危险截面的局部蒸汽弯应力，公式中的参数改为危险截面处的参数数值，为危险截面的局部应变量，K为常数，K根据材料局部应力应变曲线确定；

曼森-科菲理论：

式中，σ′_f为疲劳强度系数；E为弹性模量；ε′_f为疲劳塑性系数；c疲劳塑性指数，用最小二乘法拟合得到应变与寿命曲线；获得叶片低周疲劳累计损耗量φ_l的具体公式为：

式中，n_l为叶片分别经历的冷态启动、温态启动、热态启动、停机、叶片甩负荷以及跳机等工况的次数；t₀为系统开始监测的时刻，t为当前结果显示时刻。

具体实施方式九：本实施方式对实施方式四或五所述的汽轮机叶片寿命评估方法作进一步说明，叶片的水蚀坑深度H的计算方法为：

G＝G_tot*(1-x)*α (14)

式中，为水蚀状态系数，d为水滴加权平均直径，n为尺寸项指数，w为法向撞击速度，w0为速度阀值，m为速度项指数，G为引起水蚀的水滴流量，G_tot为主蒸汽流量，x为蒸汽干度，α为大水滴百分比，所述水滴为直径在10um-500um内的水滴为大水滴，α通常为0.1，t₁为水滴作用时间，A为水蚀面积，z为水蚀指数；

叶片的水蚀坑深度H：

式中，ρ为水滴密度，E/A可由式(13)求得。

具体实施方式十：本实施方式对实施方式四或五所述的汽轮机叶片寿命评估方法作进一步说明，计算叶片的各级喉口面积F_T的方法：

通过公式：

计算获得，其中，G_tot为主蒸汽流量，表征机组负荷大小，T₀为温度，P₀为压力。

本发明还包括叶片精密点检可视化模块，接收高周疲劳损耗量计算模块3发送的叶片高周疲劳损耗量信号，低周疲劳损耗量计算模块4发送的叶片低周疲劳损耗量信号，蚀损伤量计算模块5发送的叶片的水蚀坑深度信号，叶片喉口面积计算模块6发送的叶片的各级喉口面积信息，疲劳评估模块7发送的叶片总的疲劳寿命折损量信号，水蚀损伤评估模块8发送的叶片的水蚀坑深度发送轻度、中度或重度水蚀报警信号和结垢与磨损损伤评估模块9发送的汽轮机叶片磨损报警信号或汽轮机叶片结垢报警信号，基于UG进行二次开发，将接收到的数据进行轻量化处理，同时进行数据压缩，最终使用WebSocket技术将压缩后的数据上传到叶片模型服务器中，为后续的3D可视化检修提供基本的数据源基础；在利用3D模型显示软件，结合WebGL技术(利用WebGL技术建立检修后常见问题处理预案数据库)，在Web页面中进行最终的3D叶片模型的展示；针对检修过程中的检查类型(外观目视检查、无损探伤检查和装配状态检查)，建立检查类型分类表，同时进行了检查项编码、检查颜色标识以及对应的处理预案编码，实现预案问题数据库的检索功能。

Claims (10)

1.汽轮机叶片在线损伤状态评估系统，其特征在于，该系统包括监测数据转换模块(1)、高周疲劳损耗量计算模块(3)、低周疲劳损耗量计算模块(4)、水蚀损伤量计算模块(5)、叶片喉口面积计算模块(6)、疲劳评估模块(7)、水蚀损伤评估模块(8)和结垢与磨损损伤评估模块(9)；

监测数据转换模块(1)，用于接收电厂监测汽轮机叶片实时参数信号，并对汽轮机叶片的实时参数信号进行模数转换，将数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号发送至高周疲劳损耗量计算模块(3)、低周疲劳损耗量计算模块(4)、水蚀损伤量计算模块(5)和叶片喉口面积计算模块(6)；

所述汽轮机叶片的实时参数包括：汽轮机叶片温度信号、压力信号和负荷信号；

高周疲劳损耗量计算模块(3)，用于接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，建立叶片名义应力与汽轮机叶片实时参数的关系模型；还用于利用叶片名义应力与汽轮机叶片实时参数的关系模型和材料疲劳极限的试验曲线，获得疲劳极限与汽轮机叶片实时参数的关系模型；再根据材料的应力与寿命曲线和疲劳极限与汽轮机叶片实时参数的关系模型，获得叶片高周疲劳损耗量；并将叶片高周疲劳损耗量信号发送至疲劳评估模块(7)；

低周疲劳损耗量计算模块(4)，用于接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，利用叶片在启停机、甩负荷和跳机变工况下的危险截面，建立危险截面处的局部应力计算模型，基于材料应力应变曲线利用局部应力计算模型，建立局部应变计算模型；再利用局部应变计算模型，根据材料应变寿命曲线和接收的数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，计算叶片低周疲劳损耗量；并将叶片低周疲劳损耗量发送至疲劳评估模块(7)；

水蚀损伤量计算模块(5)，用于接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，利用水蚀机理，建立汽轮机热力及结构参数对运动叶片水蚀速度的关系模型φ，利用模型φ和水蒸汽性质数据库，建立基于水蚀累计量与水蚀坑深度的关系模型，利用水蚀累计量与水蚀坑深度的关系模型计算叶片的水蚀坑深度，并将叶片的水蚀坑深度信号发送至水蚀损伤评估模块(8)；

叶片喉口面积计算模块(6)，用于接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，基于弗留格尔公式和汽轮机叶片的实时参数信号，计算各级叶片喉口面积；并将各级叶片喉口面积信息发送至结垢与磨损损伤评估模块(9)；

疲劳评估模块(7)，用于接收叶片高周疲劳损耗量信号和叶片低周疲劳损耗量，并对累计时间内接收到的叶片高周疲劳损耗量进行叠加，获得叶片高周疲劳累计损耗量；对累计时间内接收到的叶片低周疲劳损伤量进行叠加，获得叶片低周疲劳累计损耗量，最后对高周疲劳累计损耗量与低周疲劳累计损耗量求和，获得叶片总的疲劳损耗量，实现对叶片疲劳寿命的评估；

水蚀损伤评估模块(8)，用于接收叶片的水蚀坑深度信号，根据叶片的水蚀坑深度发送轻度、中度或重度水蚀报警信号，实现对汽轮机叶片水蚀损伤的评估；

结垢与磨损损伤评估模块(9)，用于接收叶片的各级喉口面积信息，根据所述各级喉口面积与各级叶片喉口面积基准值，计算各级叶片喉口面积变化量，当各级叶片中任意一级叶片的喉口面积的变化量大于该级叶片对应的喉口面积基准值的1％时，若叶片喉口面积大于对应的基准值，则发送汽轮机叶片磨损报警信号，若叶片喉口面积小于对应的基准值则发送汽轮机叶片结垢报警信号。

2.根据权利要求1所述汽轮机叶片在线损伤状态评估系统，其特征在于，该系统还包括数据存储模块(2)，所述数据存储模块(2)用于接收监测数据转换模块(1)发送的数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，并对接收的信号进行存储。

3.根据权利要求1所述汽轮机叶片在线损伤状态评估系统，其特征在于，该系统还包括显示处理模块(10)，所述显示处理模块(10)，用于接收疲劳评估模块(7)的叶片总的疲劳损耗量信号，将接收的叶片总的疲劳损耗量与汽轮机叶片设计疲劳损耗量阈值进行比较，当叶片总的疲劳损耗量大于汽轮机叶片设计疲劳损耗量阈值时，发送疲劳警告信号，并对警告信号与疲劳损耗量信息进行显示；

还用于接收水蚀损伤评估模块(8)发送的轻度、中度或重度水蚀报警信号，并对接收的水蚀报警信号进行显示；

还用于接收结垢与磨损损伤评估模块(9)发送的汽轮机叶片结垢报警信号及结垢叶片的级编号或汽轮机叶片磨损报警信号及磨损叶片的级编号并对接收的报警信号及叶片的级编号进行显示。

4.汽轮机叶片寿命评估方法，其特征在于，该方法包括：

模数转换的步骤1，具体包括：

接收电厂监测汽轮机叶片实时参数信号，对汽轮机叶片的实时参数信号进行模数转换的子步骤11，

将数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号发送出去的子步骤12；

所述汽轮机叶片的实时参数包括：汽轮机叶片温度信号、压力信号和负荷信号；

汽轮机叶片疲劳寿命评估的步骤2，具体包括：

接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，利用数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号建立叶片名义应力与汽轮机叶片实时参数的关系模型的子步骤21，

利用叶片名义应力与汽轮机叶片实时参数的关系模型和材料疲劳极限的试验曲线，获得疲劳极限与汽轮机叶片实时参数的关系模型子步骤22；

根据材料的应力与寿命曲线和疲劳极限与汽轮机叶片实时参数的关系模型，获得叶片高周疲劳损耗量η_h(σ)的子步骤23；

对叶片高周疲劳损耗量η_h(σ)进行累计叠加，获得高周疲劳累计损耗量φ_h的子步骤24；

利用数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号和叶片在启停机、甩负荷和跳机变工况下的危险截面，建立危险截面处的局部应力计算模型的子步骤25；

基于材料应力应变曲线，建立局部应变计算模型，获得材料应变寿命曲线的子步骤26；

根据材料应变寿命曲线和接收的数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，计算叶片低周疲劳损耗量η_l(ε)的子步骤27；

并对叶片低周疲劳损耗量η_l(ε)进行累计叠加，获得叶片低周疲劳累计损耗量φ_l的子步骤28；

对叶片高周疲劳累计损耗量φ_h和叶片低周疲劳累计损耗量φ_l求和，获得叶片总得疲劳损耗量，实现对汽轮机叶片疲劳寿命的评估的子步骤29；

汽轮机叶片水蚀寿命评估的步骤3，具体包括：

接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，利用水蚀机理，建立基于水蚀累计量模型的子步骤31；

利用水蚀机理，建立基于水蚀累计量模型和水蒸汽性质数据库，建立基于水蚀累计量与水蚀坑深度的关系模型，利用基于水蚀累计量与水蚀坑深度的关系模型计算叶片的水蚀坑深度H的子步骤32；

叶片的水蚀坑深度H与阈值比较，实现对叶片水蚀寿命评估，并发送叶片水蚀报警信号的子步骤33；

结垢与磨损损伤寿命评估的步骤4；具体包括：

接收数字形式的汽轮机叶片的实时参数信号，基于弗留格尔公式和汽轮机叶片的实时参数信号，计算叶片的各级喉口面积F_T的子步骤41；

根据各级叶片的喉口面积与各级叶片喉口面积对应的基准值，计算各级叶片喉口面积变化量的子步骤42；

判断各级叶片喉口面积变化量是否大于该级叶片对应的喉口面积基准值的1％的子步骤43；

该子步骤43中，当各级叶片中任意一级叶片喉口面积的变化量大于该级叶片对应的喉口面积基准值的1％时，若叶片喉口面积大于对应的基准值，则发送汽轮机叶片磨损报警信号，若叶片喉口面积小于对应的基准值，则发送汽轮机叶片结垢报警信号。

5.根据权利要求4所述汽轮机叶片寿命评估方法，其特征在于，叶片的水蚀坑深度H与阈值比较，并发送叶片水蚀报警信号的子步骤33具体为：

判断叶片的水蚀坑深度H是否小于阈值A1，若是，不发送报警信号，否则判断叶片的水蚀坑深度H是否小于A2，若是，发送轻度水蚀报警信号；否则，判断叶片的水蚀坑深度H是否小于A3，若是，发送中度水蚀报警信号，否则发送重度水蚀报警信号，其中，0＜A1＜A2＜A3。

6.根据权利要求5所述汽轮机叶片寿命评估方法，其特征在于，A1＝0.5mm，A2＝1mm，A3＝2mm。

7.根据权利要求4或5所述汽轮机叶片寿命评估方法，其特征在于，叶片高周疲劳累计损耗量φ_h的具体计算方法为：

利用流量计算模型：

获得平均截面处的蒸汽速度数据，式中，G_tot为平均截面蒸汽流量，Dpd为叶片平均直径，Ld为出汽边高度，beta2为平均截面相对出口角，w2为平均截面相对出口速度，为动叶速度系数，为运动叶片流量系数，ρ蒸汽密度；

利用公式：

获得叶片切向受力Fu和叶片轴向受力Fz；公式中，zd为叶片只数，e为部分进汽度，c1u为平均截面进口切向绝对速度，c2u为平均截面出口切向绝对速度，c1z为平均截面入口轴向绝对速度，c2z为平均截面出口轴向绝对速度，p1为平均截面入口压力，p2为平均截面出口压力，tb为平均截面叶栅节距；

利用公式：

M＝F*Ld/2000 (5)

S₁＝M/W (6)

获得稳态蒸汽弯应力S₁，即叶片名义应力，式中，F为叶片所受总稳态蒸汽力，M为蒸汽弯应力对叶根的力矩，W为平均截面抗弯模量；

利用公式：

获得修正后的疲劳极限σ，式中，σ_b为强度极限，σ_-1为实验室测得的应力比R＝-1时的对称循环疲劳极限；

σ＝σ′_f(2N)^b (8)

式中，σ′_f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，N为致裂寿命；

计算高周疲劳累计损耗量φ_h：

其中，n_h为叶片在某一温度、压力和负荷参数下经历的总的高周疲劳循环的次数，D_c为实际结构的临界损伤值，为小于等于1的常数，t₀为系统开始监测的时刻，t为当前结果显示时刻。

8.根据权利要求7所述汽轮机叶片寿命评估方法，其特征在于，叶片低周疲劳累计损耗量φ_l的计算方法为：

S₂·ε＝K (10)

式中，S₂为危险截面的局部蒸汽弯应力，公式中的参数改为危险截面处的参数数值，为危险截面的局部应变，K为常数，K根据材料局部应力应变曲线确定；

曼森科菲理论：

式中，σ′_f为疲劳强度系数；E为弹性模量；ε′_f为疲劳塑性系数；c疲劳塑性指数，用最小二乘法拟合得到应变与寿命曲线；获得叶片低周疲劳累计损耗量φ_l的具体公式为：

式中，n_l为叶片分别经历的冷态启动、温态启动、热态启动、停机、叶片甩负荷以及跳机等工况的次数。

9.根据权利要求4或5所述汽轮机叶片寿命评估方法，其特征在于，叶片的水蚀坑深度H的计算方法为：

G＝G_tot*(1-x)*α (14)

式中，为水蚀状态系数，d为水滴加权平均直径，n为尺寸项指数，w为法向撞击速度，w0为速度阀值，m为速度项指数，G为引起水蚀的水滴流量，G_tot为主蒸汽流量，x为蒸汽干度，α为大水滴百分比，t₁为水滴作用时间，A为水蚀面积，z为水蚀指数；

叶片的水蚀坑深度H：

式中，ρ为水滴密度，E/A可由式(13)求得。

10.根据权利要求4或5所述汽轮机叶片寿命评估方法，其特征在于，计算叶片的各级喉口面积F_T的方法：

通过公式：

计算获得，其中，G_tot为主蒸汽流量，表征机组负荷大小，T₀为温度，P₀为压力。