DE102012108283A1

DE102012108283A1 - Kriechanzeigesystem und Verfahren zum Bestimmen eines Kriechbetrags

Info

Publication number: DE102012108283A1
Application number: DE102012108283A
Authority: DE
Inventors: Jr. Wilett Fred Thomas; Paul Stephen DiMascio
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2013-03-07
Also published as: US8746049B2; RU2012139502A; FR2979701A1; US20130058786A1

Abstract

Ein Kriechanzeigesystem (100) und ein Verfahren zum Bestimmen eines Kriechbetrags werden offenbart. Das System (100) umfasst ein erstes Kriechanzeigeelement (112) auf einem ersten rotierenden Bauteil (32) und ein zweites Kriechanzeigeelement (114) auf einem zweiten rotierenden Bauteil (34). Das zweite Kriechanzeigeelement (114) weist mindestens eine unterschiedliche Kriecheigenschaft von dem ersten Kriechanzeigeelement (112) auf. Das System umfasst ferner mindestens eine Messeinrichtung (120) die ausgebildet ist, eine Änderung der radialen Position von mindestens dem ersten Kriechanzeigeelement (112) oder dem zweiten Kriechanzeigeelement (114) zu messen. Das Verfahren umfasst Messen eines ersten Kriechbetrags eines ersten Kriechanzeigeelements (112) und Messen eines zweiten Kriechbetrags eines zweiten Kriechanzeigeelements (114). Das Verfahren umfasst ferner Schätzen einer Temperatur eines rotierenden Bauteils (30) unter Verwendung des ersten Kriechbetrags und des zweiten Kriechbetrags.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf rotierende Bauteile, wie beispielsweise rotierende Bauteile in Turbinensystemen und genauer auf Systeme und Verfahren zum Bestimmen eines Kriechumfanges der rotierenden Bauteile.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Lebensdauer mechanischer Teile, wie beispielsweise eines Rotors in einer Turbine, wird durch einen oder mehrere von mehreren Versagensmechanismen diktiert. In Turbinenrotoren, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, sind Kriechen und Kurzzeitschwingfestigkeit (LCF – Low Cycle Fatigue) die vorherrschenden Versagensmechanismen. Rotorfehler können katastrophal sein. Ein Rotorbruch kann zu Schäden in Höhe von Millionen Dollar und möglicherweise zum Tod führen. Folglich sind Rotoren für eine Nutzungsdauer konstruiert, die geringer ist als die vorhergesagte Bruchlebensdauer und ausreichend geringer ist, um die Möglichkeit eines Betriebsfehlers stark zu reduzieren.
Viele Rotoren haben eine begrenzte Kriechlebensdauer. Die Kriechlebensdauervorhersage hängt von vielen Faktoren ab wie Temperatur, Spannung und Materialeigenschaften. Spannung kann während des Turbinenbetriebs durch die Rotordrehzahl überwacht werden. Materialeigenschaften schwanken jedoch von Rotor zu Rotor. Leider kann die Bandbreite der Materialeigenschaften nur durch zerstörende Prüfung bestimmt werden. Aufgrund der Schwankung der Materialeigenschaften, schwanken die Rotorlebensdauern, sowohl die vorhergesagten als auch die tatsächlichen, stark. Zusätzlich ist die Temperatur typischerweise schwierig zu messen. Zum Beispiel ist es in der Regel unerschwinglich teuer und gefährlich, zu versuchen, eine Temperaturmesseinrichtung an einem Rotor zu montieren, auf Grund des Risikos, dass die Einrichtung verrutscht.
Das Ausmaß des Rotorkriechens kann für große Rotoren durch Messen des Rotors nach einem bestimmten Betriebszeitraum bestimmt werden. Typischerweise wird der Rotordurchmesser gemessen, mit der anfänglichen Rotordurchmessermessung verglichen und in Bezug gesetzt mit einem Kriechmodell, um den Umfang des Kriechens und damit die Menge der verbrauchten Lebensdauer abzuschätzen. Leider erfordert diese Vorgehensweise gute Messungen des neuen Rotors, gute Datenspeicherung und abruf und Demontage der Turbine zum Zeitpunkt der Messung. Die Demontage erfordert das Aufwenden einer umfangreichen Menge an Zeit und Kosten.
Somit wird ein verbessertes System und Verfahren zum Bestimmen des Kriechens eines rotierenden Bauteils, wie beispielsweise eines Rotors, im Stand der Technik gewünscht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden zum Teil in der folgenden Beschreibung dargelegt oder können aus der Beschreibung offensichtlich sein oder können durch Ausführung der Erfindung erlernt werden.
Bei einer Ausführungsform wird ein Kriechanzeigesystem offenbart. Das System umfasst ein erstes Kriechanzeigeelement auf einem ersten rotierenden Bauteil und ein zweites Kriechanzeigeelement auf einem zweiten rotierenden Bauteil. Das zweite Kriechanzeigeelement weist mindestens eine unterschiedliche Kriecheigenschaft von dem ersten Kriechanzeigeelement auf. Das System umfasst ferner mindestens eine Messeinrichtung, die zum Messen einer Änderung der radialen Position von mindestens dem ersten Kriechanzeigeelement oder dem zweiten Kriechanzeigeelement ausgebildet ist.
Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Kriechbetrags offenbart. Das Verfahren umfasst Messen eines ersten Kriechbetrags eines ersten Kriechanzeigeelements und Messen eines zweiten Kriechbetrags eines zweiten Kriechanzeigeelements. Das zweite Kriechanzeigeelement weist mindestens eine unterschiedliche Kriecheigenschaft von dem ersten Kriechanzeigeelement auf. Das Verfahren umfasst ferner Schätzen einer Temperatur eines rotierenden Bauteils unter Verwendung des ersten Kriechbetrags und des zweiten Kriechbetrags.
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche. Die beigefügten Zeichnungen, die einbezogen sind und einen Teil dieser Beschreibung bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine vollständige und befähigende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsform davon, die an einen Durchschnittsfachmann gerichtet ist, wird in der Beschreibung dargelegt, die Bezug nimmt auf die beigefügten Figuren, in denen:
1 eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Turbinensystems nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist;
2 eine Querschnittsansicht eines Kriechanzeigesystems mit einem ersten Kriechanzeigeelement und einem zweiten Kriechanzeigeelement nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3 eine Querschnittsansicht des Systems der 2 nach einer gewissen Zeit der Verwendung zeigt;
4 eine Kurve, die das Kriechen eines rotierenden Bauteils gegenüber einem Kriechanzeigeelement zur Verwendung mit einem Kriechkorrelationssystem nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
5 eine Draufsicht auf ein Kriechanzeigeelement nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
6 eine Querschnittsansicht des Kriechanzeigeelements der 5 zeigt;
7 eine Querschnittsansicht eines Kriechanzeigeelements nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
8 eine Querschnittsansicht eines Kriechanzeigeelements nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
9 eine perspektivische Ansicht des Kriechanzeigeelements der 8 zeigt;
10 eine Querschnittsansicht eines Kriechanzeigesystems mit einem Kriechanzeigeelement nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
11 eine Querschnittsansicht eines Kriechanzeigesystems mit einem Kriechanzeigeelement nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
12 eine Querschnittsansicht eines Kriechanzeigesystems mit einem Kriechanzeigeelement nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
13 eine Kurve zeigt, die das Modellieren des Kriechens für ein erstes Kriechanzeigeelement und ein zweites Kriechanzeigeelement zur Verwendung mit einem Kriechkorrelationssystem nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung anzeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nun wird detailliert Bezug genommen auf Ausführungsformen der Erfindung, von der ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen dargestellt sind. Jedes Beispiel wird zur Erläuterung der Erfindung angegeben, nicht zur Einschränkung der Erfindung. Tatsächlich erkennen Fachleute, dass verschiedene Modifikationen und Variationen bei der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne von dem Schutzumfang oder dem Gedanken der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können als Teil einer Ausführungsform dargestellte oder beschriebene Merkmale mit einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit soll die vorliegende Erfindung solche Modifikationen und Variationen beinhalten, da sie innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente liegen.
1 stellt verschiedene Bauteile eines Turbinensystems 10 dar. Das Turbinensystem 10 kann zum Beispiel ein Dampfturbinensystem, ein Gasturbinensystem oder irgendein anderes geeignete Turbinensystem sein. Die verschiedenen Bauteile, die in der 1 dargestellt sind, können Bauteile von zum Beispiel einem Verdichter oder einer Turbine des Turbinensystems 10 sein.
Der Verdichter und/oder die Turbine kann eine oder mehrere Stufen umfassen, wie beispielsweise ein, zwei, drei, vier, fünf oder mehr Stufen. Jede Stufe kann eine Anzahl in Umfangsrichtung beabstandeter Düsen 12 und Schaufeln 14 umfassen (von denen jeweils eine in 1 dargestellt ist). Die Düsen 12 können in Umfangsrichtung innerhalb einer Verkleidung 16 angeordnet und mit dieser verbunden sein. Die Schaufeln 14 können in Umfangsrichtung um ein Rotorrad 18 angeordnet und mit diesem verbunden sein. Verschiedene Abdichtungsmerkmale können in der Stufe vorgesehen sein, um das Eindringen und/ oder das Ausströmen verschiedener Ströme aus dem Strömungsweg 20 zu verhindern, der nach den Düsen 12 und den Schaufeln 14 definiert ist. Zum Beispiel kann bei einigen Ausführungsformen, wie beispielsweise in Dampfturbinensystemen, eine Anzahl Dichtungen, wie beispielsweise J-Dichtungen 22, mit dem Rotorrad 18 verbunden sein, um eine Abdichtung zwischen dem Rotorrad 18 und der Düse 12 zu erzielen.
Wie allgemein bekannt, können verschiedene Bauteile eines Verdichters und/oder der Turbine, wie beispielsweise einer Stufe wie oben erörtert, allgemein bewegliche Bauteile sein. Die beweglichen Bauteile sind allgemein um eine zentrale Achse 24 drehbar und werden hierin als rotierende Bauteile 30 bezeichnet. Zum Beispiel sind eine Schaufel 14, ein Rotorrad 18 und eine Dichtung, wie beispielsweise eine J-Dichtung 22, Beispiele für rotierende Bauteile. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die oben offenbarten Beispiele beschränkt ist, und dass stattdessen jedes geeignete rotierende Bauteil innerhalb des Schutzumfangs und Gedankens der vorliegenden Offenbarung liegt.
Ferner können verschiedene der hierin erläuterten rotierenden Bauteile 30 als erste rotierende Bauteile 32 und zweite rotierende Bauteile 34 bezeichnet werden. Es versteht sich, dass ein erstes rotierendes Bauteil 32 und ein zweites rotierendes Bauteil 34 verschiedene rotierende Bauteile 30 oder das gleiche rotierende Bauteil 30 sein können. Bei einigen Ausführungsformen sind die ersten und die zweiten rotierenden Bauteile 32 und 34 rotierende Bauteile innerhalb einer einzigen Stufe eines Verdichters oder einer Turbine eines Turbinensystems 10.
Wie allgemein bekannt, können verschiedene andere Bauteile eines Verdichters und/oder einer Turbine, wie beispielsweise einer Stufe wie oben erörtert, allgemein nicht bewegliche Bauteile sein. Die nicht beweglichen Bauteile werden hierin als stationäre Bauteile 40 bezeichnet. Zum Beispiel sind eine Düse 12 und eine Verkleidung 16 Beispiele für stationäre Bauteile. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die oben offenbarten Beispiele beschränkt ist und dass stattdessen jedes geeignete stationäre Bauteil innerhalb des Schutzumfangs und des Gedankens der vorliegenden Offenbarung liegt.
In vielen Fällen ist es wünschenswert, einen Kriechumfang eines rotierenden Bauteils 30 zu ermitteln. Somit ist die vorliegende Offenbarung auf ein Kriechanzeigesystem 100 gerichtet. Wie in 2, 3 und 5–12 gezeigt, umfasst das Kriechanzeigesystem 100 der vorliegenden Offenbarung eine Anzahl Kriechanzeigeelemente 110. Die Anzahl Kriechanzeigeelemente 110 umfasst mindestens ein erstes Kriechanzeigeelement 112 und mindestens ein zweites Kriechanzeigeelement 114. Das erste Kriechanzeigeelement 112 befindet sich auf einem ersten rotierenden Bauteil 32, während das zweite Kriechanzeigeelement 114 auf einem zweiten rotierenden Bauteil 34 angeordnet ist.
Das zweite Kriechanzeigeelement 114 hat mindestens eine von dem ersten Kriechanzeigeelement 112 unterschiedliche Kriecheigenschaft. Zum Beispiel weist bei einigen Ausführungsformen das zweite Kriechanzeigeelement 114 ein von dem Material des ersten Kriechanzeigeelements 112 unterschiedliches Material auf. Die Kriechanzeigeelemente 110 können aus beliebigen geeigneten Materialien, wie beispielsweise aus Metallen oder Metalllegierungen ausgebildet sein. Zum Beispiel können die Kriechanzeigeelemente 110 aus irgendeinem geeigneten Stahl, Nickel, nickelbasierter Legierung, Eisenmetall, eisenbasierter Legierung, Buntmetall, buntmetallbasierter Legierung oder irgendeinem anderen geeigneten Metall oder Metalllegierungen ausgebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das erste Kriechanzeigeelement 112 aus einem relativ hochwertigen Edelstahl ausgebildet werden, während das zweite Kriechanzeigeelement 114 aus einem relativ geringwertigen Edelstahl ausgebildet ist, oder umgekehrt. Alternativ kann das erste Kriechanzeigeelement 112 aus einem Stahl ausgebildet sein, während das zweite Kriechanzeigeelement 114 aus einer nickelbasierten Legierung ausgebildet ist. Alternativ kann das erste Kriechanzeigeelement 112 aus jedem geeigneten Material ausgebildet sein, während das zweite Kriechanzeigeelement 114 aus irgendeinem geeigneten Material mit unterschiedlichen Materialeigenschaften ausgebildet ist.
Zusätzlich oder alternativ kann das zweite Kriechanzeigeelement 114 eine von dem ersten Kriechanzeigeelement 112 verschiedene Beanspruchung bei anderen konstanten Faktoren aufweisen oder kann irgendeine beliebige andere geeignete unterschiedliche Kriecheigenschaft aufweisen, wie beispielsweise irgendeine geeigneten Eigenschaft, die bewirkt, dass das zweite Kriechanzeigeelement 114 ein von dem ersten Kriechanzeigeelement 112 verschiedenes Kriechen aufweist.
Wie erwähnt, befindet sich jedes Kriechanzeigeelement 110 auf einem rotierenden Bauteil 30. Wie hierin verwendet, kann das Kriechanzeigeelement 110 "auf" einem rotierenden Bauteil 30 sein, indem es integral auf einer Oberfläche oder in einer Oberfläche des rotierenden Bauteils 30 ausgebildet oder indem es mit dem rotierenden Bauteil 30 verbunden ist.
Das Kriechanzeigeelement 110 kann bei einigen Ausführungsformen jede Struktur sein, die so ausgebildet ist, dass sie eine höhere Beanspruchung als das rotierende Bauteil 30 erfährt, was zu einer größeren Kriechrate als das rotierende Bauteil 30 führt. Das heißt, das Kriechanzeigeelement 110 kann derart ausgebildet sein, dass es schneller kriecht als der Rest des rotierenden Bauteils 30, so dass seine Auslenkung stärker und leichter zu messen ist. Alternativ kann das Kriechanzeigeelement 110 irgendeine Struktur sein, die so ausgebildet ist, dass sie eine geringere Beanspruchung oder im Wesentlichen identische Beanspruchung wie das rotierende Bauteil 30 erfährt. Das Kriechanzeigeelement 110 kann in irgendeiner dieser Weisen durch den Einsatz von bestimmten Materialien, einer Form, einer Größe oder anderer Merkmalen ausgebildet werden. "Kriechen", wie hierin verwendet, zeigt die Tendenz eines festen Materials an, sich unter dem Einfluss von Beanspruchungen und Temperaturen langsam zu bewegen oder plastisch zu verformen. Verschiedene Ausführungsformen des Kriechanzeigeelements 110 werden hierin beschrieben.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Kriechanzeigesystem 100 ferner mindestens eine Messeinrichtung 120 umfassen. Jede Messeinrichtung 120 kann ausgebildet sein, um eine Änderung der radialen Position eines Kriechanzeigeelements 110 zu messen. Zum Beispiel kann bei einigen Ausführungsformen eine erste Messeinrichtung 122 ausgebildet sein, um eine Änderung der radialen Position des ersten Kriechanzeigeelements 112 zu messen, während eine zweite Messeinrichtung 124 ausgebildet sein kann, um eine Änderung der radialen Position des zweiten Kriechanzeigeelements 114 zu messen. Alternativ kann eine einzige Messeinrichtung 120 ausgebildet sein, um Änderungen der radialen Position sowohl des ersten als auch des zweiten Kriechanzeigeelements 112 und 114 zu messen.
3 zeigt das Kriechanzeigeelement 112 und 114 nach einer gewissen Zeitdauer. In 3, wurden die Kriechanzeigeelemente 112 und 114 radial nach außen verformt. Die Messeinrichtungen 122 und 124 sind dazu ausgebildet, radiale Positionen der Kriechanzeigeelemente 112 und 114 zu messen, so dass sie eine Anzeige der Lebenserwartung des rotierenden Bauteils 104 liefern. Zum Beispiel kann eine anfängliche radiale Position 127 von einer radialen Position 129 nach einer gewissen Zeit subtrahiert werden, um eine Veränderung der radialen Position zu bestimmen. Wie hierin beschrieben wird, kann sich eine Messeinrichtung 120 durch eine Öffnung 126 in einem stationären Bauteil 40 erstrecken oder ihr kann anderweitig ermöglicht werden, eine radiale Position eines Kriechanzeigeelements 110 zu messen. Zahlreiche Ausführungsformen der Messeinrichtung 120 werden ebenfalls hierin beschrieben.
Um zu veranschaulichen, wie das System 100 die Lebenserwartung, die Verformung und/oder den bevorstehenden mechanischen Fehler des rotierenden Bauteils 30 anzeigt, zeigt 4 eine graphische Darstellung der Dehnung gegenüber der Zeit. In 4 gibt die gestrichelte Linie die Dehnung über die Zeit in einem Abschnitt des rotierenden Bauteils 30 an, während die durchgezogene Linie die Dehnung über die Zeit des Kriechanzeigeelements 110 anzeigt. Da das Kriechanzeigeelement 110 bei der in 4 gezeigten Ausführung höher belastet ist, z.B. aufgrund seiner Form, kriecht es schneller. Die Verformung des Kriechanzeigeelements 110 radial nach außen, wenn das rotierende Bauteils 30 rotiert, kann mit einer Verformung in dem rotierenden Bauteil 30 korreliert werden, z.B. unter Verwendung herkömmlicher Modellnachbildung. Auf diese Weise liefert das Kriechanzeigeelement 110 eine Anzeige der Verformung und damit der Lebenserwartung des rotierenden Bauteils 30, ohne dass tatsächlich das rotierende Bauteil 30 vermessen werden musste.
Das Kriechanzeigeelement 110 kann eine Mehrzahl von Formen einnehmen. In 2 und 3 ist das Kriechanzeigeelement 110 integral auf dem rotierenden Bauteil 104 ausgebildet. Das heißt, das Kriechanzeigeelement 110 umfasst eine zusätzliche Materialmenge auf einer Oberfläche 130 des rotierenden Bauteils 30, so dass es sich radial über die Oberfläche 130 des rotierenden Bauteils 30 hinaus erstreckt. In 2 und 3 umfasst das Kriechanzeigeelement 110 ein vorkragendes Element 132, das sich zunächst im Wesentlichen parallel zu der zentralen Achse 24 des rotierenden Bauteils 30 erstreckt. Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich das vorkragende Element 132 radial über die Oberfläche 130 des rotierenden Bauteils 30 hinaus. Wenn das rotierende Bauteil 30 eine Zeit lang rotiert, wie durch den gebogenen Pfeil in 2 gezeigt, biegt sich oder lenkt das vorkragende Element 132 von der anfänglichen radialen Position 127 zu einer neuen radialen Position 129 radial nach außen aus, wie in 3 gezeigt. Die freitragende Konstruktion des Kriechanzeigeelements 110 verstärkt die Auslenkung für ein gegebenes Maß an Kriechdehnung, was die Messung erleichtert. Das Kriechanzeigeelement 110 kann in irgendeiner Art und Weise ausgebildet werden, die jetzt bekannt ist oder später entwickelt wird. Zum Beispiel kann es in dem Schmiedestück für das rotierende Bauteil 30 aufgenommen werden, aus einem Schmiedestück zusammen mit der Oberfläche 130 maschinell bearbeitet werden oder mit dem rotierenden Bauteil 30 verschweißt werden entweder in fertiger Form oder mit maschineller Bearbeitung, um es so zu formen, wie anschließend angegeben wird.
Wie in den 5–7 gezeigt, kann bei einer alternativen Ausführungsform ein Kriechanzeigeelement 110 in dem rotierenden Bauteil 30 ausgebildet sein. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Kriechanzeigeelement 110 ein vorkragendes Element 132, das anfänglich im Wesentlichen mit der Oberfläche 130 (5 und 6) des rotierenden Bauteils 30 bündig ist. Das vorkragende Element 132 kann durch maschinelle Bearbeitung einer Öffnung 134 in einem rotierenden Bauteil 30 in irgendeiner derzeit bekannten oder später entwickelten Weise ausgebildet werden. Die Öffnung 134 umfasst eine Hinterschneidung 136, um das vorkragende Element 132 aus zu bilden. Wie in 7 gezeigt, kann bei einer alternativen Ausführungsform das vorkragende Element 132 ein Paar von in Längsrichtung einander gegenüber liegenden vorkragenden Elemente 132 umfassen, z.B. indem die Öffnung 134 ein Paar von Hinterschneidungen 136 umfasst.
8 und 9 zeigen eine andere alternative Ausführungsform, bei der ein Kriechanzeigeelement 110 ein nadelkopfförmiges Element 140 umfasst, das sich von der Oberfläche 130 des rotierenden Bauteils 30 erstreckt. Das nadelkopfförmige Element 140 kann zum Beispiel einen Schaft 142 und optional einen abgeflachten Kopf 144 umfassen. Das Kriechanzeigeelement 110 kann auf dem rotierenden Bauteil 30 auf beliebige Weise vorgesehen werden, wie oben beschrieben ist. Der Schaft 142, wie gezeigt, steht unter einer im Wesentlichen reinen Zugbelastung (statt einer Biegebelastung wie bei anderen Ausführungsformen) und kriecht mit der Zeit. Der abgeflachte Kopf 144 kann zusätzliches Gewicht ergeben, um den zentrifugalen Zug auf den Schaft 142 zu erhöhen.
10 zeigt eine andere alternative Ausführungsform eines Kriechanzeigeelements 110. Bei diesen Ausführungsformen kann das Kriechanzeigeelement 110 eine Dichtung in dem System 10 ersetzen, wie beispielsweise eine J-Dichtung 22. Das Kriechanzeigeelement 110 kann, wie gezeigt, ein vorkragendes Element 132 und/oder einen Schaft 142 und/oder andere geeignete Bauteile umfassen, wie oben erläutert. Das Kriechanzeigeelement 110 kann bei diesen Ausführungsformen mit dem rotierenden Bauteil 30 wie gezeigt, verbunden sein, beispielsweise auf die gleiche Weise, in der eine Dichtung mit dem rotierenden Bauteil 30 verbunden ist. Zum Beispiel kann ein Verbindungselement 146, das das Kriechanzeigeelement 110 in das rotierende Bauteil 30 einpresst, oder ein geeigneter Klebstoff oder ein mechanisches Befestigungsmittel oder eine andere geeignete Verbindungseinrichtung oder Verfahren verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsformen ist jedes Kriechanzeigeelement 110 an nur einem Abschnitt des Umfangs des rotierenden Bauteils 30 vorhanden. In diesen Fällen können mehrere lokale Kriechanzeigeelemente 110, in Umfangsrichtung beabstandet, um das rotierende Bauteils 30 herum angeordnet werden, um eine ordnungsgemäße Auswuchtung des rotierenden Bauteils 30 zu erzielen. Bei alternativen Ausführungsformen kann sich jedoch ein Kriechanzeigeelement 110 über einen gesamten Umfang des rotierenden Bauteils 30 erstrecken. In diesem letzteren Fall liegt keine Unwucht des rotierenden Bauteils 104 vor.
Es sollte verstanden werden, dass die Kriechanzeigeelemente nach der vorliegenden Offenbarung auf neu hergestellte rotierende Bauteile 30 aufgebracht werden können, oder auf bestehende rotierende Bauteile 30 aufgebracht werden können, beispielsweise nachgerüstet werden. Ferner wird betont, dass die hierin beschriebenen Kriechanzeigeelemente 110 zusätzlich oder alternativ eine Mehrzahl von anderen geeigneten Formen umfassen können, die hierin nicht beschrieben sind, die geeignet sind, ihre radiale Position im Verlauf der Zeit zu verändern.
Unter Bezugnahme auf 2 und 3 zusammen mit 11 und 12, kann die Messeinrichtung 120 eine Mehrzahl von Einrichtungen umfassen, die zum Messen oder Erfassen der Veränderung der radialen Position des Kriechanzeigeelements 110 geeignet sind. Bei einigen Ausführungsformen muss das rotierende Bauteil 30 nicht von seiner Position entfernt werden, z.B. innerhalb des stationären Bauteils 40, um die Lebenserwartung, die Verformung usw. des rotierenden Bauteils 30 zu bestimmen. Wie hier erwähnt, kann die Messeinrichtung 120 durch die Öffnung 126 in dem Stator 40 vorgesehen werden. Die Öffnung 126 kann sich von dem Kriechanzeigeelement 110 aus radial nach außen öffnen, wie in 2, 3, 6 und 12 gezeigt. In diesem Fall kann die Messeinrichtung 120 z.B. eine Messuhr oder ein Lasermessgerät umfassen. Alternativ kann sich die Öffnung 126 in einem Winkel zu dem Kriechanzeigeelement 110 öffnen, wie in 11 gezeigt. In diesem Fall kann die Messeinrichtung 120 eine Endoskopöffnung umfassen, die auch zur visuellen Inspektion verwendet werden kann. Bei einigen Ausführungsformen, wie beispielsweise denen, bei denen die Messeinrichtung 120 einen Abstandssensor umfasst, kann es möglich sein, die Messung während der Betriebsrotation des rotierenden Bauteils 30 vor zu nehmen. Ein abnehmender Abstand zwischen dem Kriechanzeigeelement 110 und dem stationären Bauteil 40 würde ein Kriechen anzeigen. In diesen Fällen müsste die Turbine 10 nicht still gesetzt werden.
Die Messung der Veränderung der radialen Position (der neuen radialen Position 129 minus der anfänglichen radialen Position 127) kann in einer Anzahl von Wegen erreicht werden. Das Messen einer Kriechstrecke 150, wie zum Beispiel in 2 und 8 gezeigt, ist ein Ansatz. Ein anderer Ansatz ist, die Änderung der Kriechstrecke 152, wie in 6 gezeigt, zwischen dem Kriechanzeigeelement 210 auf dem rotierenden Bauteil 30 und dem stationären Bauteil 40 zu messen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Abstandsstrecke 152 kontinuierlich gemessen werden, wenn das System 10 in Betrieb ist. Auf diese Weise kann eine Abnahme der Abstandsstrecke über die Zeit mit der Kriechdehnung und damit der Lebenserwartung des rotierenden Bauteils 30 in Bezug gesetzt werden.
Unter Bezugnahme wieder auf 2 und 3, kann das Kriechanzeigesystem 100 auch ein Kriechkorrelationssystem 160 umfassen, das dazu ausgebildet ist, einen Kriechbetrag eines Kriechanzeigeelements 110 oder mindestens eines ersten Kriechanzeigeelements 112 oder eines zweiten Kriechanzeigeelements 114 mit einem Kriechbetrag eines rotierenden Bauteils 30 oder mindestens eines ersten rotierenden Bauteils 32 oder eines zweiten rotierenden Bauteils 34 zu korrelieren. Das Kriechkorrelationssystem 160 kann irgendein beliebiges, jetzt bekanntes oder später entwickeltes, vorhersagendes, computergestütztes Modell verwenden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Kriechkorrelationssystem 160 einen erwarteten Kriechbetrag für ein rotierendes Bauteil 30 mit einem Kriechanzeigeelement 110, basierend zum Beispiel auf erwarteten Materialien, bekannter Größe, bekannter Betriebsumgebung, Temperatur usw. korrelieren.
Unter Bezugnahme nun auf 13, stellt eine durchgezogene Kurve 162 die durchschnittlichen Kriecheigenschaften eines ersten Materials dar. Das Material kann das eines Kriechanzeigeelements 110, beispielsweise des ersten Kriechanzeigeelements 112, und/oder eines rotierenden Bauteils 30, beispielsweise des ersten rotierenden Bauteils 32, sein. Die gestrichelten Kurven 163 und 164 stellen den Bereich von Kriecheigenschaftsunsicherheit dar, die bei diesem Beispiel als +/– zwei Standardabweichungen (± 2 σ) definiert ist. Die Eigenschaften von jedem Kriechanzeigeelement 110 und/oder rotierenden Bauteil 30 des angegebenen Materials liegt irgendwo in dem Kontinuum, das durch den Bereich der Unsicherheit begrenzt ist. Durch Messen, zu bestimmten Zeitpunkten, der Kriechverformung in einem aus dem gleichen Material wie des rotierenden Bauteils 30 ausgebildeten Kriechanzeigeelement 110, das dem rotierenden Bauteil 30 hinzugefügt wurde, kann seine Rate der Verformung bestimmt werden. Mit dieser gemessenen Rate der Verformung des hinzugefügten Kriechanzeigeelements 110 kann das Kriechkorrelationssystem 160 Kriecheigenschaften für das jeweilige rotierende Bauteil 30 ermitteln und eine aufgebrauchte Lebensdauer unter Verwendung irgendeiner derzeit bekannten oder später entwickelten Modellierungstechnik abschätzen.
Noch unter Bezugnahme auf 13, stellt die durchgezogene Kurve 166 die durchschnittlichen Kriecheigenschaften eines zweiten Materials dar. Das Material kann das eines Kriechanzeigeelements 110, beispielsweise des zweiten Kriechanzeigeelement 114, und/oder eines rotierenden Bauteils 30, beispielsweise des zweiten rotierenden Bauteils 34, sein. Die gestrichelten Kurven 167 und 168 stellen den Bereich der Kriecheigenschaftsunsicherheit dar, der bei diesem Beispiel als +/– zwei Standardabweichungen (± 2 σ) definiert ist. Die Eigenschaften von jedem Kriechanzeigeelement 110 und/oder rotierenden Bauteil 30 des angegebenen Materials liegt irgendwo in dem Kontinuum, das durch den Bereich der Unsicherheit begrenzt ist, wie oben erläutert.
Durch Messen des Kriechbetrags von sowohl dem ersten Material als auch dem zweiten Material, können verschiedene gemeinsame Merkmale des ersten Materials und des zweiten Materials, wie beispielsweise die Temperatur der Materialien während des Betriebs, abgeschätzt werden. Zum Beispiel, können nach Messen eines Kriechbetrags zu zwei Zeitpunkten für jedes Material diese Ergebnisse verwendet werden, um die Temperatur durch Bestimmen des Bereichs der Temperatur abzuschätzen, die einen bestimmten Kriechbetrag für einen gegebenen Zeitraum für das erste Material erzeugen würde, während auch ein bestimmter Kriechbetrag für einen gegebenen Zeitraum für das zweite Material erzeugt wird. Die geschätzte Temperatur oder der Bereich von Temperaturen oder eine andere bestimmte gemeinsame Eigenschaft kann dann in das Kriechkorrelationssystem 160 eingegeben werden, was dem Kriechkorrelationssystem 160 erlaubt, einen Kriechbetrag eines rotierenden Bauteils 30 genauer zu korrelieren.
Die vorliegende Offenbarung ist ferner auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Kriechbetrags in einem Turbinensystems 10 gerichtet. Das Verfahren umfasst Messen eines ersten Kriechbetrags eines ersten Kriechanzeigeelements 112 und Messen eines zweiten Kriechbetrags eines zweiten Kriechanzeigeelements 114, wie oben erläutert. Das Verfahren umfasst ferner Schätzen einer Temperatur eines rotierenden Bauteils 30, beispielsweise eines ersten rotierenden Bauteils 32 oder eines zweiten rotierenden Bauteils 34, unter Verwendung des ersten Kriechbetrags und des zweiten Kriechbetrags, wie oben erläutert. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner Korrelieren mindestens des ersten Kriechbetrags oder des zweiten Kriechbetrags mit einem Kriechbetrag des rotierenden Bauteils 30, wie oben erläutert.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung zu offenbaren, einschließlich der besten Art, und auch, um es einem Fachmann zu ermöglich, die Erfindung auszuführen, einschließlich des Herstellens und Verwendens jeglicher Einrichtungen oder Systeme und Durchführen jeglicher darin enthaltener Verfahren. Der Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele umfassen, die Fachleuten erkennen. Derartige andere Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, wenn sie strukturelle Element umfassen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem genauen Wortlaut der Ansprüche umfassen.
Ein Kriechanzeigesystem 100 und ein Verfahren zum Bestimmen eines Kriechbetrags werden offenbart. Das System 100 umfasst ein erstes Kriechanzeigeelement 112 auf einem ersten rotierenden Bauteil 32 und ein zweites Kriechanzeigeelement 114 auf einem zweiten rotierenden Bauteil 34. Das zweite Kriechanzeigeelement 114 weist mindestens eine unterschiedliche Kriecheigenschaft von dem ersten Kriechanzeigeelement 112 auf. Das System umfasst ferner mindestens eine Messeinrichtung 120 die ausgebildet ist, eine Änderung der radialen Position von mindestens dem ersten Kriechanzeigeelement 112 oder dem zweiten Kriechanzeigeelement 114 zu messen. Das Verfahren umfasst Messen eines ersten Kriechbetrags eines ersten Kriechanzeigeelements 112 und Messen eines zweiten Kriechbetrags eines zweiten Kriechanzeigeelements 114. Das Verfahren umfasst ferner das Schätzen einer Temperatur eines rotierenden Bauteils 30 unter Verwendung des ersten Kriechbetrags und des zweiten Kriechbetrags.
Bezugszeichenliste

10: Turbinensystem
12: Düse
14: Schaufel
16: Verkleidung
18: Rotorrad
20: Strömungsweg
22: J-Dichtung
24: Zentrale Achse
30: Rotierendes Bauteil
32: Erstes rotierendes Bauteil
34: Zweites rotierendes Bauteil
40: Stationäres Bauteil
100: Kriechanzeigesystem
110: Kriechanzeigeelement
112: Erstes Kriechanzeigeelement
114: Zweites Kriechanzeigeelement
120: Messeinrichtung
122: Erste Messeinrichtung
124: Zweite Messeinrichtung
126: Öffnung
127: Anfängliche radiale Position
129: Neue radiale Position
130: Oberfläche
132: Freitragendes Element
134: Öffnung
136: Hinterschneidung
140: Nadelkopfförmiges Element
142: Schaft
144: Abgeflachter Kopf
146: Verbindungselement
150: Kriechstrecke
152: Abstandsstrecke
160: Kriechkorrelationssystem
162: Durchgezogene Kurve
163: Gestrichelte Kurve
164: Gestrichelte Kurve
166: Durchgezogene Kurve
167: Gestrichelte Kurve
168: Gestrichelte Kurve

Claims

Kriechanzeigesystem (100), wobei das System (100) aufweist: ein erstes Kriechanzeigeelement (112) auf einem ersten rotierenden Bauteil (32); ein zweites Kriechanzeigeelement (114) auf einem zweiten rotierenden Bauteil (34), wobei das zweite Kriechanzeigeelement (114) mindestens eine von dem ersten Kriechanzeigeelement (112) unterschiedliche Kriecheigenschaft aufweist; und mindestens eine Messeinrichtung (120), die zum Messen einer Änderung der radialen Position von mindestens dem ersten Kriechanzeigeelement (112) oder dem zweiten Kriechanzeigeelement (114) ausgebildet ist.
Kriechanzeigesystem (100) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine unterschiedliche Kriecheigenschaft ein anderes Material ist.
Kriechanzeigesystem (100) nach einem der Ansprüche 1–2, wobei das erste rotierende Bauteil (32) und das zweite rotierende Bauteil (34) die gleichen Bauteile sind.
Kriechanzeigesystem (100) nach einem der Ansprüche 1–3, ferner umfassend eine Mehrzahl von Messeinrichtungen (120), wobei die Mehrzahl von Messeinrichtungen (120) eine erste Messeinrichtung (122), die zum Messen einer Änderung der radialen Position des ersten Kriechanzeigeelements (112) ausgebildet ist, und eine zweite Messeinrichtung (124), die zum Messen einer Änderung der radialen Position des zweiten Kriechanzeigeelements (114) ausgebildet ist, aufweist.
Kriechanzeigesystem (100) nach einem der Ansprüche 1–4, wobei das erste Kriechanzeigeelement (112) integral auf dem ersten rotierenden Bauteil (32) ausgebildet ist und das zweite Kriechanzeigeelement (114) mit dem zweiten rotierenden Bauteil (34) verbunden ist.
Kriechanzeigesystem (100) nach einem der Ansprüche 1–5, wobei das erste Kriechanzeigeelement (112) und das zweite Kriechanzeigeelement (114) jeweils ein vorkagendes Element (132) umfasst, das sich anfänglich im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des entsprechenden ersten rotierenden Bauteils (32) und des zweiten rotierenden Bauteils (34) erstreckt.
Kriechanzeigesystem (100) nach einem der Ansprüche 1–6, ferner umfassend ein Kriechkorrelationssystem (160), das zum Korrelieren eines Kriechbetrags von mindestens dem ersten Kriechanzeigeelement (112) oder dem zweiten Kriechanzeigeelement (114) mit einem Kriechbetrag von mindestens dem ersten rotierenden Bauteil (32) oder dem zweiten rotierenden Bauteil (34) ausgebildet ist.
Kriechanzeigesystem (100) nach einem der Ansprüche 1–7, wobei das erste Kriechanzeigeelement (112) und das zweite Kriechanzeigeelement (114) zur Aufnahme einer höheren Belastung als das entsprechende erste rotierende Bauteil (32) und das zweite rotierende Bauteil (34) ausgebildet ist.
Kriechanzeigesystem (100) nach einem der Ansprüche 1–8, wobei das erste Kriechanzeigeelement (112) und das zweite Kriechanzeigeelement (114) jeweils aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet sind.
Verfahren zum Bestimmen eines Kriechbetrags, wobei das Verfahren umfasst: Messen eines ersten Kriechbetrags eines ersten Kriechanzeigeelements (112); Messen eines zweiten Kriechbetrags eines zweiten Kriechanzeigeelements (114), wobei das zweite Kriechanzeigeelement (114) mindestens eine von dem ersten Kriechanzeigeelement (112) unterschiedliche Kriecheigenschaft aufweist; und Schätzen einer Temperatur eines rotierenden Bauteils (30) unter Verwendung des ersten Kriechbetrags und des zweiten Kriechbetrags.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend Korrelieren mindestens des ersten Kriechbetrags oder des zweiten Kriechbetrags mit einem Kriechbetrag des rotierenden Bauteils (30).
Verfahren nach einem der Ansprüche 10–11, wobei die mindestens eine unterschiedliche Kriecheigenschaft ein anderes Material ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10–12, wobei das erste rotierende Bauteil (32) und das zweite rotierende Bauteil (34) die gleichen Bauteile sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10–13, wobei das erste Kriechanzeigeelement (112) auf einem ersten rotierenden Bauteil (32) ist und das zweite Kriechanzeigeelement (114) auf einem zweiten rotierenden Bauteil (34) ist, und wobei der Schätzschritt Schätzen einer Temperatur von mindestens dem der ersten rotierenden Bauteil (32) oder dem zweiten rotierenden Bauteil (34) umfasst.
Turbinensystem (10), umfassend: ein erstes rotierendes Bauteil (32); ein zweites rotierendes Bauteil (34); ein erstes Kriechanzeigeelement (112) auf dem ersten rotierenden Bauteil (32); ein zweites Kriechanzeigeelement (114) auf dem zweiten rotierenden Bauteil (34), wobei das zweite Kriechanzeigeelement (114) mindestens eine unterschiedliche Kriecheigenschaft von dem ersten Kriechanzeigeelement (112) aufweist; und mindestens eine Messeinrichtung (120), die zum Messen einer Änderung der radialen Position von mindestens dem ersten Kriechanzeigeelement (112) oder dem zweiten Kriechanzeigeelement (114) ausgebildet ist.