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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen einer Rotorscheibe einer stationären Turbine bis zum Versagen der Rotorscheibe, wobei die Ermittlung unter Verwendung von experimentell gewonnenen Risszähigkeitswerten des metallischen Rotorscheibenwerkstoffes erfolgt.
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Rotoren von stationären Gasturbinen sind normalerweise aus mehreren Rotorscheiben zusammengesetzt, die über einen Zuganker miteinander verbunden sind. Bei der Auslegung einer Gasturbine spielt die mechanische Integrität des Rotors beziehungsweise der einzelnen Rotorscheiben eine zentrale Rolle, da der Rotor während des Gasturbinenbetriebs hohen Belastungen ausgesetzt ist. Die maximale Lebensdauer des Rotors bis zum Versagen wird dabei einerseits durch die Betriebsdauer und andererseits durch die Anzahl von Laständerungen begrenzt. Eine Laständerung findet immer dann statt, wenn die Gasturbine neu gestartet oder der Lastzustand während des Gasturbinenbetriebs geändert wird. Die Belastung des Rotors ist beim Neustart der Gasturbine am höchsten, weshalb einfache Änderungen des Lastzustands während des Gasturbinenbetriebs häufig auch unberücksichtigt bleiben bzw. vernachlässigt werden. Typisch ist beispielsweise eine Kombination von 166.000 Betriebsstunden und einer Startzahl von 3.000. Wird einer dieser Grenzwerte überschritten, so müssen die Rotorscheiben in der Regel ausgetauscht werden. Die Betriebsart von Gasturbinen entscheidet darüber, welcher der beiden Grenzwerte zuerst erreicht wird. Wird die Gasturbine zur Abdeckung der Grundlast eingesetzt, also als sogenannter Baseloader betrieben, wird in der Regel zuerst die Betriebsdauergrenze erreicht. Wird die Gasturbine hingegen als sogenannte Peaker-Maschine zum Abdecken von Spitzenlasten betrieben, so wird die maximale Lebens-dauer des Rotors durch die Anzahl der Laständerungen bzw. durch die Startzahl begrenzt.
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Die Gasturbinen vieler Kraftwerke wurden anfangs vornehmlich als Baseloader eingesetzt, weshalb bei der Auslegung und Ermittlung der verbleibenden Lebensdauer von Rotorscheiben bislang in erster Linie die Betriebsdauer im Vordergrund stand. In jüngerer Vergangenheit gewinnt aber immer mehr eine möglichst hohe Anzahl von Laständerungen bzw. eine möglichst hohe Startzahl an Bedeutung, da die Gasturbinen aufgrund des stetig zunehmenden Anteils erneuerbarer Energien zunehmend als Peaker-Maschinen eingesetzt werden.
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Die maximal zulässige Anzahl von Laständerungen/Startzahl hängt wesentlich von der Risszähigkeit des Rotorscheibenwerkstoffes ab. Mit zunehmender Risszähigkeit können höhere Startzahlen erzielt werden. Die Risszähigkeitswerte für einen Rotorscheibenwerkstoff werden experimentell ermittelt. Für die Ermittlung der Rissfähigkeit werden grundsätzlich Werkstoffproben mit scharfen, künstlich angebrachten Anrissen verwendet. Solche Proben haben in der Regel einen rechteckigen Querschnitt, einen durch die ganze Probe hindurchgehenden Riss und werden entweder unter Zug oder unter Biegung belastet. In der aktuellen Beschreibung wird Bezug auf sogenannte C(T)- („Compact Tension“) und M(T) („Middle Tension“)-Proben genommen. Eine C(T)-Probe ist eine Probe mit einem einseitigen Riss und einer Lasteinleitungslinie, die senkrecht zur Rissebene jedoch versetzt zur Rissspitze verläuft. Obwohl diese Probe unter Zug belastet wird, ergibt sich an der Rissspitze, bedingt durch einen vergleichsweise großen Abstand von der Lastlinie zur Rissspitze, vorwiegend Biegebeanspruchung. In Kombination mit einem tiefen Riss führt das zu einer hohen Spannungsmehrachsigkeit (Constraint) an der Rissspitze. Im Unterschied zu einer C(T)-Probe hat eine M(T)-Probe einen Mittenriss mit zwei Rissspitzen. Da die Lastlinie über die Rissmitte verläuft werden die beiden Rissspitzen nahezu gleich und vorwiegend durch Zug beansprucht. Dies führt zu einem geringen Constraint. ASTM E 1820 definiert ein Standard-Prüfverfahren, das unter Verwendung ebenfalls standardisierter Prüfkörper mit hohem Constraint durchgeführt wird. Als Prüfkörper können gemäß der derzeit geltenden Fassung ASTM E 1820-08a bzw. ASTM E 1921, C(T)-Prüfkörper („Compact Tension“) oder andere in der Norm genannte Prüfkörper mit hohem Constraint zum Einsatz kommen. Die unter Durchführung dieses Standard-Prüfverfahrens ermittelten Risszähigkeitswerte werden dann für die Neuauslegung der gesamten Rotorscheibe oder für die Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen einer bestehenden Rotorscheibe bis zum Versagen verwendet. Die Neuauslegung einer Rotorscheibe und die Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen einer bestehenden Rotorscheibe bis zum Versagen unter Verwendung von Risszähigkeitswerten, die standardmäßig unter Durchführung eines ASTM-Standardprüfverfahrens ermittelt wurden, sind grundsätzlich bekannt, weshalb nachfolgend darauf im Detail nicht erneut eingegangen werden soll.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen einer Rotorscheibe bereitzustellen, das bei der Neuauslegung von Rotorscheiben ebenso wie bei Ermittlung der verbleibenden Lebensdauer einer bestehenden Rotorscheibe eingesetzt werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen einer Rotorscheibe bis zum Versagen, wobei die Neuauslegung und/oder Ermittlung unter Verwendung von experimentell gewonnenen Risszähigkeitswerten des metallischen Rotorscheibenwerkstoffes erfolgt, wobei zumindest teilweise Risszähigkeitswerte verwendet werden, die unter Durchführung eines ASTM-Standardprüfverfahrens, insbesondere unter Durchführung des ASTM E 1820 bzw. ASTM E 1921-Standardprüfverfahrens, gewonnen wurden, bei dem M(T)-Prüfkörper eingesetzt wurden.
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Es hat sich gezeigt, dass die Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen einer Rotorscheibe unter Verwendung von Risszähigkeitswerten, die unter Durchführung eines ASTM E 1820 bzw. ASTM E 1921 Standardprüfverfahrens mit beispielsweise C(T)-Prüfkörpern ermittelt wurden, einen sehr konservativen Ansatz darstellt, der großen Optimierungsspielraum bietet. Vor diesem Hintergrund wurde nach einem alternativen Verfahren gesucht, mit dem sich die voraussichtlich verbleibende Anzahl von Laständerungen einer Rotorscheibe realitätsnäher und dennoch konservativ ermitteln lässt. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen unter Verwendung von Risszähigkeitswerten von Rotorscheibenwerkstoffen, die unter Durchführung des Standardprüfverfahrens mit M(T)-Prüfkörpern, die einen geringeren Constraint als beispielsweise C(T)-Prüfkörper aufweisen, ermittelt wurden, eine sehr gute Alternative darstellt. Die Übertragbarkeit der erfindungsgemäß ermittelten Risszähigkeitswerte auf kritische Bereiche der Rotorscheibengeometrie, wie beispielsweise im Bereich der Schaufelbefestigung, der Kühlluftbohrungen, der Nabenbohrung oder dergleichen, konnte im sprödduktilen Bereich beispielsweise mit lokalen Spaltbruchmodellen (Beremin) und im duktilen Bereich mit Gurson-Tvergaard-Needleman-Modellen (duktile Materialschädigung) nachgewiesen werden. Die mit M(T)-Prüfkörpern ermittelten Risszähigkeitswerte sind deutlich höher als beispielsweise die mit C(T)-Prüfkörpern ermittelten Risszähigkeitswerte, was auch zur Ermittlung deutlich höherer Anzahlen von Lastwechseln bzw. Startzahlen führt.
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Bevorzugt werden die unter Durchführung eines ASTM-Standardprüfverfahrens mit M(T)-Prüfkörpern gewonnenen Risszähigkeitswerte zumindest bei der Betrachtung oberflächennaher Bereiche der Rotorscheibe verwendet, insbesondere bei der Betrachtung eines die Oberflächen von Schaufelnuten und/oder Kühlluftbohrungen aufweisenden Oberflächenbereiches und/oder eines die Nabe bildenden Oberflächenbereiches. Gerade diese Oberflächenbereiche sind kritische Bereiche bezogen auf die Erzielung hoher Laständerungs- bzw. Startzahlen.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden für die Betrachtung oberflächenferner Teilbereiche der Rotorscheibe Risszähigkeitswerte verwendet, die unter Durchführung eines ASTM-Standardprüfverfahrens ermittelt wurden, bei dem ein C(T)-Prüfkörper eingesetzt wurde.
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Die Geometrie der zur Ermittlung der Risszähigkeitswerte eingesetzten M(T)-Prüfkörper kann gegenüber der Geometrie des Standard-M(T)-Prüfkörpers modifiziert sein, insbesondere wenn Risszähigkeitswerte von sehr zähen Rotorscheibenwerkstoffen ermittelt werden sollen, wie beispielsweise Risszähigkeitswerte niedriglegierter Stähle wie 26NiCrMoV-Stähle oder dergleichen.
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Die Geometrie der zur Ermittlung der Risszähigkeitswerte eingesetzten M(T)-Prüfkörper ist bevorzugt dahingehend modifiziert, dass die eingesetzten M(T)-Prüfkörper eine konstante Dicke aufweisen, insbesondere eine Dicke von 10mm, und dass die Prüfkörper in einem mittleren Bereich eine minimale Breite und in Endbereichen eine maximale Breite aufweisen, wobei der mittlere Bereich mit den End-bereichen über Übergangsradien definierende Übergangsbereiche verbunden ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
- 1 ein Diagramm, das beispielhaft Risszähigkeitswerte eines Rotorscheibenwerkstoffes zeigt, die unter Durchführung eines ASTM E 1820 bzw. ASTM E 1921-Standardprüfverfahrens einerseits mit C(T)-Prüfkörpern und andererseits mit M(T)-Prüfkörpern ermittelt wurden,
- 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines C(T)-Prüfkörpers;
- 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines Standard-M(T)-Prüfkörpers;
- 4 eine schematische perspektivische Ansicht eines M(T)-Prüfkörpers mit modifizierter Geometrie;
- 5 eine schematische perspektivische Ansicht eines weiteren M(T)-Prüfkörpers mit modifizierter Geometrie und
- 6 eine Vorderansicht einer beispielhaften Rotorscheibe.
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Nachfolgend beziehen sich gleiche Bezugsziffern auf gleiche oder gleichartige Bauteile bzw. Bauteilbereiche.
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1 zeigt ein Diagramm, in dem beispielhaft zwei Kurven 1 und 2 eingezeichnet sind, welche den Verlauf der Risszähigkeit bei quasi-spröder bzw. duktiler Risseinleitung KJC bzw. KJIC [MPa m^1/2] eines Rotorscheibenwerkstoffes in Abhängigkeit von der Temperatur [°C] repräsentieren.
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Die Risszähigkeitswerte der unteren Kurve 1 wurden im Rahmen eines ASTM E 1820 bzw. ASTM E 1921-Standardprüfverfahrens unter Verwendung von C(T)-Prüfkörpern 3 ermittelt. Einen solchen C(T)-Prüfkörper 3 zeigt 2. Dieser weist einen im wesentlichen quaderförmigen Aufbau auf und ist mit einer seitlich eingebrachten, mittig angeordneten Erodierkerbe 4 versehen. Beidseitig der Erodierkerbe 4 sind Durchgangslöcher 5 ausgebildet, die dazu dienen, den C(T)-Prüfkörper 3 in einer nicht näher dargestellten Zugmaschine gemäß ASTM E 1820 einzuspannen. Die Versuchsdurchführung erfolgte wahlweise nach dem Mehrprobenverfahren oder Einproben- bzw. Compliance-Verfahren. Die C(T)-Prüfkörper 3 wurden angeschwungen, um scharfe Anfangsrisse zu erzeugen. In einem weiteren Schritt wurden die C(T)-Prüfkörper 3 einzeln in die Zugmaschine eingespannt und mit unterschiedlich hohen Lasten belastet und danach wieder entlastet, wobei die Belastung zu einer Risserweiterung führte. Anschließend wurden die Proben aufgebrochen, um die entsprechende Risserweiterung zu vermessen. Aus der Kraft-Verschiebungsmessung und der Risslänge wurde dann in bekannter Weise das sogenannte J-Integral bzw. der KJIC-Wert bestimmt.
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Die Risszähigkeitswerte der oberen Kurve 2 wurden im Rahmen des zuvor beschriebenen ASTM E 1820 bzw. ASTM E 1921-Standardprüfverfahrens ermittelt, wobei anstelle von C(T)-Prüfkörpern 3 M(T)-Prüfkörper 6 verwendet wurden. Einen solchen M(T)-Prüfkörper 6, bei dem es sich um einen Standard-M(T)-Prüfkörper handelt, zeigt 3. Dieser weist einen im wesentlichen knochenförmigen Aufbau konstanter Breite B auf, der zwei Endbereichen 7 und einen sich gleichmäßig in Richtung der Dicke D verjüngt ausgebildeten mittleren Bereich 8 umfasst, der über jeweils einen Übergangsradius R definierende Übergangsbereiche 9 mit den Endbereichen 7 verbunden ist. Im mittleren Bereich 8 ist mittig quer zur Längserstreckung des M(T)-Prüfkörpers 6 eine Erodierkerbe 4 vorgesehen. Beidseitig der Erodierkerbe 4 sind in den Endbereichen 7 Durchgangslöcher 5 ausgebildet, die dazu dienen, den M(T)-Prüfkörper 6 in einer Prüfvorrichtung gemäß ASTM E 1820 einzuspannen.
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Der Vergleich beider Kurven 1 und 2 zeigt, dass die unter Verwendung der M(T)-Prüfkörper 6 ermittelten Risszähigkeitswerte deutlich höher ausfallen als die unter Verwendung der C(T)-Prüfkörper 3 ermittelten Risszähigkeitswerte.
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Erfindungsgemäß wurden die unter Verwendung der M(T)-Prüfkörper 6 ermittelten Risszähigkeitswerte dann für einige Teilbereiche der Rotorscheibe zur Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen bis zum Versagen verwendet, und zwar vorliegend für oberflächennahe Teilbereiche der Rotorscheibe, die Oberflächen von Schaufelnuten und/oder Kühlluftbohrungen aufweisen und/oder die Nabe des Rotors bilden, da diese oberflächennahen Teilbereiche kritische Bereiche bezogen auf die Erzielung hoher Laständerungs- bzw. Startzahlen bilden. Einen Ausschnitt einer beispielhaften Rotorscheibe 10 mit Schaufelnuten 11 zeigt 6. Die verbleibende Anzahl von Laständerungen oberflächenferner Rotorscheibenbereiche wurde in gewohnter Weise unter Verwendung derjenigen Risszähigkeitswerte ermittelt, die unter Verwendung von C(T)-Prüfkörpern 3 gewonnen wurden.
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Zur Ermittlung der verbleibenden Anzahl von Laständerungen wurden in bekannter Weise mehrere Schritte durchgeführt. In einem ersten Schritt erfolgte vorliegend eine transiente Simulation der Temperatur- und Spannungszustände einer Rotorscheibe, beispielsweise im Rahmen einer FEM-Analyse. In einem zweiten Schritt wurde dann die Fehlergröße mittels Ultraschallprüfung ermittelt, wobei grundsätzlich auch der Einsatz anderer zerstörungsfreier Prüfverfahren möglich ist. Für den Fall, dass kein Fehler detektiert wurde, wurde ein Fehler gerade unterhalb der Detektionsgrenze unterstellt. In einem dritten Schritt wurde eine vorbestimmte Rissgeometrie modelliert bzw. unterstellt, beispielsweise eine Rissgeometrie mit elliptischer oder gerader Rissfront. Basierend auf der initialen Rissgeometrie und dem Spannungsfeld wurde dann im vierten Schritt die Spannungsintensität KI und ΔKI an der Rissfront berechnet. Im fünften Schritt erfolgte dann die Integration der Differentialgleichung da/dN zur Berechnung der Risslänge a als Funktion der Anzahl der Laständerungen N. Ein Versagen der Rotorscheibe wurde postuliert, wenn KI die Risszähigkeit KIC bzw. KJIC überstieg.
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Im Ergebnis wirkt sich die erfindungsgemäße Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen einer Rotorscheibe einer stationären Turbine bis zum Versagen dahingehend aus, dass sich höhere Startzahlen bzw. höhere Anzahlen verbleibender Laständerungen ergeben, was zu einer Reduzierung der Kosten führt, da der Rotor erst zu einem späteren Zeitpunkt ausgetauscht werden muss, wenn die Gasturbine als Peaker-Maschine betrieben wird.
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Im Rahmen weiterer Versuche wurde ferner festgestellt, dass es sich insbesondere bei zähen Rotorscheibenwerkstoffen anbieten kann, die Geometrie eines in 3 gezeigten M(T)-Prüfkörpers 6 zu modifizieren. 4 zeigt einen modifizierten M(T)-Prüfkörper 6, der gegenüber dem in 3 gezeigten Standard-M(T)-Prüfkörper 6 dahingehend geändert ist, dass dieser eine konstante Dicke D aufweist, vorliegend eine Dicke D von 10mm, und dass sich der mittlere Bereich 8 in Richtung der Breite B verjüngt. Endsprechend weisen die Endbereiche 7 eine maximale Breite Bmax und der mittlere Bereich 8 eine minimale Breite Bmin auf. 5 zeigt einen weiter modifizierten M(T)-Prüfkörper 6, der gegenüber dem in 4 gezeigten Prüfkörper 6 dahingehend geändert ist, dass die Übergangsradien R der Übergangsbereiche 9 verkleinert sind.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Laständerungszahlen bzw. Startzahlen nicht nur dazu verwendet werden können, beispielsweise im Rahmen von Wartungsarbeiten die Restlebensdauer von Rotorscheiben zu bestimmen. Vielmehr können diese auch bei der erstmaligen Auslegung einer Rotorscheibe verwendet werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
