DE3620355A1

DE3620355A1 - Verfahren zum ermitteln der restlichen nutzbaren lebensdauer von turbinenkomponenten

Info

Publication number: DE3620355A1
Application number: DE19863620355
Authority: DE
Inventors: Robert Ellis Seeley
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1985-06-21
Filing date: 1986-06-18
Publication date: 1987-01-02
Also published as: JPS6285839A; CN86103018A; FR2583875A1; CN1010130B; FR2583875B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln der restlichen nutzbaren Lebensdauer oder der verbrauchten Lebensdauer von Turbinenkomponenten und insbesondere zum Ermitteln der verbleibenden nutzbaren Lebensdauer von Turbinenkomponenten, die im allgemeinen bei relativ hohen Temperaturen arbeiten und somit in einer Umgebung verwendet werden, in der das Kriechen von Materialien, aus denen die Turbinenkomponenten aufgebaut sind, ein Hauptfaktor bei der Ermittlung der verbleibenden nutzbaren Lebensdauer der Komponenten darstellt.

Gegenwärtige Schätzungen der elektrischen Energieerzeugung während der nächsten zwanzig Jahre zeigen eine kritische Abhängigkeit von Dampfkraftwerken und zugehörigen Turbinen mit einer Lebensdauer von über dreißig Jahren. Üblicherweise würden Kraftwerke und zugehörige Turbinen dieses Alters stillgelegt und durch neue Einheiten ersetzt. In der gegenwärtigen Zeit eines verminderten Energiebedarfs und hoher Kosten für neue Konstruktionen stützen sich die Energieerzeuger zunehmend auf Lebensdauerverlängerungsprogramme für diese älteren Anlagen, um ihren erwarteten zukünftigen Leistungslieferungsbedarf zu erfüllen. Praktische und geschäftliche Überlegungen erfordern, daß diese Lebensdauerverlänngerungsprogramme implementiert werden, während herkömmliche Standards von Verfügbarkeit, Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit beibehalten werden. Die Erzielung eines optimalen Gleichgewichtes zwischen investiertem Kapital und erforderlichem Gewinn erfordert eine Würdigung des bestehenden Zustandes und der wahrscheinlichen zukünftigen Leistungsfähigkeit von kritischen Turbinenkomponenten und auch eine realistische Einschätzung der Risiken, die mit verschiedenen möglichen Lebensdauerverlängerungen verbunden sind.

Die Würdigung des gegenwärtigen Zustandes und die Ermittlung der wahrscheinlichen zukünftigen Leistungsfähigkeit von Turbinenkomponenten, insbesondere solcher Komponenten, die in dem Kriechbereich von Materialien arbeiten, aus denen diese Komponenten hergestellt sind, stellen eine Herausforderung dar aufgrund der Komplexität der Turbinenkomponenten, der Vielfalt von Betriebsbedingungen, denen die Komponenten ausgesetzt sind, und der natürlichen Einschränkungen von Schätzverfahren für die gegebene verbleibende Lebensdauer oder die verbrauchte Lebensdauer. Komponenten, die bei hohen Temperaturen arbeiten (d.h. mehr als etwa 480°C), wo eine Zusammenwirkung von Kriechen und thermischer Ermüdung des die Komponenten bildenden Materials von höchster Bedeutung ist, erfordern spezielle Überlegungen, um eine akzeptable Schätzung der restlichen nutzbaren Lebensdauer zu erhalten.

Gegenwärtig werden verschiedene Techniken verwendet zum Abschätzen der restlichen verbleibenden Lebensdauer von Kraftwerkskomponenten. Diese Techniken können in zwei breite Kategorien unterteilt werden: Zerstörende und/oder nicht-zerstörende Untersuchung der tatsächlichen Komponente und analytische Abschätzung durch Verwendung des Materialverhaltens und der betrieblichen Vergangenheit der Komponente.

Es hat sich gezeigt, daß bekannte Techniken, die zerstörende oder nicht-zerstörende Prüfungen verwenden, Einschränkungen unterliegen, wenn sie auf größere Turbinenkomponenten angewendet werden. Es ist häufig schwierig, Material für eine zerstörende Prüfung aus kritischen Bereichen dieser Komponenten zu erhalten und geeigneten Zugang zu vielen kritischen Bereichen der Turbine für eine zerstörungsfreie Prüfung zu gewinnen. Weiterhin können zwar einige bekannte zerstörungsfreie Techniken für Abschätzungen der verbleibenden nutzbaren Lebensdauer einer Komponente sorgen, die einer reinen Kriechbelastung ausgesetzt ist, aber der normale Betrieb von vielen Turbinenkomponenten setzt diese einer kombinierten Kriech- und Ermüdungsbeschädigung aus, wobei die Ermüdung recht signifikant ist bei der Ermittlung der verbrauchten oder abgelaufenen Lebensdauer der Komponente. Das Kriechen, das eine Funktion des Zeitintervalls ist, in dem eine Beanspruchung bzw. Spannung ausgeübt ist, ist eine unelastische oder nicht rückgängig zu machende (d.h. die Komponente kann nicht in ihre ursprüngliche Form und ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren) Deformation eines Materials. Die Ermüdung, die nicht zeitabhängig ist, sondern vom Spannungszyklus abhängt, ist eine Form der plastischen Dehnung, die letztendlich zum Bruch einer Komponente führen kann. Bekannte Techniken waren nicht in der Lage, die Größe der Beschädigung angemessen abzuschätzen, die aufgrund einer Kombination von Kriechen und Ermüdung auftritt. Eine andere Technik, die zwar angewendet wurde, aber nicht zu angemessenen Ergebnissen führt, verwendet die Kriechlückendichte (creep void density) als eine Anzeige für die aufgetretene Kriechdauer. Somit liefern diese bekannten Techniken im allgemeinen keine Ergebnisse mit dem gewünschten Grad an Genauigkeit, auf denen Empfehlungen aufgebaut werden können, um den Entscheidungsprozeß zum Bewerten und Vergleichen möglicher Turbinenverlängerungsstrategien zu unterstützen.

Die analytische Abschätzung der verbrauchten Lebensdauer (die dann von der geschätzten Gesamtlebensdauer abgezogen wird, um die verbleibende nutzbare Lebensdauer zu erhalten) verwendet im allgemeinen schwierige Materialverhaltensdarstellungen, Schadensbewertungsregeln und tatsächliche (oder idealisierte) vergangene und zukünftige Betriebsbedingungen. Die Genauigkeit irgendeiner analytischen Lösung hängt von dem Vermögen des Verfahrens ab, Ungewißheiten zu berücksichtigen, die mit tatsächlichen Betriebskomponenten zusammenhängen.

Beispielsweise basiert das bekannte Verfahren gemäß der US-PS 4 046 002 zum Ermitteln der verbrauchten Rotorlebensdauer auf der Verwendung der Langzeit-Ermüdungsbeschädigung, die vom Spannungszyklus abhängt, und nicht der Kriechbruchbeschädigung, die zeitabhängig ist. Der Spannungsbereich für jeden Zyklus wird mit einer errechneten Spannungsbereichskurve für das Turbomaschinenteil verglichen, um die Größe bzw. Länge der verbrauchten Lebensdauer des Turbomaschinenteils als Folge des Zyklus zu ermitteln. Das Zeitintervall zwischen den örtlichen Spannungsspitzen, die zur Ermittlung eines Spannungszyklus verwendet werden, bleiben unberücksichtigt.

In der US-PS 3 950 985 wird ein Verfahren beschrieben, das auf der Miner-Hypothese der linearen Akkumulation der Beschädigung basiert. Die Miner-Hypothese kann durch die Gleichung (a) ausgedrückt werden: darin ist t(s R) die Zeit bis zum Bruch für eine Spannung σ und eine Temperatur R. Somit sagt die Miner-Hypothese aus, daß ein Bruch auftritt, wenn das Integral auf der linken Seite von Gleichung (a) gleich 1 ist. Gemäß der US-PS 3 950 985 wird der Wert von t (σ, R) der Gleichung (a) aus der Kurve gemäß Fig. 1 ermittelt. Somit ist dies ein auf der Spannung basierendes Verfahren, das die Größe der akkumulierten Kriechdehnung nicht berücksichtigt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum genauen Ermitteln der restlichen nutzbaren Lebensdauer oder der verbrauchten Lebensdauer von Turbinenkomponenten zu ermitteln. Weiterhin soll ein Verfahren geschaffen werden zum genauen Ermitteln der restlichen nutzbaren Lebensdauer oder der verbrauchten Lebensdauer von Turbinenkomponenten, bei dem die Wirkungen von Temperaturspannung, Kriechdehnungs-Akkumulation und Geschwindigkeit der Kriechdehnungs-Akkumulation enthalten sind.

Nahezu jede Turbinenkomponente, die bei einer hohen Temperatur, d.h. mehr als etwa 480°C (900°F), arbeitet, erfährt eine Änderung im Zustand der Spannung aufgrund von Kriechen, selbst wenn die Betriebsbedingungen (beispielsweise Temperatur, ausgeübte Kraft) konstant bleiben. Das bedeutet, daß eine ungleichförmige Spannungsverteilung in einer Komponente ein ungleichförmiges Kriechen zur Folge hat, wobei der die höchste Spannung aufweisende Bereich am meisten kriecht, wodurch eine Neuverteilung der Spannung innerhalb der Komponente hervorgerufen wird. Zusätzlich hat jede Umwandlung von elastischer Dehnung in unelastische Dehnung, was durch Kriechen herbeigeführt werden kann, eine Verkleinerung der Spannung zur Folge. Beispiele enthalten eine Erholung von hohen lokalen Spannungen in Bereichen von Spannungskonzentrationen, beispielsweise Spannungen in einem Gewindefuß eines Bolzens, und Erholung von durch Verschiebung gesteuerter Spannungen, beispielsweise thermische Beanspruchungen und nominelle axiale Spannung in einem Bolzen. Da diese Spannungen sich mit der Zeit ändern, ist es schwierig, die Lebensdauer der Komponente aus üblichen konstanten Lastbruchdaten zu ermitteln, d.h. der Spannung über der Bruchzeit.

Es sind bereits Verfahren angewendet worden zum Berechnen der Akkumulation von Kriechdehnung und auch zum Vergleichen der akkumulierten Dehnung zum Dehnungsvermögen eines Materials, um ein Bruch- bzw. Fehlerkriterium zu ermitteln. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch die Geschwindigkeit der Kriechdehnungs-Akkumulation verwendet, um den Betrag des Schadens zu ermitteln, der einer Komponente zugefügt worden ist, die bei einer vorbestimmten Temperatur und somit bei einer vorbestimmten Kriechdehnungsgeschwindigkeit für ein vorbestimmtes Zeitintervall gearbeitet hat.

Gemäß der Erfindung enthält ein Verfahren zum Ermitteln der verbrauchten Lebensdauer für eine Turbomaschinenkomponente das Ermitteln einer Kriechdehnungs-Zeitkurve für den Betrieb der Turbomaschinenkomponente, das Ermitteln einer entsprechenden Geschwindigkeit der Änderung in der Kriechdehnung für ein vorbestimmtes Zeitintervall, das Ermitteln einer entsprechenden Bruchzeit für die Änderungsgechwindigkeit der Dehnung und das Teilen des vorbestimmten Zeitintervalls durch die Bruchzeit, um einen Schadenswert zu generieren, der ein Maß bzw. eine Anzeige für den Anteil der gesamten verbrauchten Lebensdauer im Betrieb während des vorbestimmten Zeitintervalls ist. Die Änderungsgeschwindigkeit und die Zeit bis zum Bruch aus mehreren vorbestimmten Zeitintervallen können verwendet werden, um eine entsprechende Anzahl von Schadenswerten zu generieren, die dann akkumuliert werden können, um den Gesamtschaden der Komponente während des Betriebs zu ermitteln.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 - ist eine Kurve einer typischen Kriechkurve bei konstanter Last, die aus gemessenen Daten (ausgezogene Linie) für eine Testprobe entwickelt und extrapoliert ist (gestrichelte Linie) für eine Turbinenkomponente bei einer vorbestimmten Temperatur.

Fig. 2 - ist eine Kurve für eine Reihe von Kriechkurven bei konstanter Last, die aus Meßdaten (ausgezogene Linien) für eine Testprobe und extrapoliert sind (gestrichelte Linien) für eine Turbinenkomponente für mehrere ausgeübte, vorbestimmte Lastbedingungen bei einer vorbestimmten Temperatur.

Fig. 3 - ist eine Kurve der mittleren Kriechgeschwindigkeit bis zum Bruch über der Zeit bis zum Bruch von einer Testprobe über einen vorbestimmten Temperaturbereich.

Fig. 4 - ist eine Kurve einer berechneten Kriechkurve für eine Turbinenkomponente und stellt einen Teil von einem iterativen Prozeß gemäß der Erfindung dar.

Fig. 5 - ist eine perspektivische Darstellung von einem Abschnitt eines üblichen Turbinenrad-Schwalbenschwanzes mit tangentialem Eintritt.

Fig. 6A und 6B - sind Kurven der nominalen und konzentrierten Spannung bzw. Kriechdehnung für den in Fig. 5 gezeigten Turbinenrad- Schwalbenschwanz gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine typische Kurve der Kriechdehnung über der Zeit für eine Testprobe unter konstanter Last gezeigt. Die ausgezogene Kurve stellt Messungen der Kriechdehnung in der Testprobe über drei Kriechstufen dar, d.h. das primäre, sekundäre und das tertiäre Kriechen, und sie endet zur Zeit des Fehlers t _r, d.h. dem Bruch, und der Verlängerung beim Bruch ε _L. Gemäß der Erfindung wird die ausgezogene Kurve in den primären und sekundären Kriechbereichen gut angenähert durch die Gleichung (1). darin ist ε = Kriechdehnung,
σ = Spannung und
A,B,C, und F sind Materialkonstanten, die auf einfache Weise aus einer Reihe von Daten abgeleitet werden können, wie sie beispielsweise durch die Kurven in Fig. 2 dargestellt sind.

Die Gleichung (1) setzt sich aus zwei Teilen zusammen. Der erste Teil, Ae ^{B σ}, ist eine Darstellung der sekundären Kriechgeschwindigkeit, und der zweite Teil, (1+C ε ^F), ist ein Anpassungsglied, das in vorbestimmter Weise gewählt ist, um ein Modell für die Kriechgeschwindigkeit während des primären Kriechens darzustellen. Es sind keine Versuche unternommen worden, um ein Modell für das tertiäre Kriechen auszubilden, das charakteristisch für kleine Laborproben ist, die eine Einschnürung ausbilden, d.h. eine Querschnittsverminderung, wodurch eine erhöhte Kriechgeschwindigkeit hervorgerufen wird. Es wird angenommen, daß eine Fortsetzung und Extrapolation des sekundären Kriechens, wie es durch die gestrichelte Linie in Fig. 1 dargestellt ist, die Akkumulation der Kriechdehnung für tatsächliche Turbinenkomponenten besser darstellt, da die Komponenten im allgemeinen nicht in den tertiären Kriechbereich eintreten, und selbst wenn sie in diesen Bereich eintreten, ist es im allgemeinen nur für einen kleinen Bruchteil der gesamten Lebensdauer der Komponente. In Übereinstimmung mit diesem Modell wird das Kriechvermögen ε _r als die Kriechdehnung definiert, die durch Extrapolieren des sekundären Kriechens bis zur Bruchzeit t _r erhalten wird, die aus einer Testprobe ermittelt werden kann.

In Fig. 2 sind die Ergebnisse von mehreren Bruchversuchen bei konstanter Last (d.h. konstante ausgeübte Kraft) für Versuchsproben bei einer vorbestimmten Temperatur gezeigt. Die Kurven σ ₁, σ ₂, s ₃ und σ ₄ stellen die Ergebnisse für entsprechende vorbestimmte konstante Lasten abnehmender Größe dar. Es sei darauf hingewiesen, daß das entsprechende Dehnungsvermögen e _r1, ε _r2, ε _r3 und ε _r4 mit einem entsprechenden Anwachsen in entsprechenden Bruchzeiten t _r1, t _r2, t _r3 und t _r4 abnimmt. Es wurde ferner beobachtet, daß Proben, die Kriechdehnung bei höheren Dehnungsgeschwindigkeiten akkumulieren, beispielsweise σ ₁, in kürzeren Zeiten t _rn versagen, aber bei einem höheren Dehnungsvermögen ε _rn, wobei n eine ganze Zahl ist. Dies verdeutlicht, daß nicht nur die absolute Größe der Dehnungsakkumulation, sondern auch die Geschwindigkeit, mit der sie akkumuliert, wichtig ist für ein auf der Dehnung basierendes Schadenskriterium. Eine Materialeigenschaft, die diese Konzepte verwendet, ist die mittlere Kriechgeschwindigkeit bis zum Bruch e _avg, die wie folgt definiert ist:

Es wird angenommen, daß diese Prinzipien und die Beobachtung auf vorteilhafte Weise direkt auf Turbinenkomponenten angewendet werden können, die in dem Kriechbereich des Materials arbeiten, aus dem die Komponente aufgebaut ist, um eine genauere Anzeige der verbrauchten Komponentenlebensdauer oder der verbleibenden nutzbaren Lebensdauer zu erhalten, als dies unter Verwendung bekannter Techniken möglich gewesen ist.

Fig. 3 zeigt eine Kurve im doppelt-logarithmischen (log- log) Maßstab der mittleren Kriechgeschwindigkeit bis zum Bruch _avg über der Zeit bis zum Bruch t _r für eine Probe, die ein typisches Material enthält, das in dem Hochtemperaturbereich von Turbinen verwendet wird. Die Daten zum Erstellen der Kurve wurden aus Bruchversuchen erhalten, die bei verschiedenen vorbestimmten Temperaturen innerhalb des erwarteten Hochtemperatur-Betriebsbereiches einer Turbinenkomponente, d.h. von etwa 480 bis etwa 600°C (etwa 900 bis etwa 1100°F) und über einem Bereich von Spannungswerten ausgeführt wurden, die bewirkten, daß ein Fehler bzw. ein Bruch von relativ kurzen Zeiten bis relativ langen Zeiten, d.h. etwa 90 Stunden bis etwa 60 000 Stunden, auftrat. Es wurden mehrere wichtige Beobachtungen aus den Daten gewonnen, die zum Erstellen der Kurve gemäß Fig. 3 verwendet wurden. Das Streuungsband für die Daten war relativ schmal (d.h. gut innerhalb zwei Standard-Abweichungen) über einem großen Bereich von Zeiten bis zum Bruch, d.h. von etwa 90 Stunden bis etwa 60 000 Stunden, und es gab keine sichtbare Temperaturabhängigkeit, wenigstens über dem Temperaturbereich, der zum Testen verwendet wurde. Durch das Eliminieren der Temperaturabhängikeit aus der Betrachtung werden viele analytische Komplikationen vermieden. Die Kurve in Fig. 3 zeigt auch das Phänomen, daß die Duktilität, d.h. das Vermögen eines Gegenstandes zur Deformation ohne Bruch, oder das Dehnungsvermögen mit der Zeit abnimmt, und somit könnte erwartet werden, daß auf relativ lange Servicezeiten, d.h. mehr als 100 000 Stunden, extrapoliert werden könnten. Da die Daten eine lineare Beziehung zwischen log(_avg) und log(t _r) angeben, kann auf einfache Weise ein mathematischer Ausdruck abgeleitet werden. Die Bruchzeit t _r steht in Beziehung zur mittleren Bruchkriechgeschwindigkeit _avg durch: wobei P und Q Koeffizienten sind, die die Kurve in Fig. 3 definieren. Statistische Streuungsbänder zum Anzeigen der Grenzen erwarteter Daten für einen vorbestimmten Sicherheitswert können ebenfalls auf einfache Weise ermittelt werden, wenn dies erforderlich ist.

Diese Korrelation zwischen der Bruchzeit t_r und der mittleren Bruchkriechgeschwindigkeit _avg kann in Verbindung mit Verfahren zum Berechnen der Kriechdehnung ε _n verwendet werden, um die verbrauchte Lebensdauer von Turbinenkomponenten gemäß der Erfindung zu ermitteln, wobei erwartet wird, daß die Turbinenkomponenten, die in dem Kriechbereich von Materialien, aus denen die Komponenten aufgebaut sind, arbeiten, sich analog zu den Testproben verhalten, die zum Erhalten der Daten zum Erstellen der Kurve gemäß Fig. 3 verwendet wurden.

In Fig. 4 ist eine Kurve der berechneten Kriechdehnung ε _n über der Zeit für eine typische Turbinenkomponente unter Verwendung von Gleichung (1) gezeigt. Weiterhin sind eine repräsentative Anzahl von Zeitintervallen Δ t ₁, Δ t ₂, Δ t ₃ und Δ t ₄ mit entsprechenden Dehnungsgeschwindigkeiten ₁, ₂, ₃ und ε ₄ gezeigt, die den Zeiten zugeordnet sind. Für ein Interval Δ t ₁ kann die Zeit bis zum Bruch t _r1 ermittelt werden, indem _avg durch ₁ in der Gleichung (3a) oder (3b) ersetzt wird. Somit ist die Bruchzeit t _r1 = P ₁ ^Q. Der Bruchteil der verbrauchten Lebensdauer bis zum Bruch oder der Bruchschaden Δ D ₁ während des Intervalls Δ t ₁ kann ermittelt werden aus:
a wobei D _n = Dehnungsgeschwindigkeitsschaden für Intervall n, wobei n eine ganze Zahl ist,
Δ t = Betriebszeit bei einer vorbestimmten Dehnungsgeschwindigkeit und
t _rn = Zeit bis zum Bruch für die vorbestimmte Dehnungsgeschwindigkeit des Intervalls n.

Für jedes der verbleibenden Zeitintervalle sind die angegebenen Dehnungsgeschwindigkeiten ₂, ₃ und ₄ unterschiedlich, was unterschiedliche Bruchzeiten t _r2, t _r3 und t _r4 und unterschiedliche Schadensinkremente Δ D ₂, Δ D ₃ und Δ D ₄ zur Folge hat. Der Gesamtschaden bis oder die verbrauchte Lebensdauer von einer Komponente, nachdem sie über n-Intervalle gearbeitet hat, wobei ein neues Intervall vorzugsweise begonnen wird (und das vorherige Intervall beendet wird), so daß die Dehnungsgeschwindigkeit _n wenigstens stückweise die Kurve gemäß Fig. 4 linear approximiert, ist die Summe des inkrementellen Schadens Δ D _n für jedes Intervall. Dies kann durch die Gleichung (5) dargestellt werden:
a

darin ist D _T = gesamter kumulativer Schaden und
n = Anzahl der Intervalle.

Der gesamte kumulative Schaden D _T oder die verbrauchte Lebensdauer der Komponente kann in einer Summiereinrichtung, wie beispielsweise einem Mikroprozessor, akkumuliert werden. Die Zeitintervalle Δ t _n können beliebig klein sein innerhalb der Rechengrenzen des Systems.

In Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht von einem Teil eines typischen Turbinenrad-Schwalbenschwanzes 20 mit tangentialem Eintritt gezeigt. Der Schwalbenschwanz 20 kann beispielsweise durch einen eingreifenden Schrumpfsitz und/oder eine geeignete Nut- und Federverbindung fest an einer umlaufenden Welle 10 befestigt sein, die eine Drehachse 15 aufweist. Alternativ kann der Schwalbenschwanz 20 einstückig mit der Welle 10 gefertigt werden. Der Schwalbenschwanz 20 weist mehrere axial verlaufende (in bezug auf die Welle 10) Rippen 22, 23 und 24 auf, die durch Einschnitte 15, 16 und 17 in den axialen Seitenwänden des Schwalbenschwanzes 20 ausgebildet sind. Übereinstimmende Abschnitte der Rippen 22, 23 und 24 sind über einer vorbestimmten Umfangsstrecke entspannt, um eine Füllnut 25 zur Aufnahme von schwalbenschwanzförmigen Schaufelfüßen (nicht gezeigt) mit einer komplementären Konfiguration zu bilden für einen festen Eingriff zwischen den Rippen 22, 23 und 24 und den Ausschnitten 15, 16 und 17 und mit stromlinienförmigen Schaufelabschnitten (nicht gezeigt), die an dem radial äußeren Abschnitt von entsprechenden Schwalbenschwanzfüßen der Schaufeln befestigt sind. Die schwalbenschwanzförmigen Füße und die zugehörigen stromlinienförmigen Abschnitte sind in Umfangsrichtung um die Welle 10 herum angeordnet. Eine derartige Anordnung mit leicht unterschiedlich geformten Schwalbenschwanzfüßen ist in der US- PS 1 415 266 beschrieben.

Die ausgeübte Kraft und die daraus resultierende Spannung auf den Radschwalbenschwanz 20 ist primär eine Funktion der Masse der schwalbenschwanzförmigen Schaufelfüße und der zugehörigen Komponenten (nicht gezeigt), die radial außen von dem Radschwalbenschwanz 20 befestigt sind, der Drehzahl der Welle 10 und der Betriebstemperatur des Radschwalbenschwanzes 20. Die Masse, die Temperatur und die Drehgeschwindigkeit (Winkelgeschwindigkeit) können durch geeignete Mittel ermittelt werden. Beispielsweise können in einer Turbine, die zum Antrieb eines elektrischen Generators verwendet wird, Stationsüberwachungseinrichtungen verwendet werden, um die Winkelgeschwindigkeit zu liefern, die Temperatur kann durch eine Einrichtung überwacht werden, die in der US-PS 4 046 002 beschrieben ist, und die Masse kann aus Turbinen-Entwicklungsdaten erhalten werden. Obwohl die Masse und die Winkelgeschwindigkeit eine richtige Auswahl einer Kurve aus einer Kurvenschar gemäß Fig. 2 ermöglichen sollten und die Temperatur bstimmt, welche Kurvenschar zu verwenden ist, kann es möglich sein, die Berechnungen zu vereinfachen. Viele Turbinen, wie beispielsweise Gebrauchsturbinen zum Antrieb elektrischer Generatoren, arbeiten mit einer im wesentlichen konstanten Winkelgeschwindigkeit, beispielsweise 3600 U/min (USA) oder 3000 U/min (Europa), und einer im wesentlichen konstanten Gaseingangstemperatur. Außerdem scheint, wie bereits anhand von Fig. 3 gezeigt wurde, keine Temperaturabhängigkeit in der mittleren Bruchkriechgeschwindigkeit über der Bruchzeit zu bestehen für einen Temperaturbereich von etwa 480 bis etwa 600°C (etwa 900°F bis etwa 1100°F). Viele Dampfturbinen haben eine Eingangstemperatur in diesem Bereich. Somit ist es als eine gute Näherung lediglich notwendig, die Zeit zu wissen, während der eine Turbine mit einer Gaseingangstemperatur in dem Bereich von 480 bis 600°C gearbeitet hat. Das Temperatorprofil oder der Temperaturgradient innerhalb der Turbine kann durch Messung, wie es vorstehend bereits erläutert wurde, aus Gestaltungskriterien oder aus der betrieblichen Erfahrung ermittelt werden, ohne daß übermäßig viel Versuche erforderlich sind. In den Fig. 6A und 6B sind Kurven der nominellen Spannung bzw. der Kriechdehnung für den Schwalbenschwanz 20 gemäß Fig. 5 gezeigt. Die nominelle Spannung σ(NOM) oder die Kriechdehnung ε(NOM) ist die durchschnittliche Spannung oder Kriechdehnung über dem breitesten Abstand oder der Basis 21 des Schwalbenschwanzes 20. Die konzentrierte Spannung σ(CONC) oder Kriechdehnung ε(CONC) ist die höchste Spannung oder Kriechdehnung im Schwalbenschwanz 20, die üblicherweise im Bereich der Ausschnitte 15, 16 und 17 auftritt. Die Relation zwischen der nominellen und konzentrierten Spannung ist vorwiegend eine Funktion der Geometrie des Schwalbenschwanzes 20 und kann aus einer Zusammenfassung von Spannungskonzentrationsfaktoren (Stress Concentration Factors) - R.E. Peterson, John Wiley & Sons, Inc. (1974) und der Stowell'schen Gleichung erhalten werden: darin ist: K _σ = unelastischer Spannungskonzentrationsfaktor,
K _T = elastischer Spannungskonzentrationsfaktor,
S = Sekantenmodul für konzentrierte Spannung,
S _n = Sekantenmodul für nominelle Spannung.

K _σ ist auch definiert als der Quotient der konzentrierten Spannung und der nominellen Spannung. Die Kurve für die konzentrierte Kriechdehnung gemäß Fig. 6B kann analog zur Kurve gemäß Fig. 4 verwendet werden.

Somit enthält ein erfindungsgemäßen Verfahren zum Berechnen des Kriechbruchschadens für eine Turbinenkomponente das Ermitteln der Geschwindigkeit der Kriechdehnungs-Akkumulation in der Komponente immer dann, wenn die Komponente bei einer hohen Temperatur, d.h. höher als etwa 480°C, für eine vorbestimmte Zeitperiode beansprucht wird. Der Dehnungsgeschwindigkeitsschaden D kann aus Gleichung (6) ermittelt werden: darin ist D _T der akkumulierte Dehnungsgeschwindigkeitsschaden der Komponente, Δ t _n ist die Betriebszeit der Komponente bei einer vorbestimmten Kriechdehnungsgeschwindigkeit _n und t _rn ist die Zeit bis zum Bruch einer Turbinenkomponente bei der vorbestimmten Kriechdehnungsgeschwindigkeit. Da der akkumulierte Dehnungsgeschwindigkeitsschaden D _T den kumulativen Bruchteil der verbrauchten Lebensdauer der Turbinenkomponente darstellt, wird der Bruch der Komponente für die Zeit vorhergesagt, wenn D _T gleich eins ist, und deshalb ist die verbleibende nutzbare Lebenssdauer der Turbinenkomponente gleich der Gesamtzeit (d.h. vom Betriebsbeginn der Komponente), die D _T benötigt, um gleich eins minus der tatsächlichen Gesamtbetriebszeit der Komponente zu werden. Beispielsweise kann zu jedem Zeitpunkt die Zeit, zu der D _T gleich eins sein wird, ermittelt werden durch die Annahme, daß die früheren Betriebsbedingungen für die Komponente als im wesentlichen die gleichen in der Zukunft fortbestehen werden.

Die Gleichung (6) kann für jeden Lastzustand oder jede Betriebssituation angewendet werden, für die das Dehnungskriechspannungsverhalten abgeschätzt werden kann oder bestimmbar oder definierbar ist. Sie ist besonders brauchbar für Fälle, in denen die Spannung nicht konstant bleibt, da es im allgemeinen die Änderung in der betrieblichen Spannung über der Zeit ist, die das Verfahren ungültig macht oder unzulässige Fehler hervorruft, wenn bekannte Techniken verwendet werden, um die verbrauchte Lebensdauer einer Komponente oder die restliche nutzbare Lebensdauer der Komponente vorherzusagen. Wenn beispielsweise eine konzentrierte Spannung, die anfangs größer als eine nominelle Spannung ist, vorhanden ist, neigt die konzentrierte Spannung zu einer Entspannung oder Spannungsverminderung aufgrund des Kriechmechanismus, und somit ändert sich die Spannung, ohne daß sich die Betriebsbedingungen notwendigerweise ändern.

Somit wurde vorstehend ein Verfahren beschrieben zum genauen Ermitteln der verbleibenden nutzbaren Lebensdauer oder der verbrauchten Lebensdauer von Turbinenkomponenten, wobei die Komponenten der Wirkung eines Kriechschadens ausgesetzt sind, wobei die Wirkungen der Kriechgeschwindigkeits- Akkumulation berücksichtigt sind.

Claims

1. Verfahren zum Ermitteln der verbrauchten Lebensdauer für eine Turbomaschinenkomponente, gekennzeichnet durch:
Ermitteln der Kurve der Kriechdehnung über der Zeit für die Turbomaschinenkomponente,
Ermitteln einer entsprechenden Geschwindigkeitsänderung in der Kriechdehnung für ein erstes vorbestimmtes Zeitintervall,
Ermitteln einer entsprechenden Zeit bis zum Bruch für die Geschwindigkeitsänderung in der Kriechdehnung und
Dividieren des vorbestimmten Zeitintervalls durch die Zeit bis zum Bruch, um einen Schadenswert zu erzeugen, der ein Maß für den Teil der verbrauchten Lebensdauer der Komponente im Betrieb während des vorbestimmten Zeitintervalls ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Ermittelns einer entsprechenden Geschwindigkeitsänderung in der Kriechdehnung, des Ermittelns einer entsprechenden Zeit bis zum Bruch und des Dividierens wiederholt werden für mehrere vorbestimmte Zeitintervalle und daß ferner der Schadenswert für jedes der mehreren Zeitintervalle akkumuliert wird zur Ermittlung des Teils der verbrauchten Lebensdauer der Komponente im Betrieb während der mehreren vorbestimmten Zeitintervalle.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ermitteln der Kurve der Kriechdehnung über der Zeit eine Kurve der konzentrierten Kriechdehnung über der Zeit immer dann ermittelt wird, wenn die Komponente den nominellen und konzentrierten Kriechdehnungen ausgesetzt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, daduch gekennzeichnet, daß beim Ermitteln einer entsprechenden Zeit bis zum Bruch die Kurve der Kriechdehnung über der Zeit von dem Abschnitt des sekundären Kriechens über den Abschnitt des tertiären Kriechens extrapoliert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ermitteln der Kurve der Kriechdehnung über der Zeit die Betriebstemperatur der Komponente ermittelt wird und eine Kurve der Kriechdehnung über der Zeit gewählt wird, die der ermittelten Betriebstemperatur entspricht.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ermitteln einer entsprechenden Zeit bis zum Bruch die Betriebszeit der Komponente bei nominellen Auslegungsbetriebsbedingungen ermittelt wird, wobei die Gesamtzahl der mehreren vorbestimmten Zeitintervalle gleich der Betriebszeit der Komponente bei nominellen Auslegungsbetriebsbedingungen ist.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Zeitintervalle jeweils so ausgewählt werden, daß sie genügend klein sind, so daß jede entsprechende Geschwindigkeitsänderung in der Kriechdehnung die Kurve der Kriechdehnung über der Zeit für das entsprechende Zeitintervall linear approximiert.