EP1363248A1 - Verfahren zur Statuserkennung eines mechanisch beanspruchten Bauteils, ein Computersystem auf dem das Verfahren läuft, ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und ein Computer-programmprodukt - Google Patents

Verfahren zur Statuserkennung eines mechanisch beanspruchten Bauteils, ein Computersystem auf dem das Verfahren läuft, ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und ein Computer-programmprodukt Download PDF

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EP1363248A1
EP1363248A1 EP02010774A EP02010774A EP1363248A1 EP 1363248 A1 EP1363248 A1 EP 1363248A1 EP 02010774 A EP02010774 A EP 02010774A EP 02010774 A EP02010774 A EP 02010774A EP 1363248 A1 EP1363248 A1 EP 1363248A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
crack
computer
computer program
crack growth
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02010774A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Günther Dr. Walz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to PCT/EP2003/004273 priority patent/WO2003096280A1/de
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G07—CHECKING-DEVICES
    • G07C—TIME OR ATTENDANCE REGISTERS; REGISTERING OR INDICATING THE WORKING OF MACHINES; GENERATING RANDOM NUMBERS; VOTING OR LOTTERY APPARATUS; ARRANGEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS FOR CHECKING NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • G07C3/00—Registering or indicating the condition or the working of machines or other apparatus, other than vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method for status recognition of a mechanically stressed component and a computer system on which the process is running, a computer program with program code means and a computer program product.
  • JP2001153756-A discloses a method of calculation a crack, but not to calculate a crack growth.
  • the object according to the invention is achieved by a method according to claim 1, by using operating parameters, such as tempering parts, in order to be able to calculate the crack growth of existing errors, so that a parameter can be calculated which provides information as to whether the service life is still sufficiently long or soon to be finished.
  • operating parameters such as tempering parts
  • the procedure defines inspection intervals and the quantities to be tested.
  • the method takes into account both internal, i. embedded Errors as well as surface defects. Because inner mistakes up to an outer surface of a component can grow and until then do not lead to failure of the component, but As surface defects continue to grow, this will in the Procedure also taken into account. One speaks of the so-called Folding embedded errors into surface defects.
  • FIG. 1 shows schematically in a longitudinal section a gas turbine 1.
  • a gas turbine 1 is selected for a machine that consists of several components in which defects exist and can grow.
  • a compressor 7, a combustion chamber 10 and a turbine part 13 are arranged one behind the other.
  • the turbine part 13 has a hot gas channel 16.
  • gas turbine blades 20 are arranged in the hot gas duct 16 .
  • Guide vane and blade boundary are provided alternately successive.
  • the gas turbine blades 20 are cooled, for example via a combined air and / or steam cooling.
  • the compressor 7 compressor air removed and fed via an air supply 23 to the gas turbine blades 22.
  • a steam supply 26 the gas turbine blades 20, for example, also supplied steam.
  • FIG. 2 shows in a simplified representation a section of a turbine part 13 in a longitudinal section.
  • the turbine part 13 has a shaft 4 which extends along a rotation axis 41. Furthermore, the turbine part 13 has successively an inflow region 49, a blading region 51 and an outflow region 53 along the rotation axis 41.
  • Rotatable blades 20 'and fixed vanes 20 are disposed in the blading area 51.
  • the rotor blades 20 are fastened to the shaft 4, while the guide vanes 20 are arranged on a guide vane carrier 47 which bypasses the shaft 4.
  • the Beschaufelungs Scheme 51 and the vane support 47 is an annular flow channel for a flow medium A, eg superheated steam formed.
  • the inflow region 49 serving to supply the flow medium A is bounded in the radial direction by an inflow housing 55 arranged upstream of the guide blade carrier 47.
  • An outflow housing 57 is arranged downstream of the guide blade carrier 47 and limits the outflow region 53 in the radial direction, that is to say perpendicular to the axis of rotation 41.
  • the flow medium A flows from the inflow region 49 into the blading region 51, where the flow medium performs work under expansion, and then leaves via the outflow region 53, the gas turbine 1.
  • the flow medium A is then in the outflow housing 57 downstream in 2 not shown capacitor for a steam turbine collected.
  • FIG. 3 shows a perspective view of a blade 20 which extends along a radial axis 60.
  • the blade has along the Rädialachse 60 successively a mounting portion 63, an adjoining paddle platform 66 and an airfoil portion 69 on.
  • a blade root 72 is formed, which serves for fastening the blade 20 to the shaft 4 of a gas turbine 1.
  • the blade root 72 is designed, for example, as a hammer head.
  • Conventional blades 20 are used in all areas 63, 66, 69 used massive metallic materials.
  • the Blade 20 can in this case by a casting process, by a forging process, by a milling process or combinations made of it.
  • the component has multiple already on production immediately after production.
  • FIG. 4 shows a turbine blade 20 which has an internal defect 73, for example a pore, a gas trap (voids) or the like.
  • An internal defect 73 for example a pore, a gas trap (voids) or the like.
  • Surface defects are particularly critical for turbine blades. Due to mechanical stress, an internal crack 76 increases, which can continue to grow up to a surface 82 of the component 20 (FIG. 5). Depending on the size of the inner crack 76, there may already be a failure here.
  • the method also takes into account existing surface defects.
  • the method does not consider plasticizing (creeping area) in the component.
  • FIG. 7 shows a monitor 85 as part of a computer system which detects at least one operating parameter 88, such as temperature T, pressure (expansions) p, number of cycles N and frequency f of various components.
  • the operating parameters 88 are detected via corresponding sensors on the components, for example 4, 7, 10, 13, 16, 20, 23, 26, 47, 55, 57, and forwarded for calculation to a computer (computer).
  • a computer computer
  • the method that calculates the life of the components is present as a computer program product (software) or is loaded from a computer-readable storage medium (floppy disk, CD-ROM, DVD).
  • On the monitor 85 also has a life indicator 91 is present, which indicates the status of the component / components to the operator or the service, ie whether the life of the or the monitored components is still sufficient or if investigations must be made or if the machine are turned off got to.
  • Figure 8 shows schematically the procedure of the method. For example, all components that are subjected to mechanical stress are detected and known errors are included in the lifetime calculation.
  • the operating parameters 88 with which a crack growth calculation is made, change to this crack growth.
  • the parameters are continuously or regularly interrogated and the crack length or life is also calculated. If the service life is still sufficiently long, ie it lasts, for example, until the next regular service, the interrogation of the operating parameters and the calculation of the crack growth are repeated.
  • new errors can be discovered, which are taken into account in the calculation of the life with the inventive method.
  • the crack length of known cracks from the calculation can be adapted to the crack length determined in the service, so that a kind of self-learning effect takes place.
  • the current status of a tear can be called up at any time. For example, the status is set to 0% for the given initial length. It is known or calculable for the location of the crack in the component as long as this crack is allowed to grow without already leading to a component failure. This maximum length would then correspond to 100%, so that the status of the crack lies between 0 and 100%.
  • the interaction of cracks can be taken into account.
  • the dependence of a distance of the crack to a surface in the crack growth can also be taken into account.
  • this is for example the monitor 85 by displaying a parameter of "lifetime sufficient "to” life ended "in the life indicator is set.
  • the method can be run on a computer system, the one central computer, networked computers, screen monitors, other hardware and measuring leads for data acquisition of operating parameters and the like includes.
  • the method can be used in any programming language as Computer program to be written, for example, on the computer system is compiled to produce program code means to perform all the steps of the procedure if that Program running on a computer / computer system.
  • the invention further relates to a computer program product with program code means residing on a computer readable medium (Floppy disks, CD-Rom's) are stored to the procedure perform when the program product on a computer is stored.
  • a computer readable medium Floppy disks, CD-Rom's
  • the stress intensity factor K K ( ⁇ , a) and the calculated value ⁇ K of importance, where ⁇ is the mechanical load and a the Crack length is.
  • the crack growth per cycle da / dN is shown in FIG. From a certain threshold Ak thr crack growth takes place until it comes to complete failure of the component.
  • ⁇ K is the difference between K max - K min .
  • the meaning of these two values is shown in FIG. 10, in which a mechanical load of a component is plotted over the number of cycles N, ie over time.
  • K max is the maximum value for the stress intensity factor K, where K min represents the minimum stress, ie the smallest value for the stress intensity factor.
  • the parameter R is given by K min / K max .
  • the material parameters are determined experimentally from the curve da / dN by these parameters optimally fitting the function to the measured values (interpolation).
  • the value .DELTA.K s results in double logarithmic plot of the curve from FIG. 9 from the intersection of two straight lines.
  • Below a certain value for the stress intensity factor K no crack growth takes place.
  • the values for ⁇ K below the threshold value represent a high-frequency portion of the mechanical load, in which usually no errors grow. In the case of the low-frequency component of the mechanical stress, the threshold value is exceeded and crack growth according to the above-mentioned formula takes place.

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Abstract

Bauteile von mechanisch beanspruchten Maschinen unterliegen mechanischen Spannungen, die zu einem Risswachstum von vorhandenen Fehlern in einem Bauteil führen. Das Risswachstum kann so fortschreiten, dass es zu einem Versagen des Bauteils führt. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, ausgehend von Betriebsparametern, das Risswachstum vorhandener Fehler (73) zu berechnen und einen Parameter zu ermitteln, der anzeigt, ob die Lebensdauer noch ausreichend lang genug ist oder beendet ist. <IMAGE>

Description

Verfahren zur Statuserkennung eines mechanisch beanspruchten Bauteils, ein Computersystem auf dem das Verfahren läuft, ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und ein Computerprogrammprodukt.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Statuserkennung eines mechanisch beanspruchten Bauteils und ein Computersystem auf dem das Verfahren läuft, ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und ein Computerprogrammprodukt.
Mechanisch beanspruchte Bauteile, insbesondere einer Gasturbine, haben eine begrenzte Lebensdauer. Die Lebensdauer wird u.a. bestimmt durch das Wachstum von Fehlern (z.B. Risse). Ein Riss kann so lange wachsen, bis er zum Versagen, d.h. zum Bruch, des Bauteils führt.
Die JP 2001153756-A offenbart ein Verfahren zur Berechnung einer Rissentstehung, aber nicht zur Berechnung eines Risswachstums.
Bisher ist eine zuverlässige Kontrolle von Rissen in den Bauteilen nur durch aufwändige und wiederholte Untersuchungen der Bauteile z.b. mittels Ultraschall möglich. Hierfür müssen die Bauteile ausser Betrieb genommen werden. Ausserdem müssen die Bauteile bspw. aus einer Turbine ausgebaut werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren, ein Computersystem, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt aufzuzeigen, mit dem die Statuserkennung eines Bauteils vereinfacht wird.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäss Anspruch 1 gelöst, indem Betriebsparameter wie z.B. Temperateilen verwendet werden, um das Risswachstum vorhandener Fehler berechnen zu können, so dass ein Parameter berechnet werden kann, der Auskunft darüber gibt, ob die Lebensdauer noch ausreichend lang genug ist oder demnächst beendet ist.
Mit dem Verfahren werden Inspektionsintervalle und zu erprüfende Fehlergrössen festgelegt.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Massnahmen des Verfahrens gemäss Anspruch 1 aufgelistet.
Bauteile weisen vielfach bereits direkt nach der Herstellung oder bei einer folgenden Wärmebehandlung Fehler oder Risse auf, die bekannt sind, indem sie gemessen werden (Ultraschallprüfung, Wirbelstromverfahren) und die bei dem Verfahren berücksichtigt werden.
Es gibt aber auch Fehler, die nicht von Anfang an bereits bekannt sind, da sie beispielsweise zu klein sind oder erst während des Einsatzes durch Korrosion oder Oxidation entstehen, die ebenfalls von dem Verfahren berücksichtigt werden.
Das Verfahren berücksichtigt sowohl innere, d.h. eingebettete Fehler als auch Oberflächenfehler. Da innere Fehler bis zu einer äußeren Oberfläche eines Bauteils wachsen können und bis dahin noch nicht zum Versagen des Bauteils führen, sondern als Oberflächenfehler weiterwachsen, wird dies bei dem Verfahren ebenfalls mit berücksichtigt. Man spricht vom sogenannten Umklappen eingebetteter Fehler in Oberflächenfehler.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und werden erläutert.
Es zeigen
  • Figur 1 eine Turbine mit Bauteilen,
  • Figur 2 in vereinfachter Darstellung einen Längsschnitt einer Turbine,
  • Figur 3 eine Turbinenschaufel als ein Bauteil,
  • Figur 4, 5, 6 schematisch ein Risswachstum in einem Bauteil,
  • Figur 7 eine graphische Darstellung eines Monitorbildes, das die Lebensdauer anzeigt,
  • Figur 8 den Ablauf des Verfahrens in einem Diagramm,
  • Figur 9 zeigt die Risswachstumsgeschwindigkeit über die Schwingungsbreite des Spannungsintensitätsfaktors Δk, und
  • Figur 10 eine typische Belastungskurve eines Bauteils.
    • Figur 1 zeigt schematisch in einem Längsschnitt eine Gasturbine 1.
    Als ein beispielhaftes Bauteil ist eine Gasturbine 1 ausgewählt für eine Maschine, die aus mehreren Bauteilen besteht, in denen Fehler vorhanden sind und wachsen können.
    Entlang einer Welle 4 sind ein Verdichter 7, eine Brennkammer 10 und ein Turbinenteil 13 hintereinander angeordnet.
    Das Turbinenteil 13 weist einen Heißgaskanal 16 auf. Im Heißgaskanal 16 sind Gasturbinenschaufeln 20 angeordnet. Leitschaufel- und Laufschaufelgrenze sind wechselnd aufeinanderfolgend vorgesehen.
    Die Gasturbinenschaufeln 20 werden beispielsweise über eine kombinierte Luft- und/oder Dampfkühlung gekühlt. Dazu wird beispielsweise dem Verdichter 7 Verdichterluft entnommen und über eine Luftzuführung 23 den Gasturbinenschaufeln 22 zugeführt. Über eine Dampfzuführung 26 wird den Gasturbinenschaufeln 20 beispielsweise auch Dampf zugeführt.
    In Figur 2 ist in vereinfachter Darstellung in einem Längsschnitt ein Ausschnitt eines Turbinenteils 13 gezeigt.
    Das Turbinenteil 13 weist eine Welle 4 auf, die sich entlang einer Rotationsachse 41 erstreckt.
    Weiter weist das Turbinenteil 13 entlang der Rotationsachse 41 aufeinanderfolgend einen Einströmbereich 49, ein Beschaufelungsbereich 51 sowie'ein Abströmbereich 53 auf.
    In dem Beschaufelungsbereich 51 sind rotierbare Laufschaufeln 20' und feststehende Leitschaufeln 20 angeordnet. Die Laufschaufeln 20 sind dabei an der Welle 4 befestigt, während die Leitschaufel 20 an einem die Welle 4 umgehenden Leitschaufelträger 47 angeordnet sind.
    Durch die Welle 4, den Beschaufelungsbereich 51 sowie den Leitschaufelträger 47 ist ein ringförmiger Strömungskanal für ein Strömungsmedium A, z.B. Heißdampf, gebildet.
    Der zur Zufuhr des Strömungsmediums A dienende Einströmbereich 49 wird durch ein stromaufwärts des Leitschaufelträgers 47 angeordnetes Einströmgehäuse 55 in radialer Richtung begrenzt.
    Ein Abströmgehäuse 57 ist stromabwärts am Leitschaufelträger 47 angeordnet und begrenzt den Abströmbereich 53 in radialer Richtung, dass heißt senkrecht zur Rotationsachse 41.
    Während des Betriebs der Gasturbine 1 strömt das Strömungsmedium A von dem Einströmbereich 49 in den Beschaufelungsbereich 51, wo das Strömungsmedium unter Expansion Arbeit verrichtet, und verlässt danach über den Abströmbereich 53 die Gasturbine 1. Das Strömungsmedium A wird anschließend in einen dem Abströmgehäuse 57 nachgeschalteten in der Figur 2 nicht näher dargestellten Kondensator für eine Dampfturbine gesammelt.
    Beim Durchströmen des Beschaufelungsbereichs 51 entspannt sich das Strömungsmedium A und verrichtet Arbeit an den Laufschaufeln 20, wodurch diese in Rotation versetzt werden.
    Figur 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 20, die sich entlang einer radialen Achse 60 erstreckt.
    Die Laufschaufel weist entlang der Rädialachse 60 aufeinanderfolgend einen Befestigungsbereich 63, eine daran angrenzende Schaufelplattform 66 sowie ein Schaufelblattbereich 69 auf.
    Im Befestigungsbereich 63 ist ein Schaufelfuß 72 gebildet, der zur Befestigung der Schaufel 20 an der Welle 4 einer Gasturbine 1 dient. Der Schaufelfuß 72 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet.
    Bei herkömmlichen Laufschaufeln 20 werden in allen Bereichen 63, 66, 69 massive metallische Werkstoffe verwendet. Die Laufschaufel 20 kann hierbei durch ein Gussverfahren, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein. Dabei weist das Bauteil vielfach bereits unmittelbar nach der Herstellung Fehler auf.
    Figur 4 zeigt eine Turbinenschaufel 20, die einen inneren Fehler 73, beispielsweise eine Pore, einen Gaseinschluss (Lunker) oder dergleichen aufweist. Oberflächenfehler sind bei Turbinenschaufeln besonders kritisch.
    Aufgrund mechanischer Beanspruchung vergrössert sich ein innerer Riss 76, der bis zu einer Oberfläche 82 des Bauteils 20 weiterwachsen kann (Fig. 5). Je nach Größe des inneren Risses 76 kann hier schon ein Versagen vorliegen.
    Ebenso ist es möglich, dass der innere Riss umklappt, d.h. als Oberflächenriss 79 sich an der Oberfläche 82 weiter ausbreitet (Fig. 6)
    Das Verfahren berücksichtigt auch schon vorhandene Oberflächenfehler.
    Das Verfahren berücksichtigt keine Plastifizierungen (Kriechbereich) im Bauteil.
    Figur 7 zeigt einen Monitor 85 als Teil eines Computersystems, der zumindest einen Betriebsparameter 88, wie Temperatur T, Druck (Dehnungen) p, Zyklenanzahl N und Frequenz f verschiedener Bauteile erfasst.
    Die Betriebsparameter 88 werden über entsprechende Sensoren an den Bauteilen, bspw. 4, 7, 10, 13, 16, 20, 23, 26, 47, 55, 57, erfasst und zur Berechnung an eine Recheneinheit (Computer) weitergeleitet. Auf dieser Recheneinheit ist das Verfahren, das die Lebensdauer der Bauteile berechnet, als Computerprogrammprodukt (Software) vorhanden bzw. wird von einem computerlesbaren Speichermedium (Diskette, CD-ROM, DVD) geladen.
    Auf dem Monitor 85 ist ausserdem eine Lebensdaueranzeige 91 vorhanden, die dem Operateur oder dem Service den Status des Bauteils/Bauteile anzeigt, d.h. ob die Lebensdauer des oder der beobachteten Bauteile noch ausreichend ist oder ob Untersuchungen angestellt werden müssen bzw. ob die Maschine abgeschaltet werden muss.
    Figur 8 zeigt schematisch den Ablauf des Verfahrens.
    Alle Bauteile, die mechanisch beansprucht werden, werden beispielsweise erfasst, und es werden bekannte Fehler bei der Berechnung der Lebensdauer miterfasst. Während des Betriebs verändern sich die Betriebsparameter 88, mit denen eine Berechnung des Risswachstums vorgenommen wird in dieses Risswachstums Die Parameter werden kontinuierlich oder regelmässig abgefragt, und ebenso wird die Risslänge oder Lebensdauer berechnet. Ist die Lebensdauer noch ausreichend lang, d.h. reicht sie beispielsweise bis zum nächsten regelmäßigen Service, so wiederholt sich die Abfrage der Betriebsparameter und die Berechnung des Risswachstums.
    Während des Stillstands oder während des Service der Maschine in der das jeweils beobachtete Bauteil eingebaut bleibt, können neue Fehler entdeckt werden, die bei der Berechnung der Lebensdauer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mitberücksichtigt werden.
    Die Risslänge bekannter Risse aus der Berechnung kann der im Service ermittelten Risslänge angepasst werden, so dass eine Art Selbstlerneffekt stattfindet.
    Der aktuelle Status eines Risses ist jederzeit abrufbar. Für die gegebene Anfangslänge ist der Status z.B. auf 0% gesetzt. Es ist für die Lage des Risses im Bauteil bekannt oder berechenbar, wie lang dieser Riss wachsen darf, ohne bereits zu einem Bauteilversagen zu führen. Diese maximale Länge entspräche dann 100%, so dass der Status des Risses zwischen 0 und 100% liegt.
    Ebenso kann die Wechselwirkung von Rissen untereinander berücksichtigt werden.
    Die Abhängigkeit eines Abstandes des Risses zu einer Oberfläche beim Risswachstums kann ebenfalls berücksichtigt werden.
    Ist die Lebensdauer beendet, so wird dies beispielsweise auf dem Monitor 85 angezeigt, indem ein Parameter von "Lebensdauer ausreichend" auf "Lebensdauer beendet" in der Lebensdaueranzeige gesetzt wird.
    Das Verfahren kann auf einem Computersystem ablaufen, das einen Zentralrechner, vernetzte Rechner, Bildschirmmonitore, sonstige Hardware sowie Messleitungen zu Datenerfassung von Betriebsparametern u.ä. umfasst.
    Das Verfahren kann in jeder beliebigen Programmiersprache als Computerprogramm geschrieben werden, das bspw. auf dem Computersystem kompiliert wird, um Programmcode-Mitteln zu erzeugen, um alle Schritte des Verfahrens durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer/Computersystem ausgeführt wird.
    Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode-Mitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger (Disketten, CD-Rom's) gespeichert sind, um das Verfahren durchzuführen, wenn das Programmprodukt auf einem Computer gespeichert ist.
    Bei der Berechnung des Risswachstums werden z.B. vier Lastkollektive zu Grunde gelegt (siehe auch Herausgeber "British Energy": Assessment of the integrity of structures containing defects, Kapitel 1 und 2 aus R6 Revision 4 (September 2000)):
  • Das erste berücksichtigt eine hochfrequente "high cycle fatigue" Beanspruchung (HCF),
  • das zweite wirkt auf das unterkritische Risswachstum,
  • das dritte und vierte definieren Primär- und Sekundärspannungen für das Versagen.
    • Zwischen Primär- und Sekundärspannungen wird eine Wechselwirkung berücksichtigt. Hierdurch lässt sich etwa der unterschiedliche Einfluss von Eigenspannungen auf das Versagen erfassen.
    Bei der Berechnung der Lebensdauer wird die Risskonfiguration in Abhängigkeit von der Zyklenzahl, insbesondere die Konfiguration beim Versagen sowie zulässige Riss-Konfigurationen für abgestufte Sicherheiten gegen eine vorgegebene Versagensgrenzkurve, gegen die kritische Zyklenzahl, gegen die kritische Fehlergröße und Fehlerfläche analysiert.
    Für das Risswachstum ist unter anderem der Spannungsintensitätsfaktor K = K (σ, a) und der daraus berechnete Wert ΔK von Bedeutung, wobei σ die mechanische Belastung und a die Risslänge ist.
    Das Risswachstum pro Zyklus da/dN ist in Figur 9 gezeigt. Ab einem gewissen Schwellwert Akthr findet ein Risswachstum statt, bis es zum vollständigen Versagen des Bauteils kommt. ΔK ist die Differenz aus Kmax - Kmin. Die Bedeutung dieser zwei Werte ergibt sich aus der Figur 10, in der eine mechanische Belastung eines Bauteils über die Zyklenzahl N, d.h. über die Zeit, aufgetragen ist. Kmax ist der maximale Wert für den Spannungsintensitätsfaktor K, wobei Kmin die minimale Belastung darstellt, also den kleinsten Wert für den Spannungsintensitätsfaktor.
    Der Parameter R ist gegeben durch Kmin / Kmax.
    Die Beschreibung des Risswachstums erfolgt allgemein durch die Formel dadN = F(ΔK, R).
    Wenn der Riss wächst, sinkt die Spannung σ und der Spannungsintensitätsfaktor K kann auch soweit sinken, dass er unter dem Schwellwert bleibt und kein Risswachstum mehr stattfindet.
    Die Kurve in Figur 9 wird formelmäßig erfasst durch
    Figure 00090001
    Figure 00100001
    Werkstoffparameter sind bei dieser Formel ΔKth (R=0), c1, m1, c2, m2. Die Werkstoffparameter werden aus der Kurve da/dN experimentell bestimmt, indem diese Parameter die Funktion optimal an die Messwerten angepassen (Interpolation).
    Der Wert ΔKs ergibt sich bei doppellogarithmischer Auftragung der Kurve aus Figur 9 aus dem Schnittpunkt zweier Geraden. Unterhalb eines bestimmten Werts für den Spannungsintensitätsfaktor K findet kein Risswachstum statt. Man spricht bei ΔKth von einem Schwellwert (Threshold). Wird dieser Schwellwert unterschritten dann findet kein Risswachstum statt.
    Für Belastungen oberhalb des Schwellwertes gelten oben angegebene Formeln. Die Werte für ΔK unterhalb des Schwellwertes stellen einen hochfrequenten Anteil der mechanischen Beanspruchung dar, bei dem in der Regel keine Fehler wachsen.
    Bei dem niederfrequenten Anteil der mechanischen Beanspruchung wird der Schwellwert überschritten und ein Risswachstum gemäß oben genannter Formel findet statt.
    Bezugszeichenliste
    1
    Gasturbine
    4
    Welle
    7
    Verdichter
    10
    Brennkammer
    13
    Turbinenteil
    16
    Heißgaskanal
    20
    Turbinenschaufel
    23
    Luftzuführung
    26
    Dampfzuführung
    41
    Rotationsachse
    47
    Leitschaufelträger
    49
    Einströmbereich
    51
    Beschaufelungsbereich
    53
    Abströmbereich
    55
    Einströmgehäuse
    57
    Abströmgehäuse
    60
    Radialachse
    63
    Befestigungsbereich
    66
    Schaufelblatt
    69
    Schaufelblattbereich
    72
    Schaufelfuß
    73
    innerer Fehler
    76
    innerer Riss
    79
    Oberflächenfehler
    82
    Oberfläche von 20
    85
    Monitor
    88
    Betriebsparameter
    91
    Lebensdaueranzeige

    Claims (11)

    1. Verfahren zur Versagenserkennung eines Bauteils einer Maschine, insbesondere einer Turbine,
      bei dem zumindest ein Betriebsparameter der Maschine erfasst wird,
      der benutzt wird, um ein Risswachstum vorhandener Fehler in dem Bauteil zu berechnen,
         wobei der aktuelle Status des Risses abrufbar ist.
    2. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Bauteil eine Turbinenschaufel, ein Gehäuse oder eine Welle einer Gasturbine ist.
    3. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der zumindest eine Betriebsparameter eine Temperatur (T), ein Druck (p), eine Zyklenanzahl oder eine Frequenz (f) ist.
    4. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      während der Lebensdauer des Bauteils (20) neu entstandene Fehler erkannt werden, für die ein Risswachstum berechnet wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Risswachstum innerer Fehler berechnet wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Risswachstum von Oberflächenfehlern berechnet wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      beim Risswachstum ein Rissverlauf eines inneren Fehlers als Oberflächenfehler weiter berechnet wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      bei Berechnung einer Rissgrösse, die zum baldigen Versagen des Bauteils führt, ein aus der Berechnung resultierender Parameter von "Lebensdauer ausreichend" auf "Lebensdauer beendet" gesetzt wird.
    9. Computersystem,
      das Mittel umfasst, um ein Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche auszuführen.
    10. Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte von jedem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.
    11. Computerprogrammprodukt mit Programmcode-Mitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das Verfahren nach jedem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn das Programmprodukt auf einem Computer gespeichert ist.
    EP02010774A 2002-05-14 2002-05-14 Verfahren zur Statuserkennung eines mechanisch beanspruchten Bauteils, ein Computersystem auf dem das Verfahren läuft, ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und ein Computer-programmprodukt Withdrawn EP1363248A1 (de)

    Priority Applications (2)

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