MX2007012596A

MX2007012596A - Sistema y metodo para determinar la vida residual de una turbomaquinaria centrifuga.

Info

Publication number: MX2007012596A
Application number: MX2007012596A
Authority: MX
Inventors: William J Mabe; Harold H Mays
Original assignee: Sundyne Corp
Priority date: 2005-04-12
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2008-03-11
Also published as: WO2006110692A1; CA2603603C; CN101218401A; AU2006235368B2; US20060228214A1; JP5396079B2; RU2007141589A; AU2006235368A1; RU2441986C2; KR20070110553A; JP2012002231A; US7448853B2; JP5587270B2; CA2603603A1; EP1875079A1; KR100952789B1; JP2008537048A

Abstract

Una turbomaquina centrifuga incluye un impulsor y un sensor de velocidad dispuesto para detectar una velocidad asociada con una velocidad del impulsor. Un sensor de temperatura se dispone para detectar una temperatura asociada con una temperatura de salida del impulsor. Un sistema de controles tienen parametros de impulsor, los cuales incluyen la velocidad del impulsor y la temperatura de salida. Una metodologia de calculo se utiliza para manipular matematicamente los parametros del impulsor para determinar una vida residual del impulsor. Una respuesta de programa, tal como una senal de advertencia, se acciona mediante el sistema de control en respuesta a que la vida residual alcanza un limite. El sistema de controles monitorea la velocidad y la temperatura del impulsor. El sistema de controles calcula a intervalos la vida residual basandose en la velocidad y la temperatura. En un ejemplo, se calcula un cambio en la vida residual en respuesta a un cambio de velocidad que da como resultado una tension del impulsor que excede de una fuerza a la resistencia para el impulsor.

Description

SISTEMA Y MÉTODO PARA DETERMINAR LA VIDA RESIDUAL DE UNA TURBQMAQUINARIA CENTRÍFUGA DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un sistema y método para determinar la vida residual de un impulsor de turbomaquinaria centrífuga. Una turbomáquina centrífuga puede incluir uno o más impulsores de bomba, turbina o compresor. Una turbomaquinaria centrífuga típicamente opera a altas revoluciones del eje para el mejor desempeño aerodinámico. -j¿n la velocidad de diseño las tensiones más altas se aproximan a la resistencia de rendimiento de los materiales típicamente utilizados en esta aplicación, tal como aleaciones de aluminio. Por lo general, esto se puede aceptar si la tensión de operación es constante, por ejemplo, velocidad fija. Se puede esperar que el quipo de turbomaquinaria opere, ya sea en un modo relativamente constante a velocidad fija o con velocidad variable. Un ejemplo de una aplicación de velocidad variable es un compresor de aire que debe producir una presión máxima y después detenerse o regresar a un modo en vacío a una velocidad menor para ahorrar energía. Una velocidad de marcha en vacío típica es del 30% de la velocidad de diseño, donde la potencia se reduce hasta el 3% de potencia máxima. Las tensiones en el impulsor varían por el cuadrado de la velocidad.

Cuando se somete a muchos ciclos de inicio y de detención o desplazamientos aleatorios en velocidad, el material puede degradarse y su fatiga puede fallar. La curva de vida es una función de la relación de tensión, la cual se define como la tensión mínima dividida entre la tensión máxima. La tensión media es el promedio de la tensión máxima y de la tensión mínima. La amplitud para un ciclo de tensión dado es la tensión máxima menos la tensión mínima dividida entre dos . La resistencia del material también se reduce con temperatura creciente. Si se acumulan suficientes ciclos, el material se fractura en la ubicación de tensión más alta y falla catastróficamente debido a la tensión media alta de la carga centrífuga. En la práctica, la velocidad puede variar desde cualquier valor mínimo hasta el máximo en una naturaleza un poco aleatoria dependiendo de la aplicación. Es ventajoso predecir con exactitud razonable cuándo puede ocurrir el punto de falla catastrófica. Esta invención se refiere a una turbomaquinaria centrífuga que incluye uno o más impulsores. Un sensor de velocidad se dispone para detectar una velocidad asociada a una velocidad de rotación del impulsor. Un sensor de temperatura se dispone para detectar una temperatura asociada con una temperatura de salida del impulsor. Un sistema de controles tiene parámetros del impulsor, los cuales incluyen la velocidad del impulsor y la temperatura de salida. Se utiliza una metodología de cálculo para manipular matemáticamente los parámetros del impulsor para determinar una vida residual del impulsor. Una respuesta programada, tal como una señal de advertencia, se acciona mediante el sistema de control en respuesta a la vida residual que alcanza un límite . En operación, el sistema de controles monitorea la velocidad y la temperatura del impulsor. El sistema de controles calcula repetidamente la vida residual basándose en la velocidad y la temperatura. En un ejemplo, un cambio en la vida residual se calcula en respuesta a un cambio en la velocidad que da como resultado una tensión del impulsor que excede la fuerza a la resistencia para el impulsor. Estas y otras características de la presente invención pueden entenderse mejor a partir de la siguiente especificación y dibujos, de los cuales lo siguiente es una breve descripción. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista en corte transversal de una turbomáquma centrífuga que tiene los sistemas de controles de vida residual inventivos. La Figura 2 es una gráfica que representa una tensión máxima del impulsor obtenida a partir de un análisis de elemento finito como una función de velocidad del impulsor.

La Figura 3 es una gráfica de la tensión de fatiga del material del impulsor en relación con la longevidad a la fatiga como una función de relación de temperatura y tensión. La Figura 4 es un cálculo de vida representado como un diagrama de Goodman modificado. La Figura 5 es un diagrama de flujo que en general representa la metodología inventiva para determinar la vida residual del impulsor. Una turbomáquma 10 centrífuga se muestra en forma esquemática en la Figura 1. La turbomáquma 10 incluye un estator 12 que impulsa un e e 14 del rotor, como se conoce bien en la técnica. Un impulsor 16 se monta sobre el eje 14. El impulsor 16 transfiere un fluido desde una entrada 18 hasta una salida 20. La turbomáquma 10 centrífuga inventiva incluye un sensor 22 de velocidad para detectar una velocidad del impulsor 16. El sensor 22 de velocidad detecta directa o indirectamente la velocidad de rotación del impulsor 16. Se dispone un sensor 24 de temperatura para detectar una temperatura de salida asociada con el impulsor 16. En el ejemplo mostrado, el sensor 24 de temperatura se dispone cerca de una salida del impulsor 16. Un sistema de controles incluye un controlador 26 que se comunica con el sensor 22 de velocidad y el sensor 24 de temperatura. El controlador 26 puede comunicarse con otros transductores. Adicionalmente, el controlador 26 puede recibir y almacenar otros parámetros del impulsor, tales como aquellos relacionados con propiedades del material del impulsor y características de tensión del impulsor. Las características de tensión pueden proporcionarse como un resultado de un modelo de análisis de elemento finito del impulsor 16 y/o tablas. Las características de tensión pueden incluir tensión máxima del impulsor como una función de velocidad, resistencia a la fatiga como una función de temperatura, relación de tensión, ciclos para fallo a la fatiga y factores de modificación de resistencia a la fatiga. Las características de tensión pueden proporcionarse como parte de una tabla de búsqueda o como cualquier otro medio adecuado, como se conoce bien en la técnica. Los factores de modificación de resistencia a la fatiga pueden incluir información relacionada con el acabado superficial del impulsor, tamaño de características particulares del impulsor, carga en áreas particulares del impulsor y temperatura del impulsor. Los parámetros del impulsor pueden determinarse empírica o matemáticamente. Para la turbomáquina centrífuga ejemplar mostrada en la Figura 1, la velocidad de diseño es de 58,000 rpm. Las altas velocidades dan como resultado en tensiones del impulsor cerca del rendimiento en las condiciones de operación máximas. La tensión como una función de velocidad se muestra en la Figura 2 hasta el punto de rendimiento excesivo. Como puede observarse a partir del análisis, el cual es de una aleación de aluminio, las tensiones más altas se aproximan a la resistencia de rendimiento. La pérdida de resistencia de una aleación común de aluminio como una función de tensión fluctuante y de ciclos de longevidad a la fatiga se muestra en la Figura 3 para una temperatura dada. Un cálculo de vida por lo general se muestra sobre un diagrama de Goodman modificado, véase en la Figura 4. Con este análisis, dadas las velocidades de operación mínimas-máximas y la temperatura, es posible estimar el número de ciclos de tensión o las horas de operación permitidas, dado el número de ciclos/hora de inicio-detención, que un impulsor puede resistir antes de fallar. La presente invención es de utilidad para explicar una reducción de vida debido a desplazamientos arbitrarios de velocidad del impulsor. Se pueden utilizar diversas metodologías de cálculo. Por ejemplo, los cálculos pueden basarse en un método de suma de relación de ciclo de Palmgren-Miner o método de Manson. Estas metodologías se conocen bien en la técnica. Los parámetros que son convenientes para su monitoreo continuo son la velocidad del impulsor y la temperatura de salida del impulsor. La tensión máxima del impulsor se determina a partir del análisis de elemento finito, por ejemplo, como una función de velocidad, la cual se indica en la Figura 2. Se utilizan las propiedades del material del impulsor, en particular, la tensión a la fatiga como una función de temperatura, relación de tensión y ciclos para fallo, como se muestra en la Figura 3. Con referencia a la Figura 3, la relación de tensión del 0% representa un ciclo de micio-detención, mientras que el 10% se representa como ejemplo de un desplazamiento de velocidad hasta el 30% de la velocidad de diseño. La Figura 3 indica la resistencia del material disponible correspondiente y los ciclos para fallo. Los datos monitoreados y las características de tensión del impulsor, las propiedades del material y la metodología de cálculo pueden programarse en el controlador 26 e incluirse como parte del sistema de controles para la turbomáquma 10 centrífuga. En un ejemplo, los resultados de los cálculos se utilizan para accionar una señal de advertencia, tal como una alarma visual o auditiva si los ciclos acumulados se aproximan al límite de alarma o al número de ciclos permitidos antes de la falla. Los ciclos permitidos se establecen típicamente utilizando un factor de seguridad deseado adecuado para la aplicación particular. Se puede establecer una advertencia de alarma anterior al límite de alarma, tal como un porcentaje. Al alcanzar el límite de advertencia, el sistema de control puede evitar los desplazamientos de velocidad hasta que la unidad pueda programarse para que se apague y se reemplace el impulsor. Este método se toma puesto que la prevención de desplazamientos de velocidad evita un daño acumulativo al impulsor . Al alcanzar el límite de alarma, la unidad se apaga para el reemplazo del impulsor. De manera alterna, se puede permitir que la unidad opere en forma continua a toda velocidad para evitar cualquier tensión fluctuante hasta que el apagado pueda programarse adecuadamente. De esta manera, el cliente puede prever el reemplazo del impulsor antes del fallo real . En operación, se puede utilizar una metodología similar al ejemplo mostrado en la Figura 5 para determinar la vida residual del impulsor. El método 30 incluye la etapa de determinar una tensión máxima de diseño para un impulsor, mostrado en el bloque 32. La tensión máxima de diseño puede proporcionarse utilizando un análisis de elemento finito. La velocidad y temperatura del impulsor se monitorean utilizando los sensores 22 y 24, como se indica en el bloque 34. Se calculan el cambio de velocidad y la temperatura promedio. Los ciclos de inicio-detención y los desplazamientos arbitrarios de velocidad dan como resultado cambios de velocidad que impactan negativamente la longevidad a la fatiga del impulsor. El método inventivo cuantifica la reducción de fatiga ocasionada por los cambios de velocidad. La tensión resultante para un cambio de velocidad se calcula en el bloque 36 para determinar si la tensión excede la fuerza a la resistencia para una vida ilimitada del impulsor. Si la tensión excede la fuerza a la resistencia, entonces se calcula la reducción de vida del impulsor, como se indica en el bloque 3S. En una metodología de cálculo ejemplar, se calcula el número de ciclos (Nf) que corresponde con el ciclo de tensión producido por el cambio de velocidad, Nf será una función de la velocidad máxima, Nx, y de la relación de tensión, rs . Nlßf = 63000 slef = 49 A ¿> = _£2Ü. donde CF = /c^ c^ , [Modificadores en fatiga Marín] CF SM! = SniM (l - rs )0" Log(N, ) = 10.5 - 3 T9Log{Sc0 - 1 ß) Observe que Nf es una función del porcentaje de tensión, rs . rs a tensión mínima a- tensión máxima [0001] O, dado que la tensión varía como el cuadrado de velocidad: rs=(N2^N1)2 Si la velocidad de rotación se monitorea con el tiempo, se puede contar la acumulación de ciclos de tensión y se puede realizar una estimación de la vida residual, como se indica en el bloque 38. Por ejemplo, iniciando con un valor inicial para la variable de vida, L=0, para cada ciclo de tensión: Encon trar Nf {N , rs) L= 1/ L=L+ L En cualquier punto en el tiempo, L es la porción de la vida esperada que el impulsor registra. En un ejemplo, una operación del día típica consiste en nivelar desde el descanso hasta una velocidad máxima de 60000 rpm, cambiar entre esa velocidad máxima y una mínima de 20000 rpm cuatro veces en total y regresar al descanso. La temperatura inicia en ambiente y se eleva hasta un máximo de 148.889 grados C (300 grados F) . Los factores de modificación de resistencia a la fatiga son: Superficie, Ka=0.900 (superficie maquinada) Tamaño, Kb=0.856 (d?ámetro= 3cm (1.181 pulgadas)) Carga, Kc=l .0 Temperatura, Kd=l .098-1.25116* ( °F) , Aleación de Aluminio 7050-T351 [donde Kd=St/SRT, y St=res?stenc?a a temperatura de operación, T SRT= resistencia a temperatura ambiente] La siguiente tabla muestra los resultados de los cálculos de vida.

Al final del día, el valor de acumulación L indica que se ha consumido el 0.072% de la vida esperada y si es típico, pueden esperarse otros 1/0.000720=1389 días = 3.8 años. Cuando la vida residual alcanza un límite, el controlador 26 puede activar una señal de advertencia, la cual puede incluir una advertencia visual y/o auditiva, como se indica en el bloque 42. De manera alterna, la vida residual simplemente puede almacenarse o desplegarse en una manera accesible para que el personal de servicio la revise periódicamente. El personal de servicio puede entonces reemplazar el impulsor antes de que falle, como se indica en el bloque 44. El método 30 se repite iterativamente para calcular reducciones subsecuentes en la vida del impulsor debido a los cambios de velocidad. Aunque se ha descrito una modalidad preferida de la presente invención, un trabajador con experiencia ordinaria en esta técnica puede reconocer que ciertas modificaciones pueden entrar dentro del alcance de la presente invención. Por esa razón, las siguientes reivindicaciones deben estudiarse para determinar el alcance real y contenido de esta invención.

Claims

REIVINDICACIONES 1. Una turbomáquma caracterizada porque comprende: un impulsor; un sensor de velocidad dispuesto para detectar una velocidad asociada con una velocidad del impulsor; un sensor de temperatura dispuesto para detectar una temperatura asociada con una temperatura de salida del impulsor; un sistema de controles que tiene parámetros del impulsor que incluyen la velocidad del impulsor y la temperatura de salida, una metodología de cálculo que manipula matemáticamente los parámetros del impulsor para determinar una vida residual del impulsor, y una respuesta programada accionada mediante el sistema de controles en respuesta a que la vida residual alcanza un límite.
2. La turbomáquma centrífuga de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el sensor de velocidad detecta una velocidad de un e e que soporta el impulsor
3. La turbomáquina centrífuga de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el sensor de temperatura se dispone cerca de una salida del impulsor
4. La turbomáquma centrífuga de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la metodología de cálculo se basa en la suma de relación de ciclo de Pal gren-Miner.
5. La turbomáquina centrífuga de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la metodología de cálculo se basa en el método de Manson.
6. La turbomáquina centrífuga de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque los parámetros del impulsor incluyen propiedades del material del impulsor.
7. La turbomáquina centrífuga de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque los parámetros del impulsor incluyen características de tensión del impulsor.
8. La turbomáquina centrífuga de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque las características de tensión incluyen por lo menos una de tensión máxima del impulsor como una función de velocidad, resistencia a la fatiga como una función de temperatura, relación de tensión y ciclos para falla en relación con la tensión máxima.
9. La turbomáquina centrífuga de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque las características de tensión incluyen factores de modificación de la resistencia a la fatiga.
10. La turbomáquina centrífuga de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la respuesta programada es una señal de advertencia.
11. Un método para calcular la vida residual de un impulsor, caracterizado porque comprende las etapas de: a) monitorear una velocidad de un impulsor b) monitorear una temperatura asociada con el impulsor; c) calcular iterativamente una vida residual del impulsor basándose en la velocidad y la temperatura; y d) producir una señal de advertencia cuando la vida residual alcance un límite.
12. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque la etapa c) se basa en el cálculo de la vida residual como una función de cambio de velocidad del impulsor;
13. El método de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque la etapa c) incluye calcular iterativamente la vida residual a una velocidad que corresponde con un ciclo de tensión producido por el cambio de velocidad.
14. El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque la etapa c) incluye calcular un cambio de la vida atpbuible al cambio de velocidad.
15. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque la etapa c) se basa en el cálculo de la vida residual como una función de una relación de tensión.
16. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque la etapa c) utiliza una tensión máxima de diseño del impulsor.
17. Un controlador para un impulsor, caracterizado porque comprende : medios para recibir información de un sensor de velocidad dispuesto para detectar una velocidad del impulsor; medios para recibir información de un sensor de temperatura dispuesto para detectar una temperatura de una salida del impulsor; medios para determinar una vida residual del impulsor utilizando la información recibida de los sensores de velocidad y de temperatura; y medios para producir una advertencia cuando la vida residual alcanza un límite.