WO2003096280A1 - Method for the status recognition of a mechanically stressed component, a computer system on which said method runs, a computer program comprising program code means, and a computer program product - Google Patents

Method for the status recognition of a mechanically stressed component, a computer system on which said method runs, a computer program comprising program code means, and a computer program product Download PDF

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WO2003096280A1
WO2003096280A1 PCT/EP2003/004273 EP0304273W WO03096280A1 WO 2003096280 A1 WO2003096280 A1 WO 2003096280A1 EP 0304273 W EP0304273 W EP 0304273W WO 03096280 A1 WO03096280 A1 WO 03096280A1
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component
crack
computer
computer program
crack growth
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PCT/EP2003/004273
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Günther WALZ
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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

  • Method for status detection of a mechanically stressed component a computer system on which the method runs, a computer program with program code means and a computer program product.
  • the invention relates to a method for status detection of a mechanically stressed component and a computer system on which the method runs, a computer program with program code means and a computer program product.
  • Mechanically stressed components especially a gas turbine, have a limited lifespan.
  • the lifespan will include determined by the growth of defects (e.g. cracks).
  • a crack can grow until it fails, i.e. breakage of the component.
  • JP 2001153756-A discloses a method for calculating crack formation, but not for calculating crack growth.
  • the object of the invention is achieved by a method according to claim 1 by operating parameters such as. B. tempera- ture, strains, number of cycles or rotational frequencies of components can be used to calculate the crack growth of existing defects, so that a parameter can be calculated that provides information as to whether the service life is still long enough or is soon to be terminated and solved by a A computer system according to claim 9, a computer program according to claim 10 and a computer program product according to claim 11.
  • the procedure defines inspection intervals and error sizes to be checked.
  • the method takes into account both internal, i.e. embedded defects as well as surface defects. Since internal defects can grow up to an outer surface of a component and do not yet lead to component failure, but continue to grow as surface defects, this is also taken into account in the method. One speaks of the so-called folding of embedded defects into surface defects.
  • FIG. 1 shows a turbine with components
  • FIG. 2 shows a simplified representation of a longitudinal section of a turbine
  • FIG. 3 shows a turbine blade as a component
  • FIG. 7 shows a graphic representation of a monitor image which shows the service life
  • Figure 8 shows the sequence of the method in a diagram
  • Figure 9 shows the crack growth rate over the
  • Vibration range of the voltage intensity factor ⁇ k and Figure 10 shows a typical load curve of a component.
  • FIG. 1 schematically shows a gas turbine 1 in a longitudinal section.
  • a gas turbine 1 is selected for a machine that consists of several components in which defects are present and can grow.
  • a compressor 7, a combustion chamber 10 and a turbine part 13 are arranged one behind the other along a shaft 4.
  • the turbine part 13 has a hot gas duct 16.
  • Gas turbine blades 20 are arranged in the hot gas duct 16.
  • Guide vane and rotor blade limits are alternately provided in succession.
  • the gas turbine blades 20 are cooled, for example, by a combined air and / or steam cooling.
  • compressor air is taken from the compressor 7, for example, and supplied to the gas turbine blades 22 via an air supply 23.
  • Steam is also supplied to the gas turbine blades 20, for example, via a steam feed 26.
  • FIG. 2 a section of a turbine part 13 is shown in a simplified representation in a longitudinal section.
  • the turbine part 13 has a shaft 4 which extends along an axis of rotation 41. Furthermore, the turbine part 13 successively has an inflow region 49, a blading region 51 and an outflow region 53 along the axis of rotation 41.
  • Rotatable moving blades 20 ′ and stationary guide blades 20 are arranged in the blading area 51.
  • the blades 20 are fastened to the shaft 4, while the guide blades 20 are arranged on a guide blade carrier 47 which bypasses the shaft 4.
  • An annular flow channel for a flow medium A for example superheated steam, is formed by the shaft 4, the blading area 51 and the guide vane carrier 47.
  • the inflow region 49 serving to supply the flow medium A is delimited in the radial direction by an inflow housing 55 arranged upstream of the guide vane carrier 47.
  • An outflow housing 57 is arranged downstream on the guide vane carrier 47 and delimits 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 is below Expansion does work, and then leaves the gas turbine 1 via the outflow region 53.
  • the flow medium A is then collected in a condenser for a steam turbine, which is connected downstream of the outflow housing 57 and is not shown in FIG. 2.
  • the flow medium A relaxes and does work on the moving blades 20, as a result of which they are set in rotation.
  • FIG. 3 shows a rotor blade 20 in a perspective view, which extends along a radial axis 60.
  • the rotor blade has, in succession along the radial axis 60, an attachment region 63, one adjoining it vane platform 66 and an airfoil area 69.
  • a blade root 72 is formed in the fastening area 63 and serves to fasten the blade 20 to the shaft 4 of a gas turbine 1.
  • the blade root 72 is designed, for example, as a hammer head.
  • the rotor blade 20 can in this case be produced by a casting process, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • the component often has defects immediately after manufacture.
  • FIG. 4 shows part of a turbine blade 20 which has at least one internal defect 73, for example a pore, a gas inclusion (blow hole) or the like.
  • Internal defects are particularly critical with 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, a failure may already be present here.
  • the process also takes account of surface defects that already exist and continue to grow depending on the mechanical load.
  • FIG. 7 shows an example of 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 different components.
  • operating parameter 88 such as temperature T, pressure (expansions) p, number of cycles N and frequency f of different components.
  • the operating parameters 88 are determined by corresponding sensors on the components, for example 4, 7, 10, 13, 16, 20, 23, 26, 47, 55, 57, recorded and forwarded to a computing unit (computer system) for calculation.
  • the process that calculates the service life of the components is present on this computing unit as a computer program (software) or is loaded from a computer program product (computer-readable storage medium: diskette, CD-ROM, DVD, ROM).
  • a service life display 91 which shows the operator or service the status of the component / components, i.e. whether the lifespan of the observed component (s) is still sufficient or whether investigations must be carried out or whether the machine must be switched off
  • Figure 8 shows schematically the sequence of the method.
  • the parameters of this crack growth are queried continuously or regularly, and the crack length, status or service life are also calculated. Is the service life still long enough, i.e. if, for example, it extends to the next regular service, the query of the operating parameters and the calculation of the crack growth are repeated. During the standstill or during the service of the machine in which the component observed in each case remains installed, new errors can be discovered which are taken into account when calculating the service life with the method according to the invention.
  • 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 crack can be called up at any time. For the given initial length, the status is set to 0%, for example. It is known for the position of the crack in the component or how long this crack may grow without causing component failure. This maximum length would correspond to 100%, so that the status of the crack is between 0 and 100%.
  • the interaction of cracks with one another can also be taken into account.
  • this is displayed on the monitor 85, for example, by setting a parameter from “service life sufficient” to “service life ended” in the service life display.
  • the process can run on a computer system that includes a central computer, networked computers, monitor monitors, other hardware and measuring lines for data acquisition of operating parameters, etc. may include.
  • the method can be written in any programming language as a computer program which, for example, is compiled on the computer system to generate program code means to carry out all steps of the method when the program is executed on a computer / computer system.
  • the invention further relates to a computer program product with program code means which are stored on a computer-readable data carrier (floppy disks, CD-Rom's) in order to carry out the method when the program product is stored on a computer.
  • a computer-readable data carrier floppy disks, CD-Rom's
  • the first takes into account high frequency fatigue stress (HCF), the second affects subcritical crack growth, the third and fourth define primary and secondary stresses for failure.
  • HCF high frequency fatigue stress
  • the stress intensity factor K K ( ⁇ , a) and the value ⁇ K calculated from it are important for crack growth, where ⁇ is the mechanical load and a is the crack length.
  • a parameter R is given by Kmi n / K ma x.
  • the stress ⁇ decreases and the stress intensity factor K can also decrease to such an extent that it remains below the threshold value and crack growth no longer takes place.
  • the material parameters are determined experimentally from the curve da / dN by optimally adapting the function to the measured values (interpolation).
  • the value .DELTA.K S results from a double logarithmic plot of the curve from FIG. 9 from the intersection of two straight lines. No crack growth takes place below a certain value for the stress intensity factor K.
  • ⁇ K th one speaks of a threshold. If the temperature falls below this threshold, there is no crack growth.
  • the formulas given above apply to loads above the threshold.
  • the values for ⁇ K below the threshold value represent a high-frequency component of the mechanical stress, in which no errors usually grow. In the case of the low-frequency portion 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

The invention relates to a method for the status recognition of a mechanically stressed component, a computer system on which said method runs, a computer program comprising program code means, and a computer program product. Components of mechanically stressed machines are subjected to mechanical stresses which lead to the growth of existing cracks in a component. The growth of the cracks can increase in such a way that it causes the component to fail. The inventive method enables the growth of existing cracks (73) to be calculated on the basis of operating parameters, and enables a parameter to be determined which indicates whether the service life is still sufficiently long or whether it is over.

Description

Verfahren zur Statuserkennung eines mechanisch beanspruchten Bauteils, ein Computersystem auf dem das Verfahren läuft, ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und ein Computer- programmprodukt .Method for status detection of a mechanically stressed component, a computer system on which the method runs, a computer program with program code means and a computer program product.
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.The invention relates to a method for status detection of a mechanically stressed component and a computer system on which the method runs, a computer program with program code means and a computer program product.
Mechanisch beanspruchte Bauteile, insbesondere einer Gasturbine, haben eine begrenzte Lebensdauer. Die Lebensdauer wird u.a. bestimmt durch das Wachstum von Fehlern (z.B. Risse) .Mechanically stressed components, especially a gas turbine, have a limited lifespan. The lifespan will include determined by the growth of defects (e.g. cracks).
Ein Riss kann so lange wachsen, bis er zum Versagen, d.h. zum Bruch, des Bauteils führt.A crack can grow until it fails, i.e. breakage of the component.
Die JP 2001153756-A offenbart ein Verfahren zur Berechnung einer Rissentstehung, aber nicht zur Berechnung eines Risswachstums .JP 2001153756-A discloses a method for calculating crack formation, but not for calculating crack growth.
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.So far, a reliable control of cracks in the components is only possible through complex and repeated examinations of the components, e.g. B. possible by means of ultrasound. The components must be taken out of operation for this. In addition, the components must be removed from a turbine, for example.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren, ein Computersystem, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt aufzuzeigen, mit dem die Statuserkennung eines Bauteils vereinfacht wird.It is therefore an object of the invention to demonstrate a method, a computer system, a computer program and a computer program product with which the status recognition of a component is simplified.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst, indem Betriebsparameter wie z. B. Tempera- tur, Dehnungen, Zyklenanzahl oder Umlauffrequenzen von Bauteilen 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 und gelöst durch ein Computersystem gemäss Anspruch 9, ein Computerprogramm gemäss Anspruch 10 und ein Computerprogrammprodukt gemäss Anspruch 11.The object of the invention is achieved by a method according to claim 1 by operating parameters such as. B. tempera- ture, strains, number of cycles or rotational frequencies of components can be used to calculate the crack growth of existing defects, so that a parameter can be calculated that provides information as to whether the service life is still long enough or is soon to be terminated and solved by a A computer system according to claim 9, a computer program according to claim 10 and a computer program product according to claim 11.
Mit dem Verfahren werden Inspektionsintervalle und zu erprü- fende Fehlergrößen festgelegt.The procedure defines inspection intervals and error sizes to be checked.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen des Verfahrens gemäss Anspruch 1 aufgelistet.Further advantageous measures of the method according to claim 1 are listed in the subclaims.
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.Components often already have defects or cracks immediately after production or during a subsequent heat treatment, which are known by measuring them (ultrasonic testing, eddy current method) and which are taken into account in the method. However, there are also errors that are not known from the start, for example because they are too small or only arise during use due to corrosion or oxidation, which are also taken into account by the method.
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.The method takes into account both internal, i.e. embedded defects as well as surface defects. Since internal defects can grow up to an outer surface of a component and do not yet lead to component failure, but continue to grow as surface defects, this is also taken into account in the method. One speaks of the so-called folding of embedded defects into surface defects.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und werden erläutert. Es zeigenExemplary embodiments of the invention are illustrated in the following drawings and are explained. Show it
Figur 1 eine Turbine mit Bauteilen,FIG. 1 shows a turbine with components,
Figur 2 in vereinfachter Darstellung einen Längsschnitt einer Turbine, Figur 3 eine Turbinenschaufel als ein Bauteil,2 shows a simplified representation of a longitudinal section of a turbine, FIG. 3 shows a turbine blade as a component,
Figur 4, 5, 6 schematisch ein Risswachstum in einem Bauteil, Figur 7 eine graphische Darstellung eines Monitorbildes, das die Lebensdauer anzeigt,4, 5, 6 schematically show a crack growth in a component, FIG. 7 shows a graphic representation of a monitor image which shows the service life,
Figur 8 den Ablauf des Verfahrens in einem Diagramm, Figur 9 zeigt die Risswachstumsgeschwindigkeit über dieFigure 8 shows the sequence of the method in a diagram, Figure 9 shows the crack growth rate over the
Schwingungsbreite des Spannungsintensitätsfaktors Δk, und Figur 10 eine typische Belastungskurve eines Bauteils.Vibration range of the voltage intensity factor Δk, and Figure 10 shows a typical load curve of a component.
Figur 1 zeigt schematisch in einem Längsschnitt eine Gasturbine 1.FIG. 1 schematically shows a gas turbine 1 in a longitudinal section.
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 aufeinander- folgend vorgesehen.As an exemplary component, a gas turbine 1 is selected for a machine that consists of several components in which defects are present and can grow. A compressor 7, a combustion chamber 10 and a turbine part 13 are arranged one behind the other along a shaft 4. The turbine part 13 has a hot gas duct 16. Gas turbine blades 20 are arranged in the hot gas duct 16. Guide vane and rotor blade limits are alternately provided in succession.
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 zuge- führt. Über eine DampfZuführung 26 wird den Gasturbinenschaufeln 20 beispielsweise auch Dampf zugeführt.The gas turbine blades 20 are cooled, for example, by a combined air and / or steam cooling. For this purpose, compressor air is taken from the compressor 7, for example, and supplied to the gas turbine blades 22 via an air supply 23. Steam is also supplied to the gas turbine blades 20, for example, via a steam feed 26.
In Figur 2 ist in vereinfachter Darstellung in einem Längs- schnitt ein Ausschnitt eines Turbinenteils 13 gezeigt.In FIG. 2, a section of a turbine part 13 is shown in a simplified representation in a longitudinal section.
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 Lauf- schaufeln 20 sind dabei an der Welle 4 befestigt, während die Leitschaufel 20 an einem die Welle 4 umgehenden Leitschaufel - träger 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 be- grenzt.The turbine part 13 has a shaft 4 which extends along an axis of rotation 41. Furthermore, the turbine part 13 successively has an inflow region 49, a blading region 51 and an outflow region 53 along the axis of rotation 41. Rotatable moving blades 20 ′ and stationary guide blades 20 are arranged in the blading area 51. The blades 20 are fastened to the shaft 4, while the guide blades 20 are arranged on a guide blade carrier 47 which bypasses the shaft 4. An annular flow channel for a flow medium A, for example superheated steam, is formed by the shaft 4, the blading area 51 and the guide vane carrier 47. The inflow region 49 serving to supply the flow medium A is delimited in the radial direction by an inflow housing 55 arranged upstream of the guide vane carrier 47.
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 Strömungsme- dium 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 .An outflow housing 57 is arranged downstream on the guide vane carrier 47 and delimits the outflow region 53 in the radial direction, that is to say perpendicular to the axis of rotation 41. During operation of the gas turbine 1, the flow medium A flows from the inflow region 49 into the blading region 51, where the flow medium is below Expansion does work, and then leaves the gas turbine 1 via the outflow region 53. The flow medium A is then collected in a condenser for a steam turbine, which is connected downstream of the outflow housing 57 and is not shown in FIG. 2.
Beim Durchströmen des Beschaufelungsbereichs 51 entspannt sich das Strömungsmedium A und verrichtet Arbeit an den Lauf- schaufeln 20, wodurch diese in Rotation versetzt werden.When flowing through the blading area 51, the flow medium A relaxes and does work on the moving blades 20, as a result of which they are set in rotation.
Figur 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 20, die sich entlang einer radialen Achse 60 erstreckt. Die Laufschaufel weist entlang der Radialachse 60 aufeinanderfolgend einen Befestigungsbereich 63, eine daran angren- zende Schaufelplattform 66 sowie ein Schaufelblattbereich 69 auf .FIG. 3 shows a rotor blade 20 in a perspective view, which extends along a radial axis 60. The rotor blade has, in succession along the radial axis 60, an attachment region 63, one adjoining it vane platform 66 and an airfoil area 69.
Im Befestigungsbereich 63 ist ein Schaufelfuß 72 gebildet, der zur Befestigung der Schaufel 20 an der Welle 4 einer Gas- turbine 1 dient. Der Schaufelfuß 72 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet.A blade root 72 is formed in the fastening area 63 and serves to fasten the blade 20 to the shaft 4 of a gas turbine 1. The blade root 72 is designed, for example, as a hammer head.
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.In conventional blades 20, solid metallic materials are used in all areas 63, 66, 69. The rotor blade 20 can in this case be produced by a casting process, by a forging process, by a milling process or combinations thereof. The component often has defects immediately after manufacture.
Figur 4 zeigt ein Teil einer Turbinenschaufel 20, die zumindest 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 inne- rer 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.FIG. 4 shows part of a turbine blade 20 which has at least one internal defect 73, for example a pore, a gas inclusion (blow hole) or the like. Surface defects are particularly critical with 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, a failure may already be present here.
Ebenso ist es möglich, dass der innere Riss umklappt, d.h. als Oberflächenriss 79 sich an der Oberfläche 82 weiter ausbreitet (Fig. 6)It is also possible that the inner crack folds over, i.e. as surface crack 79 spreads further on surface 82 (FIG. 6)
Das Verfahren berücksichtigt auch schon vorhandene Oberflächenfehler, die je nach mechanischer Belastung weiterwachsen.The process also takes account of surface defects that already exist and continue to grow depending on the mechanical load.
Figur 7 zeigt einen beispielhaft 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 .FIG. 7 shows an example of 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 different components.
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 (Computersystem) weitergeleitet. Auf dieser Recheneinheit ist das Verfahren, das die Lebensdauer der Bauteile berechnet, als Computerprogramm (Software) vorhanden bzw. wird von einem Computerprogrammprodukt (computerlesbaren Speichermedium: Diskette, CD-ROM, DVD, ROM) geladen.The operating parameters 88 are determined by corresponding sensors on the components, for example 4, 7, 10, 13, 16, 20, 23, 26, 47, 55, 57, recorded and forwarded to a computing unit (computer system) for calculation. The process that calculates the service life of the components is present on this computing unit as a computer program (software) or is loaded from a computer program product (computer-readable storage medium: diskette, CD-ROM, DVD, ROM).
Auf dem Monitor 85 ist bspw. 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.On the monitor 85, for example, there is also a service life display 91 which shows the operator or service the status of the component / components, i.e. whether the lifespan of the observed component (s) is still sufficient or whether investigations must be carried out or whether the machine must be switched off
Figur 8 zeigt schematisch den Ablauf des Verfahrens.Figure 8 shows schematically the sequence of the method.
Alle Bauteile, die mechanisch beansprucht werden, werden beispielsweise erfasst, und es werden bekannte Fehler bei der Berechnung des Status oder der Lebensdauer miterfasst . Während des Betriebs verändern sich die Betriebsparameter 88, mit denen eine Berechnung des Risswachstums vorgenommen wird.All components that are mechanically stressed are recorded, for example, and known errors in the calculation of the status or the service life are also recorded. During operation, the operating parameters 88 change, with which the crack growth is calculated.
Die Parameter dieses Risswachstums werden kontinuierlich oder regelmäßig abgefragt, und ebenso wird die Risslänge, Status 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.The parameters of this crack growth are queried continuously or regularly, and the crack length, status or service life are also calculated. Is the service life still long enough, i.e. if, for example, it extends to the next regular service, the query of the operating parameters and the calculation of the crack growth are repeated. During the standstill or during the service of the machine in which the component observed in each case remains installed, new errors can be discovered which are taken into account when calculating the service life with the method according to the invention.
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 bere- chenbar, 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.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 crack can be called up at any time. For the given initial length, the status is set to 0%, for example. It is known for the position of the crack in the component or how long this crack may grow without causing component failure. This maximum length would correspond to 100%, so that the status of the crack is between 0 and 100%. The interaction of cracks with one another can also be taken into account.
Die Abhängigkeit eines Abstandes des Risses zu einer Oberfläche beim Risswachstums kann ebenfalls berücksichtigt werden.The dependence of a distance of the crack on a surface during crack growth can also be taken into account.
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.If the service life has ended, this is displayed on the monitor 85, for example, by setting a parameter from “service life sufficient” to “service life ended” in the service life display.
Das Verfahren kann auf einem Computersystem ablaufen, das einen Zentralrechner, vernetzte Rechner, Bildschirmmonitore, sonstige Hardware sowie Messleitungen zu Datenerfassung von Betriebsparametern u.a. umfassen kann.The process can run on a computer system that includes a central computer, networked computers, monitor monitors, other hardware and measuring lines for data acquisition of operating parameters, etc. may include.
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.The method can be written in any programming language as a computer program which, for example, is compiled on the computer system to generate program code means to carry out all steps of the method when the program is executed on a computer / computer system.
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 Com- puter 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)):The invention further relates to a computer program product with program code means which are stored on a computer-readable data carrier (floppy disks, CD-Rom's) in order to carry out the method when the program product is stored on a computer. When calculating the crack growth, for example, four load spectra are used (see also publisher "British Energy": Assessment of the integrity of structures containing defects, chapters 1 and 2 from R6 Revision 4 (September 2000)):
Das erste berücksichtigt eine hochfrequente "high cycle fa- tigue" Beanspruchung (HCF) , das zweite wirkt auf das unterkritische Risswachstum, das dritte und vierte definieren Primär- und Sekundärspannun- gen für das Versagen.The first takes into account high frequency fatigue stress (HCF), the second affects subcritical crack growth, the third and fourth define primary and secondary stresses for failure.
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 Versagens- grenzkurve, gegen die kritische Zyklenzahl, gegen die kriti- sehe Fehlergröße und Fehlerfläche analysiert.An interaction between primary and secondary voltages is taken into account. This allows the different influence of residual stresses on failure to be recorded. When calculating the service life, the crack configuration is analyzed depending on the number of cycles, in particular the configuration in the event of failure, as well as permissible crack configurations for graded collateral against a specified failure limit curve, against the critical number of cycles, against the critical size and area of the defect.
Für das Risswachstum ist unter anderem der Spannungsintensi- tätsfaktor K = K (σ, a) und der daraus berechnete Wert ΔK von Bedeutung, wobei σ die mechanische Belastung und a die Risslänge ist .Among other things, the stress intensity factor K = K (σ, a) and the value ΔK calculated from it are important for crack growth, where σ is the mechanical load and a is the crack length.
Das Risswachstum pro Zyklus da/dN ist in Figur 9 gezeigt. Ab einem gewissen Schwellwert Δkth 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. ü- ber die Zeit, aufgetragen ist. Kmax ist der maximale Wert für den Spannungsintensitätsfaktor K, wobei Kmιn die minimale Belastung darstellt, also den kleinsten Wert für den Spannungs- intensitätsfaktor .Crack growth per cycle da / dN is shown in FIG. 9. From a certain threshold value Δk th , crack growth takes place until the component fails completely. .DELTA.K is the difference between K max - K m i n. The meaning of these two values results from FIG. 10, in which a mechanical load on a component is plotted against the number of cycles N, ie over time. K max is the maximum value of the stress intensity factor K, wherein K m ι n represents the minimum load, that is the smallest value for the voltage intensity factor.
Ein Parameter R ist gegeben durch Kmin / Kmax.A parameter R is given by Kmi n / K ma x.
Die Beschreibung des Risswachstums (Fig. 9) erfolgt allgemein durch die FormelCrack growth (Fig. 9) is generally described by the formula
da dN = F(ΔK, R)since dN = F (ΔK, R)
Wenn der Riss wächst, sinkt die Spannung σ und der Spannungs- intensitätsfaktor K kann auch soweit sinken, dass er unter dem Schwellwert bleibt und kein Risswachstum mehr stattfindet.As the crack grows, the stress σ decreases and the stress intensity factor K can also decrease to such an extent that it remains below the threshold value and crack growth no longer takes place.
Die Kurve in Figur 9 wird formelmäßig erfasst durchThe curve in FIG. 9 is determined by formula
00
AK≤AKth(R) da c,Δ ml ßrAKlh(R)≤AK≤AKs ~dN 1-2? c2AKm2 AK≥AK. l-R AK≤AK th (R) da c, Δ ml ßrAK lh (R) ≤AK≤AK s ~ dN 1-2? c 2 AK m2 AK≥AK. IR
Figure imgf000011_0001
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Werkstoffparameter sind bei dieser Formel ΔKth (R=0) , cl, ml, c2, m2. Die Werkstoffparameter werden aus der Kurve da/dN experimentell bestimmt, indem diese Parameter die Funktion optimal an die Messwerte anpassen (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 ange- gebene 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. With this formula, material parameters are ΔK th (R = 0), cl, ml, c2, m2. The material parameters are determined experimentally from the curve da / dN by optimally adapting the function to the measured values (interpolation). The value .DELTA.K S results from a double logarithmic plot of the curve from FIG. 9 from the intersection of two straight lines. No crack growth takes place below a certain value for the stress intensity factor K. At ΔK th one speaks of a threshold. If the temperature falls below this threshold, there is no crack growth. The formulas given above apply to loads above the threshold. The values for ΔK below the threshold value represent a high-frequency component of the mechanical stress, in which no errors usually grow. In the case of the low-frequency portion of the mechanical stress, the threshold value is exceeded and crack growth according to the above-mentioned formula takes place.

Claims

Patentansprüche claims
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 ein Risswachstum eines inneren Fehlers als Oberflächenfehler berechnet wird, wenn der innere Fehler bis zu einer äußeren Oberfläche des Bauteils gewachsen ist, und wobei der aktuelle Status des Risses abrufbar ist.1. Method for detecting the failure of a component of a machine, in particular a turbine, in which at least one operating parameter of the machine is recorded, which is used to calculate a crack growth of existing defects in the component, a crack growth of an internal defect being calculated as a surface defect, when the internal defect has grown to an external surface of the component and the current status of the crack can be called up.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass2. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
das Bauteil eine Turbinenschaufel, ein Gehäuse oder eine Welle einer Gasturbine ist.the component is a turbine blade, a housing or a shaft of a gas turbine.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass3. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
der zumindest eine Betriebsparameter eine Temperatur (T) , ein Druck (p) , eine Zyklenanzahl oder eine Frequenz (f) ist .the at least one operating parameter is a temperature (T), a pressure (p), a number of cycles or a frequency (f).
4. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass4. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
während der Lebensdauer des Bauteils (20) neu entstandene Fehler erkannt werden, für die ein Risswachstum berechnet wird. During the life of the component (20), newly generated errors are recognized for which crack growth is calculated.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass5. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
das Risswachstum innerer Fehler berechnet wird.the crack growth of internal defects is calculated.
6. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass6. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
das Risswachstum von Oberflächenfehlern berechnet wird.the crack growth of surface defects is calculated.
7. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass7. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
beim Risswachstum ein Rissverlauf eines inneren Fehlers als Oberflächenfehler weiter berechnet wird.in the case of crack growth, a crack course of an internal defect is further calculated as a surface defect.
8. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass8. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
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.When calculating a crack size that leads to the component soon failing, a parameter resulting from the calculation is set from “sufficient life” to “finished life”.
9. Computersystem, das Mittel umfasst, um ein Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche auszuführen.9. A computer system comprising means to carry out a method according to one or more of the preceding claims.
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. 10. Computer program with program code means to carry out all steps of any one of claims 1 to 8 when the program is executed on a computer.
1. 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. 1. Computer program product with program code means, which are stored on a computer readable data carrier, to carry out the method according to any one of claims 1 to 8, if the program product is stored on a computer.
PCT/EP2003/004273 2002-05-14 2003-04-24 Method for the status recognition of a mechanically stressed component, a computer system on which said method runs, a computer program comprising program code means, and a computer program product WO2003096280A1 (en)

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