WO2022152482A1 - Method for determining the estimated remaining number of loading cycles for a rotor disk - Google Patents

Method for determining the estimated remaining number of loading cycles for a rotor disk Download PDF

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WO2022152482A1
WO2022152482A1 PCT/EP2021/085426 EP2021085426W WO2022152482A1 WO 2022152482 A1 WO2022152482 A1 WO 2022152482A1 EP 2021085426 W EP2021085426 W EP 2021085426W WO 2022152482 A1 WO2022152482 A1 WO 2022152482A1
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test
fracture toughness
toughness values
areas
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Christian Amann
Axel Bublitz
Torsten Neddemeyer
Igor VARFOLOMEEV
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Siemens Energy Global GmbH & Co. KG
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Definitions

  • the invention relates to a method for determining the presumably remaining number of load changes on a rotor disk of a stationary turbine before the rotor disk fails, with the determination being made using experimentally obtained fracture toughness values of the metallic rotor disk material.
  • Rotors of stationary gas turbines are normally composed of a number of rotor disks which are connected to one another via a tie rod.
  • the mechanical integrity of the rotor or of the individual rotor disks plays a central role, since the rotor is exposed to high loads during gas turbine operation.
  • the maximum service life of the rotor before failure is limited on the one hand by the operating time and on the other hand by the number of load changes.
  • a load change occurs whenever the gas turbine is restarted or the load condition is changed during gas turbine operation.
  • the load on the rotor is highest when the gas turbine is restarted, which is why simple changes in the load condition during gas turbine operation are often ignored or ignored. be ignored .
  • a combination of 166 is typical.
  • the rotor discs usually have to be replaced.
  • the operating mode of gas turbines determines which of the two limit values is reached first. If the gas turbine is used to cover the base load, ie operated as a so-called base loader, the service life limit is generally reached first. If, on the other hand, the gas turbine is operated as a so-called peaker machine to cover peak loads, then the maximum service life of the rotor is limited by the number of load changes or by the number of starts.
  • the maximum permissible number of load changes/number of starts depends essentially on the fracture toughness of the rotor disk material. With increasing fracture toughness, higher starting numbers can be achieved.
  • the fracture toughness values for a rotor disk material are determined experimentally. In principle, material samples with sharp, artificially created cracks are used to determine the cracking capacity. Such specimens typically have a rectangular cross-section, a crack running through the specimen, and are loaded in either tension or bending. In the current description, reference is made to so-called C(T) ("Compact Tension") and M(T) (“Middle Tension”) samples.
  • C(T) specimen is a specimen with a one-sided crack and a load application line that is perpendicular to the plane of the crack but offset from the crack tip.
  • C (T) test specimens (“Compact Tension") or other test specimens with high constraint specified in the standard are used.
  • the fracture toughness values determined using this standard test method are then used for the redesign of the entire rotor disk or used for determining the estimated number of load changes remaining before failure of an existing rotor disk.
  • the redesign of a rotor disk and the determination of the estimated remaining number of load changes before failure of an existing rotor disc using fracture toughness values that are standard when performing an ASTM - Standard test methods were determined are known in principle, which is why they will not be discussed in detail again below.
  • the present invention creates a method for determining the expected remaining number of load changes of a rotor disk before it fails, with the redesign and/or determination being carried out using experimentally obtained fracture toughness values of the metal rotor disk material, crack toughness values at least in part are used, which are carried out using an ASTM standard test method, in particular using ASTM E 1820 or ASTM E 1921 Standard Test Method, using M(T) specimens. It has been shown that the determination of the likely remaining number of load changes of a rotor disc using fracture toughness values that are determined by carrying out an ASTM E 1820 or ASTM E 1921 standard test method with, for example, C(T) test specimens, represents a very conservative approach that offers great scope for optimization.
  • the transferability of the fracture toughness values determined according to the invention to critical areas of the rotor disk geometry, such as in the area of the blade attachment, the cooling air bores, the hub bore or the like, could be tested in the brittle-ductile area, for example, with local cleavage fracture models (Beremin) and in the ductile area with Gurson-Tvergaard-Needleman models (ductile material damage) can be demonstrated.
  • the fracture toughness values determined with M(T) test specimens are significantly higher than, for example, the fracture toughness values determined with C(T) test specimens, which also makes it possible to determine a significantly higher number of load changes or starting numbers leads .
  • the fracture toughness values obtained by carrying out an ASTM standard test method with M(T) test specimens are preferably used at least when considering areas of the rotor disk close to the surface, in particular when considering a surface area having the surfaces of blade grooves and/or cooling air bores and/or or a surface area forming the hub. Just these Surface areas are critical areas in terms of achieving high load change or starting numbers .
  • fracture toughness values are used for the observation of partial areas of the rotor disk that are far from the surface, which were determined by carrying out an ASTM standard test method in which a C(T) test body was used.
  • the geometry of the M(T) test specimens used to determine the fracture toughness values can be modified compared to the geometry of the standard M(T) test specimen, especially if the fracture toughness values of very tough rotor disk materials are to be determined, such as Crack toughness values of low-alloy steels such as 26NiCrMoV steels or the like.
  • the geometry of the M(T) test specimens used to determine the fracture toughness values is preferably modified in such a way that the M(T) test specimens used have a constant thickness, in particular a thickness of 10 mm, and that the test specimens have an average Have a minimum width area and a maximum width in the end areas, the central area being connected to the end areas via transition areas defining transition radii.
  • FIG. 1 shows a diagram that shows an example of fracture toughness values for a rotor disk material that were determined using ASTM E 1820 or ASTM E 1921 standard test method using C (T) test specimens on the one hand and M (T) test specimens on the other hand
  • FIG. 2 shows a schematic perspective view of a C(T) test body
  • FIG. 3 shows a schematic perspective view of a standard M(T) test body
  • FIG. 4 shows a schematic perspective view of an M(T) test body with modified geometry
  • FIG. 5 shows a schematic perspective view of another M(T) test body with modified geometry
  • Figure 6 is a front view of an exemplary rotor disk.
  • Figure 1 shows a diagram in which two curves 1 and 2 are drawn as an example, which show the course of the crack toughness in quasi-brittle or ductile crack initiation KJC or .
  • KJIC [MPa m A l /2] of a rotor disk material as a function of temperature [°C].
  • the fracture toughness values of the lower curve 1 were determined as part of an ASTM E 1820 or ASTM E 1921 Standard Test Method determined using C(T) specimens 3 .
  • C(T) test body 3 is shown in FIG. This has an essentially cuboid structure and is provided with a centrally arranged eroding notch 4 introduced on the side. Through holes 5 are formed on both sides of the eroding notch 4 and are used to clamp the C(T) test specimen 3 in a tensile machine according to ASTM E 1820, which is not shown in detail.
  • the test was carried out either using the multi-sample method or one-sample or Compliance Procedures.
  • the C(T) specimens 3 were swung to produce sharp initial cracks.
  • the C(T) test specimens 3 were individually clamped into the traction machine and loaded with loads of different magnitudes and then relieved again, with the loading leading to crack expansion. The specimens were then broken open in order to measure the corresponding crack extension. From the force-displacement measurement and the crack length, the so-called J integral or the KJIC value is determined.
  • the fracture toughness values of the upper curve 2 were determined within the framework of the previously described ASTM E 1820 and ASTM E 1921 standard test method, using 3 M(T) test pieces 6 instead of C(T) test pieces.
  • M(T) test body 6 which is a standard M(T) test body, is shown in FIG.
  • This has an essentially bone-shaped structure of constant width B, which comprises two end regions 7 and a central region 8 tapering uniformly in the direction of thickness D, which is connected to the end regions 7 via transition regions 9 each defining a transition radius R.
  • An eroding notch 4 is provided in the middle region 8 transversely to the longitudinal extent of the M(T) test body 6 .
  • Through holes 5 are formed in the end regions 7 on both sides of the eroding notch 4 and serve to clamp the M(T) test specimen 6 in a test device according to ASTM E 1820.
  • the fracture toughness values determined using the M(T) test specimens 6 were then used for some sections of the rotor disk to determine the expected number of load changes remaining before failure, specifically in the present case for sections of the rotor disk close to the surface, the surfaces of blade grooves and /or Have cooling air holes and/or form the hub of the rotor, since these sub-areas close to the surface are critical areas in terms of achieving high load change or Form starting numbers.
  • FIG. 6 shows a section of an exemplary rotor disk 10 with blade grooves 11 . The remaining number of load changes in rotor disk areas far from the surface was determined in the usual way using those fracture toughness values which were obtained using C(T) test specimens 3 .
  • a transient simulation of the temperature and stress states of a rotor disk was carried out, for example as part of an FEM analysis.
  • the defect size was then determined by means of ultrasonic testing, whereby the use of other non-destructive testing methods is also possible. In the event that no error was detected, an error just below the detection limit was assumed.
  • a predetermined crack geometry was modeled or assumes, for example, a crack geometry with an elliptical or straight crack front. Based on the initial crack geometry and the stress field, the stress intensity KI and AKI at the crack front was then calculated in the fourth step.
  • the differential equation da/dN was integrated to calculate the crack length a as a function of the number of load changes N .
  • a failure of the rotor disk was postulated if KI exceeds the fracture toughness KIC or KJIC exceeded .
  • FIG. 4 shows a modified M(T) test body 6, which is modified compared to the standard M(T) test body 6 shown in FIG. 3 in that it has a constant thickness D, in this case a thickness D of 10 mm , and that the central area 8 tapers in the direction of the width B . Accordingly, the end areas 7 have a maximum width Bmax and the middle area 8 has a minimum width Bmin.
  • FIG. 5 shows a further modified M(T) test body 6 which is modified compared to the test body 6 shown in FIG. 4 in that the transition radii R of the transition regions 9 are reduced.
  • the load changes determined using the method according to the invention or Starting numbers can not only be used to determine the remaining life of rotor disks, for example, in the context of maintenance work. Rather, they can also be used when designing a rotor disk for the first time.

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Abstract

The invention relates to a method for determining the estimated remaining number of loading cycles for a rotor disk of a static turbine, before failure of the rotor disk, this number being determined by using experimentally obtained crack toughness values for the metallic material of the rotor disk, wherein, at least in part, the crack toughness values used are obtained by carrying out an ASTM standard testing procedure in which M(T) testing bodies (6) are used.

Description

Beschreibung description
Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen einer Rotorscheibe Method for determining the probable remaining number of load changes of a rotor disk
Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen einer Rotorscheibe einer stationären Turbine bis zum Versagen der Rotorscheibe , wobei die Ermittlung unter Verwendung von experimentell gewonnenen Riss zähigkeitswerten des metallischen Rotorscheibenwerkstof fes erfolgt . The invention relates to a method for determining the presumably remaining number of load changes on a rotor disk of a stationary turbine before the rotor disk fails, with the determination being made using experimentally obtained fracture toughness values of the metallic rotor disk material.
Rotoren von stationären Gasturbinen sind normalerweise aus mehreren Rotorscheiben zusammengesetzt , die über einen Zuganker miteinander verbunden sind . Bei der Auslegung einer Gasturbine spielt die mechanische Integrität des Rotors beziehungsweise der einzelnen Rotorscheiben eine zentrale Rolle , da der Rotor während des Gasturbinenbetriebs hohen Belastungen ausgesetzt ist . Die maximale Lebensdauer des Rotors bis zum Versagen wird dabei einerseits durch die Betriebsdauer und andererseits durch die Anzahl von Laständerungen begrenzt . Eine Laständerung findet immer dann statt , wenn die Gasturbine neu gestartet oder der Lastzustand während des Gasturbinenbetriebs geändert wird . Die Belastung des Rotors ist beim Neustart der Gasturbine am höchsten, weshalb einfache Änderungen des Lastzustands während des Gasturbinenbetriebs häufig auch unberücksichtigt bleiben bzw . vernachlässigt werden . Typisch ist beispielsweise eine Kombination von 166 . 000 Betriebsstunden und einer Startzahl von 3 . 000 . Wird einer dieser Grenzwerte überschritten, so müssen die Rotorscheiben in der Regel ausgetauscht werden . Die Betriebsart von Gasturbinen entscheidet darüber, welcher der beiden Grenzwerte zuerst erreicht wird . Wird die Gasturbine zur Abdeckung der Grundlast eingesetzt , also als sogenannter Baseloader betrieben, wird in der Regel zuerst die Betriebsdauergrenze erreicht . Wird die Gasturbine hingegen als sogenannte Peaker-Maschine zum Abdecken von Spitzenlasten betrieben, so wird die maximale Lebens-dauer des Rotors durch die Anzahl der Laständerungen bzw. durch die Startzahl begrenzt. Rotors of stationary gas turbines are normally composed of a number of rotor disks which are connected to one another via a tie rod. When designing a gas turbine, the mechanical integrity of the rotor or of the individual rotor disks plays a central role, since the rotor is exposed to high loads during gas turbine operation. The maximum service life of the rotor before failure is limited on the one hand by the operating time and on the other hand by the number of load changes. A load change occurs whenever the gas turbine is restarted or the load condition is changed during gas turbine operation. The load on the rotor is highest when the gas turbine is restarted, which is why simple changes in the load condition during gas turbine operation are often ignored or ignored. be ignored . For example, a combination of 166 is typical. 000 operating hours and a number of starts of 3 . 000 . If one of these limit values is exceeded, the rotor discs usually have to be replaced. The operating mode of gas turbines determines which of the two limit values is reached first. If the gas turbine is used to cover the base load, ie operated as a so-called base loader, the service life limit is generally reached first. If, on the other hand, the gas turbine is operated as a so-called peaker machine to cover peak loads, then the maximum service life of the rotor is limited by the number of load changes or by the number of starts.
Die Gasturbinen vieler Kraftwerke wurden anfangs vornehmlich als Baseloader eingesetzt, weshalb bei der Auslegung und Ermittlung der verbleibenden Lebensdauer von Rotorscheiben bislang in erster Linie die Betriebsdauer im Vordergrund stand. In jüngerer Vergangenheit gewinnt aber immer mehr eine möglichst hohe Anzahl von Laständerungen bzw. eine möglichst hohe Startzahl an Bedeutung, da die Gasturbinen aufgrund des stetig zunehmenden Anteils erneuerbarer Energien zunehmend als Peaker-Maschinen eingesetzt werden. The gas turbines of many power plants were initially used primarily as base loaders, which is why the service life was the primary focus when designing and determining the remaining service life of rotor disks. In the recent past, however, the highest possible number of load changes or the highest possible number of starts has become increasingly important, since the gas turbines are increasingly being used as peaker machines due to the constantly increasing proportion of renewable energies.
Die maximal zulässige Anzahl von Laständerungen/Start zahl hängt wesentlich von der Risszähigkeit des Rotorscheibenwerkstoffes ab. Mit zunehmender Risszähigkeit können höhere Startzahlen erzielt werden. Die Risszähigkeitswerte für einen Rotorscheibenwerkstoff werden experimentell ermittelt. Für die Ermittlung der Rissf ähigkeit werden grundsätzlich Werkstoffproben mit scharfen, künstlich angebrachten Anrissen verwendet. Solche Proben haben in der Regel einen rechteckigen Querschnitt, einen durch die ganze Probe hindurchgehenden Riss und werden entweder unter Zug oder unter Biegung belastet. In der aktuellen Beschreibung wird Bezug auf sogenannte C(T)- („Compact Tension") und M(T) („Middle Tension" ) -Proben genommen. Eine C(T) -Probe ist eine Probe mit einem einseitigen Riss und einer Lasteinleitungslinie, die senkrecht zur Rissebene jedoch versetzt zur Rissspitze verläuft. Obwohl diese Probe unter Zug belastet wird, ergibt sich an der Riss- spitze, bedingt durch einen vergleichsweise großen Abstand von der Lastlinie zur Rissspitze, vorwiegend Biegebeanspruchung. In Kombination mit einem tiefen Riss führt das zu einer hohen Spannungsmehrachsigkeit (Constraint) an der Rissspitze. Im Unterschied zu einer C(T) -Probe hat eine M(T)- Probe einen Mittenriss mit zwei Rissspitzen. Da die Lastlinie über die Rissmitte verläuft werden die beiden Rissspitzen nahezu gleich und vorwiegend durch Zug beansprucht. Dies führt zu einem geringen Constraint. ASTM E 1820 definiert ein Stan- dard-Prüfverf ahren, das unter Verwendung ebenfalls standardisierter Prüfkörper mit hohem Constraint durchgeführt wird . Als Prüfkörper können gemäß der derzeit geltenden Fassung ASTM E 1820- 08a bzw . ASTM E 1921 , C ( T ) -Prüf körper ( „Compact Tension" ) oder andere in der Norm genannte Prüfkörper mit hohem Constraint zum Einsatz kommen . Die unter Durchführung dieses Standard-Prüfverfahrens ermittelten Riss zähigkeitswer- te werden dann für die Neuauslegung der gesamten Rotorscheibe oder für die Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen einer bestehenden Rotorscheibe bis zum Versagen verwendet . Die Neuauslegung einer Rotorscheibe und die Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen einer bestehenden Rotorscheibe bis zum Versagen unter Verwendung von Riss zähigkeitswerten, die standardmäßig unter Durchführung eines ASTM-Standardprüfverf ährens ermittelt wurden, sind grundsätzlich bekannt , weshalb nachfolgend darauf im Detail nicht erneut eingegangen werden soll . The maximum permissible number of load changes/number of starts depends essentially on the fracture toughness of the rotor disk material. With increasing fracture toughness, higher starting numbers can be achieved. The fracture toughness values for a rotor disk material are determined experimentally. In principle, material samples with sharp, artificially created cracks are used to determine the cracking capacity. Such specimens typically have a rectangular cross-section, a crack running through the specimen, and are loaded in either tension or bending. In the current description, reference is made to so-called C(T) ("Compact Tension") and M(T) ("Middle Tension") samples. A C(T) specimen is a specimen with a one-sided crack and a load application line that is perpendicular to the plane of the crack but offset from the crack tip. Although this specimen is loaded in tension, the crack tip is predominantly subjected to bending stress due to the comparatively large distance between the load line and the crack tip. In combination with a deep crack, this leads to a high stress multiaxiality (constraint) at the crack tip. In contrast to a C(T) sample, an M(T) sample has a central crack with two crack tips. Since the load line runs across the center of the crack, the two crack tips are almost equally stressed and predominantly in tension. This leads to a small constraint. ASTM E 1820 defines a standard standard test method, which is also carried out using standardized test specimens with a high constraint. According to the currently valid version ASTM E 1820-08a or ASTM E 1921, C (T) test specimens ("Compact Tension") or other test specimens with high constraint specified in the standard are used. The fracture toughness values determined using this standard test method are then used for the redesign of the entire rotor disk or used for determining the estimated number of load changes remaining before failure of an existing rotor disk The redesign of a rotor disk and the determination of the estimated remaining number of load changes before failure of an existing rotor disc using fracture toughness values that are standard when performing an ASTM - Standard test methods were determined are known in principle, which is why they will not be discussed in detail again below.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen einer Rotorscheibe bereitzustellen, das bei der Neuauslegung von Rotorscheiben ebenso wie bei Ermittlung der verbleibenden Lebensdauer einer bestehenden Rotorscheibe eingesetzt werden kann . Proceeding from this state of the art, it is an object of the present invention to provide an improved method for determining the number of load changes that are likely to remain on a rotor disk, which method can be used when designing new rotor disks or determining the remaining service life of an existing rotor disk.
Zur Lösung dieser Aufgabe schaf ft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen einer Rotorscheibe bis zum Versagen, wobei die Neuauslegung und/oder Ermittlung unter Verwendung von experimentell gewonnenen Riss zähigkeitswerten des metallischen Rotorscheibenwerkstof fes erfolgt , wobei zumindest teilweise Riss zähigkeitswerte verwendet werden, die unter Durchführung eines ASTM-Standardprüfverf ährens , insbesondere unter Durchführung des ASTM E 1820 bzw . ASTM E 1921- Standardprüfverf ährens , gewonnen wurden, bei dem M ( T ) -Prüfkörper eingesetzt wurden . Es hat sich gezeigt , dass die Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen einer Rotorscheibe unter Verwendung von Riss zähigkeitswerten, die unter Durchführung eines ASTM E 1820 bzw . ASTM E 1921 Standardprüfverfahrens mit beispielsweise C ( T ) -Prüf körpern ermittelt wurden, einen sehr konservativen Ansatz darstellt , der großen Optimierungsspielraum bietet . Vor diesem Hintergrund wurde nach einem alternativen Verfahren gesucht , mit dem sich die voraussichtlich verbleibende Anzahl von Laständerungen einer Rotorscheibe realitätsnäher und dennoch konservativ ermitteln lässt . Dabei hat sich herausgestellt , dass die Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen unter Verwendung von Riss zähigkeitswerten von Rotorscheibenwerkstof fen, die unter Durchführung des Standardprüfverfahrens mit M ( T ) -Prüf körpern, die einen geringeren Constraint als beispielsweise C ( T ) -Prüf körper aufweisen, ermittelt wurden, eine sehr gute Alternative darstellt . Die Übertragbarkeit der erfindungsgemäß ermittelten Riss zähigkeitswerte auf kritische Bereiche der Rotorscheibengeometrie , wie beispielsweise im Bereich der Schaufelbefestigung, der Kühlluftbohrungen, der Nabenbohrung oder dergleichen, konnte im sprödduktilen Bereich beispielsweise mit lokalen Spaltbruchmodellen (Beremin) und im duktilen Bereich mit Gurson-Tvergaard-Needleman-Model- len ( duktile Materialschädigung) nachgewiesen werden . Die mit M ( T ) -Prüf körpern ermittelten Riss zähigkeitswerte sind deutlich höher als beispielsweise die mit C ( T ) -Prüf körpern ermittelten Riss zähigkeitswerte , was auch zur Ermittlung deutlich höherer Anzahlen von Lastwechseln bzw . Startzahlen führt . In order to solve this problem, the present invention creates a method for determining the expected remaining number of load changes of a rotor disk before it fails, with the redesign and/or determination being carried out using experimentally obtained fracture toughness values of the metal rotor disk material, crack toughness values at least in part are used, which are carried out using an ASTM standard test method, in particular using ASTM E 1820 or ASTM E 1921 Standard Test Method, using M(T) specimens. It has been shown that the determination of the likely remaining number of load changes of a rotor disc using fracture toughness values that are determined by carrying out an ASTM E 1820 or ASTM E 1921 standard test method with, for example, C(T) test specimens, represents a very conservative approach that offers great scope for optimization. Against this background, an alternative method was sought with which the likely remaining number of load changes on a rotor disk can be determined more realistically and yet conservatively. It turned out that the determination of the probable remaining number of load changes using fracture toughness values of rotor disk materials, which are carried out using the standard test method with M (T) test specimens, which have a lower constraint than, for example, C (T) test specimens have, have been determined, represents a very good alternative. The transferability of the fracture toughness values determined according to the invention to critical areas of the rotor disk geometry, such as in the area of the blade attachment, the cooling air bores, the hub bore or the like, could be tested in the brittle-ductile area, for example, with local cleavage fracture models (Beremin) and in the ductile area with Gurson-Tvergaard-Needleman models (ductile material damage) can be demonstrated. The fracture toughness values determined with M(T) test specimens are significantly higher than, for example, the fracture toughness values determined with C(T) test specimens, which also makes it possible to determine a significantly higher number of load changes or starting numbers leads .
Bevorzugt werden die unter Durchführung eines ASTM-Standard- prüfverf ährens mit M ( T ) -Prüf körpern gewonnenen Riss zähigkeitswerte zumindest bei der Betrachtung oberflächennaher Bereiche der Rotorscheibe verwendet , insbesondere bei der Betrachtung eines die Oberflächen von Schaufelnuten und/oder Kühlluftbohrungen aufweisenden Oberflächenbereiches und/oder eines die Nabe bildenden Oberflächenbereiches . Gerade diese Oberflächenbereiche sind kritische Bereiche bezogen auf die Erzielung hoher Laständerungs- bzw . Startzahlen . The fracture toughness values obtained by carrying out an ASTM standard test method with M(T) test specimens are preferably used at least when considering areas of the rotor disk close to the surface, in particular when considering a surface area having the surfaces of blade grooves and/or cooling air bores and/or or a surface area forming the hub. Just these Surface areas are critical areas in terms of achieving high load change or starting numbers .
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden für die Betrachtung oberflächenferner Teilbereiche der Rotorscheibe Riss zähigkeitswerte verwendet , die unter Durchführung eines ASTM-Standardprüfverf ährens ermittelt wurden, bei dem ein C ( T ) -Prüf körper eingesetzt wurde . According to one embodiment of the method according to the invention, fracture toughness values are used for the observation of partial areas of the rotor disk that are far from the surface, which were determined by carrying out an ASTM standard test method in which a C(T) test body was used.
Die Geometrie der zur Ermittlung der Riss zähigkeitswerte eingesetzten M ( T ) -Prüf körper kann gegenüber der Geometrie des Standard-M ( T ) -Prüf körpers modi fi ziert sein, insbesondere wenn Riss zähigkeitswerte von sehr zähen Rotorscheibenwerkstof fen ermittelt werden sollen, wie beispielsweise Riss zähigkeitswerte niedriglegierter Stähle wie 26NiCrMoV-Stähle oder dergleichen . The geometry of the M(T) test specimens used to determine the fracture toughness values can be modified compared to the geometry of the standard M(T) test specimen, especially if the fracture toughness values of very tough rotor disk materials are to be determined, such as Crack toughness values of low-alloy steels such as 26NiCrMoV steels or the like.
Die Geometrie der zur Ermittlung der Riss zähigkeitswerte eingesetzten M ( T ) -Prüf körper ist bevorzugt dahingehend modi fiziert , dass die eingesetzten M ( T ) -Prüf körper eine konstante Dicke aufweisen, insbesondere eine Dicke von 10mm, und dass die Prüfkörper in einem mittleren Bereich eine minimale Breite und in Endbereichen eine maximale Breite aufweisen, wobei der mittlere Bereich mit den End-bereichen über Übergangsradien definierende Übergangsbereiche verbunden ist . The geometry of the M(T) test specimens used to determine the fracture toughness values is preferably modified in such a way that the M(T) test specimens used have a constant thickness, in particular a thickness of 10 mm, and that the test specimens have an average Have a minimum width area and a maximum width in the end areas, the central area being connected to the end areas via transition areas defining transition radii.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich . Darin ist Further advantages and features of the present invention become clear from the following description with reference to the attached drawing. inside is
Figur 1 ein Diagramm, das beispielhaft Riss zähigkeitswerte eines Rotorscheibenwerkstof fes zeigt , die unter Durchführung eines ASTM E 1820 bzw . ASTM E 1921- Standardprüfverf ährens einerseits mit C ( T ) -Prüf körpern und andererseits mit M ( T ) -Prüf körpern ermittelt wurden, Figur 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines C ( T ) -Prüfkörpers ; FIG. 1 shows a diagram that shows an example of fracture toughness values for a rotor disk material that were determined using ASTM E 1820 or ASTM E 1921 standard test method using C (T) test specimens on the one hand and M (T) test specimens on the other hand, FIG. 2 shows a schematic perspective view of a C(T) test body;
Figur 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines Standard-M ( T ) -Prüfkörpers ; FIG. 3 shows a schematic perspective view of a standard M(T) test body;
Figur 4 eine schematische perspektivische Ansicht eines M ( T ) -Prüf körpers mit modi fi zierter Geometrie ; FIG. 4 shows a schematic perspective view of an M(T) test body with modified geometry;
Figur 5 eine schematische perspektivische Ansicht eines weiteren M ( T ) -Prüf körpers mit modi fi zierter Geometrie und FIG. 5 shows a schematic perspective view of another M(T) test body with modified geometry and
Figur 6 eine Vorderansicht einer beispielhaften Rotorschei- be . Figure 6 is a front view of an exemplary rotor disk.
Nachfolgend beziehen sich gleiche Bezugs zi f fern auf gleiche oder gleichartige Bauteile bzw . Bauteilbereiche . In the following, the same reference numerals refer to the same or similar components or components. component areas .
Figur 1 zeigt ein Diagramm, in dem beispielhaft zwei Kurven 1 und 2 eingezeichnet sind, welche den Verlauf der Riss zähig- keit bei quasi-spröder bzw . duktiler Risseinleitung KJC bzw . KJIC [MPa mA l /2 ] eines Rotorscheibenwerkstof fes in Abhängigkeit von der Temperatur [ ° C ] repräsentieren . Figure 1 shows a diagram in which two curves 1 and 2 are drawn as an example, which show the course of the crack toughness in quasi-brittle or ductile crack initiation KJC or . KJIC [MPa m A l /2] of a rotor disk material as a function of temperature [°C].
Die Riss zähigkeitswerte der unteren Kurve 1 wurden im Rahmen eines ASTM E 1820 bzw . ASTM E 1921-Standardprüfverf ährens unter Verwendung von C ( T ) -Prüf körpern 3 ermittelt . Einen solchen C ( T ) -Prüf körper 3 zeigt Figur 2 . Dieser weist einen im wesentlichen quaderförmigen Aufbau auf und ist mit einer seitlich eingebrachten, mittig angeordneten Erodierkerbe 4 versehen . Beidseitig der Erodierkerbe 4 sind Durchgangslöcher 5 ausgebildet , die dazu dienen, den C ( T ) -Prüf körper 3 in einer nicht näher dargestellten Zugmaschine gemäß ASTM E 1820 einzuspannen . Die Versuchsdurchführung erfolgte wahlweise nach dem Mehrprobenverfahren oder Einproben- bzw . Compliance- Verfahren . Die C ( T ) -Prüf körper 3 wurden angeschwungen, um scharfe Anfangsrisse zu erzeugen . In einem weiteren Schritt wurden die C ( T ) -Prüf körper 3 einzeln in die Zugmaschine eingespannt und mit unterschiedlich hohen Lasten belastet und danach wieder entlastet , wobei die Belastung zu einer Riss- erweiterung führte . Anschließend wurden die Proben auf gebrochen, um die entsprechende Risserweiterung zu vermessen . Aus der Kraft-Verschiebungsmessung und der Risslänge wurde dann in bekannter Weise das sogenannte J- Integral bzw . der KJIC- Wert bestimmt . The fracture toughness values of the lower curve 1 were determined as part of an ASTM E 1820 or ASTM E 1921 Standard Test Method determined using C(T) specimens 3 . Such a C(T) test body 3 is shown in FIG. This has an essentially cuboid structure and is provided with a centrally arranged eroding notch 4 introduced on the side. Through holes 5 are formed on both sides of the eroding notch 4 and are used to clamp the C(T) test specimen 3 in a tensile machine according to ASTM E 1820, which is not shown in detail. The test was carried out either using the multi-sample method or one-sample or Compliance Procedures. The C(T) specimens 3 were swung to produce sharp initial cracks. In a further step the C(T) test specimens 3 were individually clamped into the traction machine and loaded with loads of different magnitudes and then relieved again, with the loading leading to crack expansion. The specimens were then broken open in order to measure the corresponding crack extension. From the force-displacement measurement and the crack length, the so-called J integral or the KJIC value is determined.
Die Riss zähigkeitswerte der oberen Kurve 2 wurden im Rahmen des zuvor beschriebenen ASTM E 1820 bzw . ASTM E 1921-Stan- dardprüfverf ährens ermittelt , wobei anstelle von C ( T ) -Prüfkörpern 3 M ( T ) -Prüf körper 6 verwendet wurden . Einen solchen M ( T ) -Prüf körper 6 , bei dem es sich um einen Standard-M ( T ) - Prüfkörper handelt , zeigt Figur 3 . Dieser weist einen im wesentlichen knochenförmigen Aufbau konstanter Breite B auf , der zwei Endbereichen 7 und einen sich gleichmäßig in Richtung der Dicke D verj üngt ausgebildeten mittleren Bereich 8 umfasst , der über j eweils einen Übergangsradius R definierende Übergangsbereiche 9 mit den Endbereichen 7 verbunden ist . Im mittleren Bereich 8 ist mittig quer zur Längserstreckung des M ( T ) -Prüf körpers 6 eine Erodierkerbe 4 vorgesehen . Beidseitig der Erodierkerbe 4 sind in den Endbereichen 7 Durchgangslöcher 5 ausgebildet , die dazu dienen, den M ( T ) -Prüf körper 6 in einer Prüfvorrichtung gemäß ASTM E 1820 einzuspannen . The fracture toughness values of the upper curve 2 were determined within the framework of the previously described ASTM E 1820 and ASTM E 1921 standard test method, using 3 M(T) test pieces 6 instead of C(T) test pieces. Such an M(T) test body 6, which is a standard M(T) test body, is shown in FIG. This has an essentially bone-shaped structure of constant width B, which comprises two end regions 7 and a central region 8 tapering uniformly in the direction of thickness D, which is connected to the end regions 7 via transition regions 9 each defining a transition radius R. An eroding notch 4 is provided in the middle region 8 transversely to the longitudinal extent of the M(T) test body 6 . Through holes 5 are formed in the end regions 7 on both sides of the eroding notch 4 and serve to clamp the M(T) test specimen 6 in a test device according to ASTM E 1820.
Der Vergleich beider Kurven 1 und 2 zeigt , dass die unter Verwendung der M ( T ) -Prüf körper 6 ermittelten Riss zähigkeitswerte deutlich höher aus fallen als die unter Verwendung der C ( T ) -Prüf körper 3 ermittelten Riss zähigkeitswerte . The comparison of both curves 1 and 2 shows that the fracture toughness values determined using the M(T) test specimen 6 are significantly higher than the fracture toughness values determined using the C(T) test specimen 3.
Erfindungsgemäß wurden die unter Verwendung der M ( T ) -Prüf körper 6 ermittelten Riss zähigkeitswerte dann für einige Teilbereiche der Rotorscheibe zur Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen bis zum Versagen verwendet , und zwar vorliegend für oberflächennahe Teilbereiche der Rotorscheibe , die Oberflächen von Schaufelnuten und/oder Kühlluftbohrungen aufweisen und/oder die Nabe des Rotors bilden, da diese oberflächennahen Teilbereiche kritische Bereiche bezogen auf die Erzielung hoher Laständerungs- bzw . Startzahlen bilden . Einen Ausschnitt einer beispielhaften Rotorscheibe 10 mit Schaufelnuten 11 zeigt Figur 6 . Die verbleibende Anzahl von Laständerungen oberflächenferner Rotorscheibenbereiche wurde in gewohnter Weise unter Verwendung derj enigen Riss zähigkeitswerte ermittelt , die unter Verwendung von C ( T ) -Prüf körpern 3 gewonnen wurden . According to the invention, the fracture toughness values determined using the M(T) test specimens 6 were then used for some sections of the rotor disk to determine the expected number of load changes remaining before failure, specifically in the present case for sections of the rotor disk close to the surface, the surfaces of blade grooves and /or Have cooling air holes and/or form the hub of the rotor, since these sub-areas close to the surface are critical areas in terms of achieving high load change or Form starting numbers. FIG. 6 shows a section of an exemplary rotor disk 10 with blade grooves 11 . The remaining number of load changes in rotor disk areas far from the surface was determined in the usual way using those fracture toughness values which were obtained using C(T) test specimens 3 .
Zur Ermittlung der verbleibenden Anzahl von Laständerungen wurden in bekannter Weise mehrere Schritte durchgeführt . In einem ersten Schritt erfolgte vorliegend eine transiente Simulation der Temperatur- und Spannungs zustände einer Rotorscheibe , beispielsweise im Rahmen einer FEM-Analyse . In einem zweiten Schritt wurde dann die Fehlergröße mittels Ultraschallprüfung ermittelt , wobei grundsätzlich auch der Einsatz anderer zerstörungs freier Prüfverfahren möglich ist . Für den Fall , dass kein Fehler detektiert wurde , wurde ein Fehler gerade unterhalb der Detektionsgrenze unterstellt . In einem dritten Schritt wurde eine vorbestimmte Rissgeometrie modelliert bzw . unterstellt , beispielsweise eine Rissgeometrie mit elliptischer oder gerader Riss front . Basierend auf der initialen Rissgeometrie und dem Spannungs feld wurde dann im vierten Schritt die Spannungsintensität KI und AKI an der Rissfront berechnet . Im fünften Schritt erfolgte dann die Integration der Di f ferentialgleichung da/dN zur Berechnung der Risslänge a als Funktion der Anzahl der Laständerungen N . Ein Versagen der Rotorscheibe wurde postuliert , wenn KI die Riss- zähigkeit KIC bzw . KJIC überstieg . To determine the remaining number of load changes, several steps were carried out in a known manner. In a first step, a transient simulation of the temperature and stress states of a rotor disk was carried out, for example as part of an FEM analysis. In a second step, the defect size was then determined by means of ultrasonic testing, whereby the use of other non-destructive testing methods is also possible. In the event that no error was detected, an error just below the detection limit was assumed. In a third step, a predetermined crack geometry was modeled or assumes, for example, a crack geometry with an elliptical or straight crack front. Based on the initial crack geometry and the stress field, the stress intensity KI and AKI at the crack front was then calculated in the fourth step. In the fifth step, the differential equation da/dN was integrated to calculate the crack length a as a function of the number of load changes N . A failure of the rotor disk was postulated if KI exceeds the fracture toughness KIC or KJIC exceeded .
Im Ergebnis wirkt sich die erfindungsgemäße Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen einer Rotorscheibe einer stationären Turbine bis zum Versagen dahingehend aus , dass sich höhere Startzahlen bzw . höhere Anzahlen verbleibender Laständerungen ergeben, was zu einer Reduzierung der Kosten führt , da der Rotor erst zu einem späte- ren Zeitpunkt ausgetauscht werden muss , wenn die Gasturbine als Peaker-Maschine betrieben wird . As a result, the determination according to the invention of the presumably remaining number of load changes of a rotor disk of a stationary turbine until failure has the effect that higher starting numbers or higher numbers of remaining load changes result, which leads to a reduction in costs, since the rotor only starts at a later ren date must be replaced when the gas turbine is operated as a peaker machine.
Im Rahmen weiterer Versuche wurde ferner festgestellt , dass es sich insbesondere bei zähen Rotorscheibenwerkstof fen anbieten kann, die Geometrie eines in Figur 3 gezeigten M ( T ) - Prüfkörpers 6 zu modi fi zieren . Figur 4 zeigt einen modi fizierten M ( T ) -Prüf körper 6 , der gegenüber dem in Figur 3 gezeigten Standard-M ( T ) -Prüf körper 6 dahingehend geändert ist , dass dieser eine konstante Dicke D aufweist , vorliegend eine Dicke D von 10mm, und dass sich der mittlere Bereich 8 in Richtung der Breite B verj üngt . Endsprechend weisen die Endbereiche 7 eine maximale Breite Bmax und der mittlere Bereich 8 eine minimale Breite Bmin auf . Figur 5 zeigt einen weiter modi fi zierten M ( T ) -Prüf körper 6 , der gegenüber dem in Figur 4 gezeigten Prüfkörper 6 dahingehend geändert ist , dass die Übergangsradien R der Übergangsbereiche 9 verkleinert sind . In the course of further tests, it was also determined that, particularly in the case of tough rotor disk materials, it may be advisable to modify the geometry of an M(T) test body 6 shown in FIG. FIG. 4 shows a modified M(T) test body 6, which is modified compared to the standard M(T) test body 6 shown in FIG. 3 in that it has a constant thickness D, in this case a thickness D of 10 mm , and that the central area 8 tapers in the direction of the width B . Accordingly, the end areas 7 have a maximum width Bmax and the middle area 8 has a minimum width Bmin. FIG. 5 shows a further modified M(T) test body 6 which is modified compared to the test body 6 shown in FIG. 4 in that the transition radii R of the transition regions 9 are reduced.
Es sei darauf hingewiesen, dass die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Laständerungs zahlen bzw . Startzahlen nicht nur dazu verwendet werden können, beispielsweise im Rahmen von Wartungsarbeiten die Restlebensdauer von Rotorscheiben zu bestimmen . Vielmehr können diese auch bei der erstmaligen Auslegung einer Rotorscheibe verwendet werden . It should be noted that the load changes determined using the method according to the invention or Starting numbers can not only be used to determine the remaining life of rotor disks, for example, in the context of maintenance work. Rather, they can also be used when designing a rotor disk for the first time.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Aus führungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen . Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred exemplary embodiment, the invention is not restricted by the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by a person skilled in the art without departing from the protective scope of the invention.

Claims

Patentansprüche patent claims
1 . Verfahren zur Ermittlung der voraussichtlich verbleibenden Anzahl von Laständerungen einer Rotorscheibe einer stationären Turbine bis zum Versagen der Rotorscheibe , wobei die Ermittlung unter Verwendung von experimentell gewonnenen Riss zähigkeitswerten des metallischen Rotorscheibenwerkstof fes erfolgt , wobei zumindest teilweise Riss zähigkeitswerte verwendet werden, die unter Durchführung eines ASTM-Standardprüf- verfahrens gewonnen wurden, bei dem M ( T ) -Prüf körper ( 6 ) eingesetzt wurden . 1 . Method for determining the expected remaining number of load changes of a rotor disk of a stationary turbine until failure of the rotor disk, the determination being made using experimentally obtained fracture toughness values of the metallic rotor disk material, wherein at least some fracture toughness values are used which are determined by carrying out an ASTM Standard test method were obtained in the M (T) test specimen (6) were used.
2 . Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die unter Durchführung eines ASTM-Standardprüfverf ährens mit M ( T ) -Prüf körpern ( 6 ) gewonnenen Riss zähigkeitswerte zumindest bei der Betrachtung oberflächennaher Bereiche der Rotorscheibe verwendet werden, insbesondere bei der Betrachtung eines die Oberflächen von Schaufelnuten und/oder Kühlluftbohrungen aufweisenden Oberflächenbereiches und/oder eines die Nabe bildenden Oberflächenbereiches . 2 . Method according to Claim 1, characterized in that the fracture toughness values obtained by carrying out an ASTM standard test method with M (T) test specimens ( 6 ) are used at least when considering near-surface areas of the rotor disk, in particular when considering one of the surfaces of Surface area having blade grooves and/or cooling air bores and/or a surface area forming the hub.
3 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass bei der Betrachtung oberflächenferner Teilbereiche der Rotorscheibe Riss zähigkeitswerte verwendet werden, die unter Durchführung eines ASTM-Standardprüfverf ährens ermittelt wurden, bei dem ein C ( T ) -Prüf körper ( 3 ) eingesetzt wurde . 3 . Method according to one of the preceding claims, characterized in that when considering partial areas of the rotor disk that are farther from the surface, fracture toughness values are used which were determined using an ASTM standard test method in which a C(T) test body (3) was used.
4 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass die Geometrie der zur Ermittlung der Riss zähigkeitswerte eingesetzten M ( T ) -Prüf körper ( 6 ) gegenüber der Geometrie des Standard-M ( T ) -Prüf körpers ( 6 ) modi fi ziert ist . Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der zur Ermittlung der Risszähigkeitswerte eingesetzten M ( T ) -Prüf körper (6) dahingehend modifiziert ist, dass die eingesetzten M ( T ) -Prüf körper (6) eine konstante Dicke (D) aufweisen, insbesondere eine Dicke (D) von 10mm, und dass die Prüfkörper (6) in einem mittleren Bereich (8) eine minimale Breite (Bmin) und in Endbereichen (7) eine maximale Breite (Bmax) aufweisen, wobei der mittlere Bereich (8) mit den Endbereichen (7) über Übergangsradien (R) definierende Übergangsbereiche (9) verbunden ist. 4 . Method according to one of the preceding claims, characterized in that the geometry of the M(T) test specimen (6) used to determine the fracture toughness values is modified compared to the geometry of the standard M(T) test specimen (6). . Method according to Claim 4, characterized in that the geometry of the M ( T ) test specimens (6) used to determine the fracture toughness values is modified in such a way that the M ( T ) test specimens (6) used have a constant thickness (D) have, in particular a thickness (D) of 10 mm, and that the test specimens (6) have a minimum width (Bmin) in a middle area (8) and a maximum width (Bmax) in end areas (7), the middle area ( 8) is connected to the end areas (7) via transition areas (9) defining transition radii (R).
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