способ и устройство для распознавания состояния ротора машины для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию

Формула изобретения

1. Ротор (3) машины для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию, который в раскрытом состоянии имеет видимую снаружи контрольную зону (29), в которой в процессе работы машины возникает относительно некритичная нагрузка, и который в раскрытом состоянии имеет невидимую снаружи зону (37) наблюдения, в которой в процессе работы машины возникает относительно критичная нагрузка,

с расположенным в контрольной зоне (29) ослабленным участком (31) типа заданного места разрыва, который выполнен как насечка (32),

отличающийся тем, что для ограничения ослабленного участка (31) предусмотрена выемка (34), в частности разгрузочное отверстие (35), в которой может оканчиваться некритичный дефект (39).

2. Ротор (3) по п.1, отличающийся тем, что ослабленный участок (31) выполнен на кольцевом балконе таким образом, что на нем при работе машины возникают нагрузки, направленные в окружном направлении.

3. Ротор (3) по п.1 или 2, отличающийся тем, что ротор (3) имеет несколько роторных дисков (19) и, по меньшей мере, одну стягивающую роторные диски стяжку (10).

4. Ротор (3) по п.1 или 2, отличающийся тем, что ротор (3) выполнен цельным, в частности сварным.

5. Ротор (3) по п.4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один ослабленный участок (31) предусмотрен на, по меньшей мере, одном из роторных дисков на торцевой стороне.

6. Ротор (3) по п.5, отличающийся тем, что ротор (3) имеет несколько ослабленных участков (31) на одном роторном диске (19) или распределенных на нескольких роторных дисках (19) и для последовательного осмотра ослабленные участки (31) с относящимися к ним выемками (34) выполняются по-разному таким образом, что для каждого осмотра накопленная до момента времени осмотра совокупность нагрузок в контрольной зоне обуславливает сопоставимый рост трещины.

7. Ротор (3) по п.6, отличающийся тем, что зона (37) наблюдения граничит со ступицей (36) роторного диска (19).

8. Машина для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию с ротором (3), отличающаяся тем, что ротор (3) выполнен согласно пп.1-7.

9. Машина по п.8, отличающаяся тем, что упомянутая машина выполнена как компрессор (5), как газовая турбина (1) или как паровая турбина.

10. Способ распознавания состояния раскрытого ротора (3) машины для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию,

который в раскрытом состоянии имеет видимую снаружи контрольную зону (29), в которой в процессе работы машины возникает относительно некритичная нагрузка, и

который в раскрытом состоянии имеет невидимую снаружи зону (37) наблюдения, в которой в процессе работы машины возникает относительно критичная нагрузка,

отличающийся тем, что сначала исследуют контрольную зону (29) ротора (3) на наличие некритичного дефекта (39) в виде трещины (40) и при наличии некритичного дефекта (39) состояние ротора (3) оценивают как «требующее проверки», если возникшая в контрольной зоне (29) трещина (40) имеет длину а, которая превышает предельное значение.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что после оценивания состояния как «требующего проверки» ротор (3) разбирают.

12. Способ по п.10 или 11, в котором ротор выполнен по любому из пп.1-7.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ротору машины для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию, который в раскрытом состоянии имеет наблюдаемую снаружи контрольную зону, в которой в процессе работы машины возникает относительно некритичная нагрузка, и который в раскрытом состоянии имеет ненаблюдаемую снаружи контрольную зону, в которой в процессе работы машины возникает относительно критичная нагрузка, с расположенным в контрольной зоне заданным ослабленным участком, который выполнен в виде насечки. Кроме того, изобретение также относится к машине для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию согласно родовому понятию пункта 8 и к способу для распознавания состояния ротора машины для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию согласно родовому понятию пункта 10.

Из документа DE 19962735 А1 известен способ контроля состояния ползучести вращающихся компонентов компрессорной ступени или турбинной ступени. В этом способе, по меньшей мере, один тестовый элемент закрепляется на контролируемом компоненте в зоне, где проявляются сравнимые температуры и рабочие нагрузки. Спустя предварительно определенное время работы проверяется состояние ползучести тестового элемента, чтобы отсюда получить информацию о контролируемых компонентах. Тестовый элемент выполняется как частично суженная полоска листового материала, которая приварена на торцевой стороне в зоне пазов для крепления лопаток турбины на роторном диске. Показанная в нем форма выполнения имеет недостатки, заключающиеся в том, что полоски листового материала в процессе эксплуатации могут сломаться, что, в свою очередь, может привести к повреждению газовой турбины.

Кроме того, известно, что компоненты ротора газовой турбины уже перед их монтажом на месте дефекта, проверяются, чтобы избежать повреждений, которые могут проявиться в процессе эксплуатации газовой турбины. Ротор монтируется из множества прилегающих друг к другу роторных дисков и стяжки. Наряду с термическими напряжениями он, в частности, подвергается воздействию механических напряжений, обусловленных центробежной силой, так что его компоненты проверяются на наличие мест дефекта.

В частности, роторные диски проверяются с помощью известных методов проверки материалов, например ультразвуковых, на наличие дефектных мест, обнаруживаемых на полученных снимках, которые могут иметь место после изготовления роторных дисков. Снимки указывают при этом на дефектные места, включения постороннего материала, неоднородности в структуре материала или трещины. Распознанные после такой первой проверки роторные диски как бездефектные применяются затем для сборки ротора. Бездефектность означает, что действительно не имеется никаких дефектных мест, или что имеющиеся в компонентах дефектные места настолько малы, что теоретически, согласно расчету на разрушение во время эксплуатации газовой турбины, они не могут обусловить возникновение и увеличение критических трещин.

Несмотря на первую проверку роторных дисков, они могут иметь нераспознанные или недооцененные по их воздействию дефектные места, так что по причинам обеспечения надежности эксплуатации газовая турбина после заданного числа запусков открывается для целей обслуживания, и ротор проверяется в процессе повторной проверки.

Роторы для проверки должны быть демонтированы, то есть разобраны на их роторные компоненты, чтобы исследовать на наличие трещин участки роторных дисков, находящиеся внутри ротора и невидимые снаружи и, следовательно, оставшиеся без проверки.

Для проверки отдельных роторных дисков на наличие трещин повторно используются уже известные способы.

Кроме того, известно, что посредством детерминистического анализа может определяться допустимое число запусков газовой турбины, после которого предпринимается проверка роторных компонентов на дефекты. При этом краевые условия расчетов на разрушение и допустимые рабочие нагрузки выбираются таким образом, что допустимое число запусков рассчитывается консервативным образом, то есть допустимое число запусков оценивается слишком низким.

Для иллюстрации этого на фиг.5 показана диаграмма зависимости длины трещины от числа запусков согласно предшествующему уровню техники.

Иллюстрируется процесс роста трещины в роторном диске. Характеристика 51 определяется при этом согласно вышеописанному анализу. С увеличением числа запусков длина а трещины возрастает в зависимости большей, чем пропорциональная. Во время работы, однако, трещина может не превысить рассчитанную максимально допустимую длину а_доп трещины.

Чтобы гарантировать надежную работу газовой турбины, принимается некоторое дефектное место, которое теоретически вызывает рост трещины согласно характеристике 51. Так как максимально допустимая длина а_доп трещины не может быть превышена, с помощью характеристики 51 может, таким образом, определяться число допустимых запусков N_доп. Затем, при достижении числа допустимых запусков N_доп, ротор разбирается, и роторные диски проверяются на наличие дефектов.

Однако разборка и проверка ротора увеличивает продолжительность времени осмотра и уменьшает, таким образом, время работоспособности газовой турбины.

В соответствии с этим задачей настоящего изобретения является создание ротора машины для превращения кинетической энергии потока в механическую, с помощью которого достигается повышение готовности машины к эксплуатации. Кроме того, задачей настоящего изобретения является создание машины для превращения кинетической энергии потока в механическую и способа распознавания состояния ротора.

Задача, направленная на создание указанного ротора, решается признаками пункта 1 формулы изобретения; задача, направленная на создание указанной машины, решается признаками пункта 8, и задача, направленная на создание соответствующего способа, решается признакам и пункта 10. Предпочтительные варианты осуществления представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Решение задачи, направленной на создание ротора машины для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию, который в раскрытом состоянии имеет видимую снаружи контрольную зону, в которой в процессе работы машины возникает относительно некритичная нагрузка, и который в раскрытом состоянии имеет невидимую снаружи зону наблюдения, в которой в процессе работы машины возникает относительно критичная нагрузка, с расположенным в контрольной зоне ослабленным участком типа заданного места разрыва, который выполнен как насечка, предусматривает, что для ограничения ослабленного участка предусматривается выемка, в частности разгрузочное отверстие, в которой может оканчиваться некритичный дефект.

С использованием изобретения впервые стало возможным наблюдать рост трещин в самих контролируемых компонентах, а не рост трещин в дополнительном тестовом элементе, при действительно возникающих нагрузках, которые вызывались режимом работы, то есть, в частности, за счет запуска машины для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию. Для этого в относительно некритичной для целостности роторного диска зоне контроля располагается ослабленный участок, от которого, под действием фактической нагрузки, может расти некритичный дефект. Без добавления дополнительного тестового элемента, на основе некритичного дефекта, делаются выводы относительно возможного вызванного механическим разрывом повреждения ротора, которое находится в невидимой снаружи зоне наблюдения.

В основе изобретения лежит идея о том, что не распознанные при первой проверке или допустимые дефектные места во время эксплуатации машины для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию могут вызвать рост трещин. За счет предусматриваемого изобретением ослабленного участка целенаправленным образом дефектный участок переводится в видимую извне контрольную зону. От этого ослабленного участка может затем допускаться рост некритичного дефекта, вызванный совокупностью нагрузок. Только если при раскрытой машине и при смонтированном роторе обнаруживается находящийся в контрольной зоне некритичный дефект, длина которого превышает предельное значение, то состояние ротора распознается как «требующее проверки». Только в этом случае необходима разборка ротора и детальная проверка роторных компонентов.

Вследствие этого можно отойти от ранее применявшегося способа, при котором критерии для принятия решения о разборке ротора выводились из детерминистического анализа с применением консервативных краевых условий. В частности, если бы при проверке разобранных роторных компонентов было обнаружено, что никакого дефекта во внутренней зоне ротора не имеется, то это означало бы, что ротор был разобран без необходимости, и роторные компоненты, тем самым, подвергались ненужной проверке.

Если ни один из дефектов контрольных зон не превышает предельное значение, то разборка ротора и проверка роторных компонентов во временном аспекте откладывается, что приводит к повышению готовности к работе машины и к сокращению затрат на проверки.

К тому же, для ограничения ослабленного участка предусматривается выемка, в частности разгрузочное отверстие, в котором может оканчиваться упомянутый некритичный дефект. Рост дефекта до сверхкритической длины и/или с выходом за пределы контрольной зоны, тем самым, предотвращается.

Согласно предпочтительному выполнению ослабленный участок на кольцевом балконе выполнен таким образом, что на нем, при работе машины для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию, возникают нагрузки, направленные в окружном направлении. Вместо указанной в DE 19962735 A1 нагрузки, действующей в радиальном направлении, за счет действующей в окружном направлении нагрузки достигается улучшение выше среднего относительно сопоставимости нагрузок контрольной зоны и зоны наблюдения. За счет исключения известного элемента в виде полоски из листового металла также исключаются повреждения, которые могли бы вызываться отсоединением этой полоски из листового металла в турбине.

Согласно одному варианту выполнения ротор имеет несколько роторных дисков и, по меньшей мере, одну стягивающую роторные диски стяжку. Если, по меньшей мере, один из роторных дисков в контрольной зоне при осмотре обнаруживает критичный дефект, то ротор подлежит разборке и, по меньшей мере, соответствующие компоненты проверяются на наличие дефектов.

Особенно предпочтительным является применение изобретения на сваренных или цельных роторах, в случае которых, правда, разборка невозможна, но состояние ротора может определяться в отношении внутренних критичных дефектов, которые, соответственно, могли бы привести к отказу ротора.

Предпочтительным образом, по меньшей мере, на одном из роторных дисков предусматривается ослабленный участок. Особенно предпочтительным является вариант выполнения, в котором каждый роторный диск имеет ослабленный участок. Часть контрольных зон покрывает первый интервал осмотра, после которого по расчетам должна требоваться разборка ротора и проверка роторных дисков. Для каждого последующего интервала осмотра могут предусматриваться дополнительные контрольные зоны с другими ослабленными участками и относящимися к ним выемками, которые обуславливают при текущем режиме эксплуатации рост трещин. Тем самым, вся совокупность нагрузок может воздействовать на соответствующие ослабленные участки, чтобы затем при проверке контрольных зон иметь возможность принятия решений для всего ротора.

В качестве альтернативы, контрольная зона может быть выполнена таким образом, что ослабленный участок с его соответствующим разгрузочным отверстием может покрывать все интервалы осмотра. Следовательно, при каждом осмотре определяется фактическая длина трещины и сравнивается с допустимой длиной трещины, соответствующей конкретному осмотру, чтобы определить состояние ротора.

В предпочтительном варианте осуществления зона наблюдения граничит со ступицей роторного диска, так как в этом месте в процессе работы машины могут возникать высокие нагрузки. Так как повреждения из-за механического разрушения возникают прежде всего в этой зоне, ее контроль является целесообразным.

Решение, направленное на создание машины для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию, предусматривает, что ротор этой машины выполнен согласно пунктам 1-7 формулы изобретения.

Решение задачи, направленной на способ, предусматривает для распознавания состояния открытого ротора машины для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию, который в раскрытом состоянии имеет видимую снаружи контрольную зону, в которой в процессе работы машины возникает относительно некритичная нагрузка, и который в раскрытом состоянии имеет невидимую снаружи зону наблюдения, в которой в процессе работы машины возникает относительно критичная нагрузка, что сначала исследуется контрольная зона ротора на наличие критичного дефекта, и при отсутствии дефекта в контрольной зоне состояние определяется как «не требующее проверки», или, при наличии дефекта, принимается решение в отношении имеющегося в зоне наблюдения дефекта, из которого затем определяется состояние ротора.

Преимущества, имеющие место для ротора, также, соответственно, относятся и к машине для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию и способу.

Изобретение поясняется далее со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:

Фиг.1 - сечение роторного диска с ослабленным участком,

Фиг.2 - вид сборку периферии роторного диска по фиг.1,

Фиг.3 - вид сверху периферии роторного диска по фиг.1,

Фиг.4 - диаграмма зависимости длины трещины от числа запусков,

Фиг.5 - диаграмма зависимости длины трещины от числа запусков согласно уровню техники,

Фиг.6 - продольное сечение газовой турбины.

Газовая турбина и ее способ работы общеизвестны. В этой связи на фиг.6 показана газовая турбина 1, компрессор 5 воздуха для сжигания топлива, камера 6 сгорания и турбина 8 для привода как компрессора 5, так и рабочей машины, например, генератора. Турбина 8 и компрессор 5 расположены на общем роторе 3, также называемом якорем турбины, с которым также связана рабочая машина, и который установлен с возможностью вращения вокруг своей продольной оси. Камера 6 сгорания оснащена горелками 7 для сжигания жидкого или газообразного топлива.

Газовая турбина 1 имеет стационарную нижнюю корпусную деталь 12, в которую вставляется при монтаже газовой турбины 1 ротор в сборке. Затем монтируется верхняя корпусная деталь 13, чтобы закрыть газовую турбину 1.

Ротор 3 имеет центральный стяжной болт 10, который обеспечивает затяжку множества прилегающих один к другому роторных дисков 19.

Внутри компрессор 5, как и турбина 8, содержит, соответственно, множество связанных с ротором 3 поворотных рабочих лопаток 16. Рабочие лопатки 16 в виде венца размещены на кольцевых роторных дисках и образуют, таким образом, некоторое количество рядов 15 рабочих лопаток. Кроме того, как компрессор 5, так и турбина 8 содержит некоторое число неподвижных рабочих лопаток 14, которые также закреплены в виде венца с образованием рядов 17 рабочих лопаток на внутренней стенке корпуса компрессора 5 или турбины 8.

На фиг.1 показано сечение роторного диска 19 газовой турбины 1 по ее радиусу. Через центральную точку кругового роторного диска 19, который может быть выполнен как диск компрессора или как диск турбины, проходит ось 2 вращения ротора 3. Роторный диск 19 содержит пазы 23 рабочих лопаток для размещения рабочих лопаток 16 на его радиально внешнем краю 21. На торцевой стороне 25 роторного диска 19 предусмотрен выступающий в виде консоли кольцевой балкон 27. Кольцевой балкон 27 имеет контрольную зону 29, которая в раскрытом состоянии собранного ротора 3 является видимой снаружи. Ротор 3 находится при этом в нижней корпусной детали 12 газовой турбины, а верхняя корпусная деталь 13 снята.

На фиг.3 показана контрольная зона 29 с ослабленным участком 31, который выполнен в виде насечки 32 с длиной а _{Насечки0}. Насечка 32 предусмотрена при этом на осевой кромке 33 кольцевого балкона 27, причем напротив расположена выемка 34 в качестве разгрузочного отверстия 35. Разгрузочное отверстие 35 находится на таком расстоянии от края 33, что величина этого расстояния соответствует описанной далее максимально допустимой длине трещины а_{Насечки_Доп}.

Радиально внутри расположена прилегающая к стяжному болту 36 роторного диска 19 зона 37 наблюдения, в которой в процессе работы газовой турбины 1 могут возникнуть критичные нагрузки.

Ослабленный участок 31, который находится в некритичной для функционирования ротора 3 контрольной зоне 29, по величине и действию пропорционально сопоставим с дефектным участком 41, предположительно возможным в зоне 37 наблюдения. Кроме того, напряжения, возникающие в контрольной зоне 29, пропорционально сопоставимы с нагрузками, возникающими в зоне 37 наблюдения.

Во время работы газовой турбины 1 на ослабленном участке 31 и при определенных обстоятельствах, при наличии дефектного участка 41 могут возникнуть напряжения и совокупности напряжений, которые, соответственно, могут привести на этих участках к росту трещины.

По причине надежности эксплуатации ослабленный участок 31 должен быть спроектирован таким образом, чтобы скорее на нем, а не на скрытом дефектном участке 41 могла сформироваться трещина.

Если при осмотре, по меньшей мере, одна контрольная зона 29 роторного диска 19 выявляет в качестве дефекта 39 наличие трещины 40, которая, исходя из ослабленного участка, заканчивается в разгрузочном отверстии 35, то следует исходить из того, что в зоне 37 наблюдения при наличии дефектного участка 41 возникает сопоставимая трещина 45, так что состояние ротора 3 или роторного диска 19 должно квалифицироваться как «требующее проверки». Затем роторный диск 19, имеющий некритичный дефект 39, необходимо проверить путем тщательного исследования, для чего ротор 3 должен быть разобран.

В качестве альтернативы, разгрузочное отверстие могло бы быть настолько удаленным от насечки, что допускало бы такой рост трещины, который продолжается на протяжении нескольких интервалов осмотра. Допустимая длина трещины, соответственно, соотнесенная с интервалом осмотра, которая указывает на состояние «требующее проверки», должна тогда всегда сравниваться с действительно имеющейся измеренной длиной трещины. В соответствии с этим возможна оценка роста трещины, который обусловлен работой газовой турбины в периоде между двумя последовательными осмотрами.

Если проверка роторного диска 19 в зоне 37 наблюдения не выявляет никакого дефекта 43, то на основе некритичного дефекта 39 в контрольной зоне 29 можно исходить из того, что в зоне 37 наблюдения также не имеется существенного дефектного участка 41. Иначе дефект 43 был бы там распознан. Таким образом, данный конкретный роторный диск может продолжать использоваться.

На фиг.4 показана диаграмма зависимости длины трещины от числа запусков, которая применяется в соответствии с изобретением. По оси абсцисс откладывается число N запусков газовой турбины 1, а по оси ординат - длина а трещины 40 в роторных дисках 19.

Показанная сплошной линией характеристика 53 показывает консервативную оценку процесса роста длины а трещины 40 в контрольной зоне 29 в зависимости от числа N запусков газовой турбины 1. Выбранная в качестве предельного значения максимально допустимая длина трещины а_{Насечки_Доп} является максимальной длиной а трещины 40, включая длину а_{Насечки0} насечки 32, с которой роторный диск 19 может эксплуатироваться, без оценки его состояния и состояния ротора 3 как «требующего проверки». Характеристика 53 пересекает максимально допустимую длину трещины а_{Насечки_Доп} в точке 55. Отсюда можно, исходя из консервативных допущений, определить расчетное допустимое число N_{Рacч_Доп} запусков.

Позже, при достижении расчетного допустимого числа N_{Рacч_Доп} запусков, газовая турбина 1 будет разбираться в целях осмотра. Видимая снаружи контрольная зона 29 покажет тогда, при соответствующих обстоятельствах, исходящую от насечки 32 трещину 40 с действительной длиной а_действ , которая нанесена на диаграмму в виде точки 63 Р (N_{Расч_Доп} , а_действ). С помощью координат Р (0, а_{Насечки0} ) определяется вторая точка 61 в качестве исходной точки другой характеристики 57, так что на интервале абсцисс [0, N_{Расч_Доп} ] характеристика 57 может быть определена на основе свойств прочности на механическое разрушение материала роторного диска 19. Показанная пунктирной линией характеристика 57 показывает, следовательно, рост трещины, который проявляется при действительном воздействии совокупности нагрузок. Дальнейший ход 65 характеристики 57 затем определяется путем экстраполяции, чтобы определить точку пересечения 59 с максимально допустимой длиной трещины а_{Насечки_Доп} . За счет этого определяется действительное допустимое число N_{Действ_Доп} запусков, после которого ротор 3 должен разбираться и проверяться на наличие дефектов 43 в критичной зоне 37 наблюдения. Тем самым обеспечивается относительно точное определение оставшегося срока службы роторных дисков 19.

Разность n между действительным допустимым числом N_{Действ_Доп} запусков и расчетным допустимым числом N_{Рacч_Доп} запусков представляет собой реализуемый с помощью изобретения выигрыш в запусках N газовой турбины 1. Только после достижения действительного допустимого числа N_{Действ_Доп} запусков ротор 3 следует разбирать и роторные диски 19 и другие роторные компоненты исследовать на наличие дефектов 43 в критичной зоне 37 наблюдения.

Для каждого интервала осмотра с помощью ослабленного участка 31 создается индикатор роста трещины, подвергающийся до этого момента времени воздействию действительной совокупности нагрузок, по типу заданного места разрыва, с помощью которого могут делаться выводы относительно дефекта 43 в ненаблюдаемых снаружи зонах роторных дисков 19.