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

Abstract

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

Beschreibung

[0001] Verfahren zur Statuserkennung eines mechanisch beanspruchten Bauteils, ein Computersystem auf dem das Verfahren läuft, ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und ein Computerprogrammprodukt.

[0002] 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.

[0003] Mechanisch beanspruchte Bauteile, insbesondere einer Gasturbine, haben eine begrenzte Lebensdauer. Die Lebensdauer wird u.a. bestimmt durch das Wachstum von Fehlern (z.B. Risse). Ein Riss kann so lange wachsen, bis er zum Versagen, d.h. zum Bruch, des Bauteils führt.

[0004] Die JP 2001153756-A offenbart ein Verfahren zur Berechnung einer Rissentstehung, aber nicht zur Berechnung eines Risswachstums.

[0005] 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.

[0006] Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren, ein Computersystem, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt aufzuzeigen, mit dem die Statuserkennung eines Bauteils vereinfacht wird.

[0007] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäss Anspruch 1 gelöst, indem Betriebsparameter wie z.B. Temperateilen verwendet werden, um das Risswachstum vorhandener Fehler berechnen zu können, so dass ein Parameter berechnet werden kann, der Auskunft darüber gibt, ob die Lebensdauer noch ausreichend lang genug ist oder demnächst beendet ist.
Mit dem Verfahren werden Inspektionsintervalle und zu erprüfende Fehlergrössen festgelegt.

[0008] In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Massnahmen des Verfahrens gemäss Anspruch 1 aufgelistet.

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und werden erläutert.

[0012] Es zeigen

Figur 1 eine Turbine mit Bauteilen,

Figur 2 in vereinfachter Darstellung einen Längsschnitt einer Turbine,

Figur 3 eine Turbinenschaufel als ein Bauteil,

Figur 4, 5, 6 schematisch ein Risswachstum in einem Bauteil,

Figur 7 eine graphische Darstellung eines Monitorbildes, das die Lebensdauer anzeigt,

Figur 8 den Ablauf des Verfahrens in einem Diagramm,

Figur 9 zeigt die Risswachstumsgeschwindigkeit über die Schwingungsbreite des Spannungsintensitätsfaktors Δk, und

Figur 10 eine typische Belastungskurve eines Bauteils.

[0013] Figur 1 zeigt schematisch in einem Längsschnitt eine Gasturbine 1.
Als ein beispielhaftes Bauteil ist eine Gasturbine 1 ausgewählt für eine Maschine, die aus mehreren Bauteilen besteht, in denen Fehler vorhanden sind und wachsen können.
Entlang einer Welle 4 sind ein Verdichter 7, eine Brennkammer 10 und ein Turbinenteil 13 hintereinander angeordnet.
Das Turbinenteil 13 weist einen Heißgaskanal 16 auf. Im Heißgaskanal 16 sind Gasturbinenschaufeln 20 angeordnet. Leitschaufel- und Laufschaufelgrenze sind wechselnd aufeinanderfolgend vorgesehen.
Die Gasturbinenschaufeln 20 werden beispielsweise über eine kombinierte Luft- und/oder Dampfkühlung gekühlt. Dazu wird beispielsweise dem Verdichter 7 Verdichterluft entnommen und über eine Luftzuführung 23 den Gasturbinenschaufeln 22 zugeführt. Über eine Dampfzuführung 26 wird den Gasturbinenschaufeln 20 beispielsweise auch Dampf zugeführt.

[0014] In Figur 2 ist in vereinfachter Darstellung in einem Längsschnitt ein Ausschnitt eines Turbinenteils 13 gezeigt.
Das Turbinenteil 13 weist eine Welle 4 auf, die sich entlang einer Rotationsachse 41 erstreckt.
Weiter weist das Turbinenteil 13 entlang der Rotationsachse 41 aufeinanderfolgend einen Einströmbereich 49, ein Beschaufelungsbereich 51 sowie'ein Abströmbereich 53 auf.
In dem Beschaufelungsbereich 51 sind rotierbare Laufschaufeln 20' und feststehende Leitschaufeln 20 angeordnet. Die Laufschaufeln 20 sind dabei an der Welle 4 befestigt, während die Leitschaufel 20 an einem die Welle 4 umgehenden Leitschaufelträger 47 angeordnet sind.
Durch die Welle 4, den Beschaufelungsbereich 51 sowie den Leitschaufelträger 47 ist ein ringförmiger Strömungskanal für ein Strömungsmedium A, z.B. Heißdampf, gebildet.
Der zur Zufuhr des Strömungsmediums A dienende Einströmbereich 49 wird durch ein stromaufwärts des Leitschaufelträgers 47 angeordnetes Einströmgehäuse 55 in radialer Richtung begrenzt.
Ein Abströmgehäuse 57 ist stromabwärts am Leitschaufelträger 47 angeordnet und begrenzt den Abströmbereich 53 in radialer Richtung, dass heißt senkrecht zur Rotationsachse 41.
Während des Betriebs der Gasturbine 1 strömt das Strömungsmedium A von dem Einströmbereich 49 in den Beschaufelungsbereich 51, wo das Strömungsmedium unter Expansion Arbeit verrichtet, und verlässt danach über den Abströmbereich 53 die Gasturbine 1. Das Strömungsmedium A wird anschließend in einen dem Abströmgehäuse 57 nachgeschalteten in der Figur 2 nicht näher dargestellten Kondensator für eine Dampfturbine gesammelt.

[0015] Beim Durchströmen des Beschaufelungsbereichs 51 entspannt sich das Strömungsmedium A und verrichtet Arbeit an den Laufschaufeln 20, wodurch diese in Rotation versetzt werden.

[0016] Figur 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 20, die sich entlang einer radialen Achse 60 erstreckt.
Die Laufschaufel weist entlang der Rädialachse 60 aufeinanderfolgend einen Befestigungsbereich 63, eine daran angrenzende Schaufelplattform 66 sowie ein Schaufelblattbereich 69 auf.
Im Befestigungsbereich 63 ist ein Schaufelfuß 72 gebildet, der zur Befestigung der Schaufel 20 an der Welle 4 einer Gasturbine 1 dient. Der Schaufelfuß 72 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet.

[0017] 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.

[0018] Figur 4 zeigt eine Turbinenschaufel 20, die einen inneren Fehler 73, beispielsweise eine Pore, einen Gaseinschluss (Lunker) oder dergleichen aufweist. Oberflächenfehler sind bei Turbinenschaufeln besonders kritisch.
Aufgrund mechanischer Beanspruchung vergrössert sich ein innerer Riss 76, der bis zu einer Oberfläche 82 des Bauteils 20 weiterwachsen kann (Fig. 5). Je nach Größe des inneren Risses 76 kann hier schon ein Versagen vorliegen.

[0019] Ebenso ist es möglich, dass der innere Riss umklappt, d.h. als Oberflächenriss 79 sich an der Oberfläche 82 weiter ausbreitet (Fig. 6)

[0020] Das Verfahren berücksichtigt auch schon vorhandene Oberflächenfehler.

[0021] Das Verfahren berücksichtigt keine Plastifizierungen (Kriechbereich) im Bauteil.

[0022] Figur 7 zeigt einen Monitor 85 als Teil eines Computersystems, der zumindest einen Betriebsparameter 88, wie Temperatur T, Druck (Dehnungen) p, Zyklenanzahl N und Frequenz f verschiedener Bauteile erfasst.
Die Betriebsparameter 88 werden über entsprechende Sensoren an den Bauteilen, bspw. 4, 7, 10, 13, 16, 20, 23, 26, 47, 55, 57, erfasst und zur Berechnung an eine Recheneinheit (Computer) weitergeleitet. Auf dieser Recheneinheit ist das Verfahren, das die Lebensdauer der Bauteile berechnet, als Computerprogrammprodukt (Software) vorhanden bzw. wird von einem computerlesbaren Speichermedium (Diskette, CD-ROM, DVD) geladen.
Auf dem Monitor 85 ist ausserdem eine Lebensdaueranzeige 91 vorhanden, die dem Operateur oder dem Service den Status des Bauteils/Bauteile anzeigt, d.h. ob die Lebensdauer des oder der beobachteten Bauteile noch ausreichend ist oder ob Untersuchungen angestellt werden müssen bzw. ob die Maschine abgeschaltet werden muss.

[0023] Figur 8 zeigt schematisch den Ablauf des Verfahrens.
Alle Bauteile, die mechanisch beansprucht werden, werden beispielsweise erfasst, und es werden bekannte Fehler bei der Berechnung der Lebensdauer miterfasst. Während des Betriebs verändern sich die Betriebsparameter 88, mit denen eine Berechnung des Risswachstums vorgenommen wird in dieses Risswachstums Die Parameter werden kontinuierlich oder regelmässig abgefragt, und ebenso wird die Risslänge oder Lebensdauer berechnet. Ist die Lebensdauer noch ausreichend lang, d.h. reicht sie beispielsweise bis zum nächsten regelmäßigen Service, so wiederholt sich die Abfrage der Betriebsparameter und die Berechnung des Risswachstums.
Während des Stillstands oder während des Service der Maschine in der das jeweils beobachtete Bauteil eingebaut bleibt, können neue Fehler entdeckt werden, die bei der Berechnung der Lebensdauer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mitberücksichtigt werden.
Die Risslänge bekannter Risse aus der Berechnung kann der im Service ermittelten Risslänge angepasst werden, so dass eine Art Selbstlerneffekt stattfindet.
Der aktuelle Status eines Risses ist jederzeit abrufbar. Für die gegebene Anfangslänge ist der Status z.B. auf 0% gesetzt. Es ist für die Lage des Risses im Bauteil bekannt oder berechenbar, wie lang dieser Riss wachsen darf, ohne bereits zu einem Bauteilversagen zu führen. Diese maximale Länge entspräche dann 100%, so dass der Status des Risses zwischen 0 und 100% liegt.
Ebenso kann die Wechselwirkung von Rissen untereinander berücksichtigt werden.
Die Abhängigkeit eines Abstandes des Risses zu einer Oberfläche beim Risswachstums kann ebenfalls berücksichtigt werden.

[0024] 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.

[0025] Das Verfahren kann auf einem Computersystem ablaufen, das einen Zentralrechner, vernetzte Rechner, Bildschirmmonitore, sonstige Hardware sowie Messleitungen zu Datenerfassung von Betriebsparametern u.ä. umfasst.

[0026] 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.

[0027] Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode-Mitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger (Disketten, CD-Rom's) gespeichert sind, um das Verfahren durchzuführen, wenn das Programmprodukt auf einem Computer gespeichert ist.

[0028] Bei der Berechnung des Risswachstums werden z.B. vier Lastkollektive zu Grunde gelegt (siehe auch Herausgeber "British Energy": Assessment of the integrity of structures containing defects, Kapitel 1 und 2 aus R6 Revision 4 (September 2000)):

Das erste berücksichtigt eine hochfrequente "high cycle fatigue" Beanspruchung (HCF),

das zweite wirkt auf das unterkritische Risswachstum,

das dritte und vierte definieren Primär- und Sekundärspannungen für das Versagen.

[0029] Zwischen Primär- und Sekundärspannungen wird eine Wechselwirkung berücksichtigt. Hierdurch lässt sich etwa der unterschiedliche Einfluss von Eigenspannungen auf das Versagen erfassen.
Bei der Berechnung der Lebensdauer wird die Risskonfiguration in Abhängigkeit von der Zyklenzahl, insbesondere die Konfiguration beim Versagen sowie zulässige Riss-Konfigurationen für abgestufte Sicherheiten gegen eine vorgegebene Versagensgrenzkurve, gegen die kritische Zyklenzahl, gegen die kritische Fehlergröße und Fehlerfläche analysiert.

[0030] Für das Risswachstum ist unter anderem der Spannungsintensitätsfaktor K = K (σ, a) und der daraus berechnete Wert ΔK von Bedeutung, wobei σ die mechanische Belastung und a die Risslänge ist.

[0031] Das Risswachstum pro Zyklus da/dN ist in Figur 9 gezeigt. Ab einem gewissen Schwellwert Ak_thr findet ein Risswachstum statt, bis es zum vollständigen Versagen des Bauteils kommt. ΔK ist die Differenz aus K_max - K_min. Die Bedeutung dieser zwei Werte ergibt sich aus der Figur 10, in der eine mechanische Belastung eines Bauteils über die Zyklenzahl N, d.h. über die Zeit, aufgetragen ist. K_max ist der maximale Wert für den Spannungsintensitätsfaktor K, wobei K_min die minimale Belastung darstellt, also den kleinsten Wert für den Spannungsintensitätsfaktor.

[0032] Der Parameter R ist gegeben durch K_min / K_max.

[0033] Die Beschreibung des Risswachstums erfolgt allgemein durch die Formel

[0034] Wenn der Riss wächst, sinkt die Spannung σ und der Spannungsintensitätsfaktor K kann auch soweit sinken, dass er unter dem Schwellwert bleibt und kein Risswachstum mehr stattfindet.

[0035] Die Kurve in Figur 9 wird formelmäßig erfasst durch



Werkstoffparameter sind bei dieser Formel ΔK_th (R=0), c1, m1, c2, m2. Die Werkstoffparameter werden aus der Kurve da/dN experimentell bestimmt, indem diese Parameter die Funktion optimal an die Messwerten angepassen (Interpolation).
Der Wert ΔK_s 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 ΔK_th von einem Schwellwert (Threshold). Wird dieser Schwellwert unterschritten dann findet kein Risswachstum statt.
Für Belastungen oberhalb des Schwellwertes gelten oben angegebene Formeln. Die Werte für ΔK unterhalb des Schwellwertes stellen einen hochfrequenten Anteil der mechanischen Beanspruchung dar, bei dem in der Regel keine Fehler wachsen.
Bei dem niederfrequenten Anteil der mechanischen Beanspruchung wird der Schwellwert überschritten und ein Risswachstum gemäß oben genannter Formel findet statt.

Bezugszeichenliste

[0036] 

1

Gasturbine

4

Welle

7

Verdichter

10

Brennkammer

13

Turbinenteil

16

Heißgaskanal

20

Turbinenschaufel

23

Luftzuführung

26

Dampfzuführung

41

Rotationsachse

47

Leitschaufelträger

49

Einströmbereich

51

Beschaufelungsbereich

53

Abströmbereich

55

Einströmgehäuse

57

Abströmgehäuse

60

Radialachse

63

Befestigungsbereich

66

Schaufelblatt

69

Schaufelblattbereich

72

Schaufelfuß

73

innerer Fehler

76

innerer Riss

79

Oberflächenfehler

82

Oberfläche von 20

85

Monitor

88

Betriebsparameter

91

Lebensdaueranzeige

Ansprüche

1. Verfahren zur Versagenserkennung eines Bauteils einer Maschine, insbesondere einer Turbine,
bei dem zumindest ein Betriebsparameter der Maschine erfasst wird,
der benutzt wird, um ein Risswachstum vorhandener Fehler in dem Bauteil zu berechnen,
   wobei der aktuelle Status des Risses abrufbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil eine Turbinenschaufel, ein Gehäuse oder eine Welle einer Gasturbine ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine Betriebsparameter eine Temperatur (T), ein Druck (p), eine Zyklenanzahl oder eine Frequenz (f) ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
während der Lebensdauer des Bauteils (20) neu entstandene Fehler erkannt werden, für die ein Risswachstum berechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Risswachstum innerer Fehler berechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Risswachstum von Oberflächenfehlern berechnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
beim Risswachstum ein Rissverlauf eines inneren Fehlers als Oberflächenfehler weiter berechnet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei Berechnung einer Rissgrösse, die zum baldigen Versagen des Bauteils führt, ein aus der Berechnung resultierender Parameter von "Lebensdauer ausreichend" auf "Lebensdauer beendet" gesetzt wird.

9. Computersystem,
das Mittel umfasst, um ein Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche auszuführen.

10. Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte von jedem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.

11. Computerprogrammprodukt mit Programmcode-Mitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das Verfahren nach jedem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn das Programmprodukt auf einem Computer gespeichert ist.

Amended claims

Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 86(2) EPÜ.

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.

Zeichnung