涡轮叶片疲劳寿命评估方法

摘要

为了提供一种用于定量评估涡轮叶片的疲劳寿命的涡轮叶片疲劳寿命评估方法，如果涡轮叶片纵向的蠕变伸长应变小于初始长度的0.5％，则确定涡轮叶片在其疲劳寿命之内；如果蠕变伸长应变为初始长度的0.5％或更大，则确定涡轮叶片超过其疲劳寿命。涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置(20)包括第一固定端(21)、第二固定端(22)和度盘式指示器(24)。纵向尺寸被标明在涡轮叶片的表面上。

说明书

分案申请说明

本申请是申请日为2004年1月20日、申请号为200410002434.1并且发明名称为“涡轮叶片疲劳寿命评估方法、涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置和涡轮叶片”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及涡轮叶片疲劳寿命的评估方法。

背景技术

燃气轮机包括压缩机、燃烧室、和涡轮(未图示)。根据这种燃气轮机，在压缩机中压缩的空气提供给燃烧室，该压缩空气与另外供给的燃料混合并燃烧。在燃烧室中产生的燃烧气体提供给涡轮从而在涡轮中产生旋转驱动力。

图6表示上述涡轮的内部结构的示例。如图6所示，在涡轮中，成圆形设置在未图示的转子上的多个涡轮叶片1，与设置在转子周围的定子上的多个涡轮固定叶片2间隔设置在转子的旋转轴线方向(图6中的水平方向)上。并且形成了用于通过燃烧气体的燃烧气体流动通道3。从燃烧室进入燃烧气体流动通道3的燃烧气体使涡轮叶片1旋转并且将旋转力作用于转子。该旋转力使与转子连接的发电机(未图示)旋转从而发电。

然而，在上述的燃气轮机中，还没有开发出用于定量评估和处理涡轮叶片1的疲劳寿命的方法；因此，如果蠕变缺陷突然发生的时候，整个燃气轮机会受到破坏。

发明内容

本发明是鉴于上述情况提出的。本发明的目的是提供一种用于定量评估涡轮叶片的疲劳寿命的涡轮叶片疲劳寿命评估方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种涡轮叶片疲劳寿命评估方法，包括：在蠕变伸长应变是零的初始状态下测量涡轮叶片的初始长度；在运转预定时间后，测量涡轮叶片的运转后的长度；基于所述初始长度和所述运转后的长度，估计涡轮叶片的纵向的蠕变伸长应变；如果蠕变伸长应变小于所述初始长度的0.5％，则评估涡轮叶片在其疲劳寿命之内，或者如果蠕变伸长应变等于或大于所述初始长度的0.5％，则评估涡轮叶片超过其疲劳寿命。

根据上述涡轮叶片疲劳寿命评估方法，通过采用充分低于2％的为0.5％的蠕变伸长应变作为评估疲劳寿命的参考，可以迅速确定涡轮叶片的疲劳寿命，使得不会发生蠕变缺陷，与此相对，在现有的涡轮叶片中，当由于强度的突然降低而蠕变伸长应变超出2％时会发生断裂。

具体地讲，预先测量在蠕变伸长应变没有发生的初始状态下涡轮叶片的初始长度。此外，在涡轮叶片运转了预定时期后也测量涡轮叶片的所述运转后的长度，并获得在上述初始长度和所述运转后的长度之差，从而可以精确获得运转后的蠕变伸长应变的值。

根据上述涡轮叶片疲劳寿命评估方法，可以定量评估涡轮叶片的疲劳寿命。结果，可以防止在涡轮叶片中突然发生蠕变缺陷而导致整个燃气轮机严重破坏的问题。

根据上述涡轮叶片疲劳寿命评估方法，通过在运转前测量涡轮叶片的长度的伸长，可以确定蠕变伸长应变。因此，可以根据蠕变伸长应变的值来定量估计在达到疲劳寿命前还剩余多少小时。

所述涡轮叶片疲劳寿命评估方法还可以包括：当评估蠕变伸长应变时，考虑涡轮叶片的热膨胀量来修正所述运转后的长度。

所述涡轮叶片疲劳寿命评估方法还可以包括：将当测量所述运转后的长度时涡轮叶片的壁温设定为等于当测量所述初始长度时涡轮叶片的壁温。

所述涡轮叶片疲劳寿命评估方法还可以包括：估计在达到涡轮叶片的疲劳寿命前还剩余多少运转小时。

所述涡轮叶片疲劳寿命评估方法还可以包括：在涡轮叶片上标记所述初始长度。

根据所述涡轮叶片疲劳寿命评估方法，不需花费时间查阅如设计图等记录，就可以获得多个涡轮叶片中的任一个的纵向的所述初始长度。因此，可以显著降低为了进行涡轮叶片疲劳寿命评估而测量蠕变伸长应变的时间。此外，可以预先防止由于例如预先错误辨识产品号码的疏忽而发生的错误。

所述涡轮叶片疲劳寿命评估方法还可以包括：将测量所述初始尺寸时测量的涡轮叶片的壁温标记在涡轮叶片上。

附图说明

图1是本发明一个实施例的涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置的正视图。

图2是沿图1中箭头A-A所示方向看的涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置的侧视图。

图3是涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置的局部放大图。

图4是本发明一个变形实施例的涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置的正视图。

图5是本发明另一个变形实施例的涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置的正视图。

图6是用于说明燃气轮机内部结构的视图。

具体实施方式

参照以下附图对利用本发明涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置的涡轮叶片疲劳寿命评估方法的一个实施例，和利用上述方法进行评估的涡轮叶片进行说明。此外，这里所阐述的特定的结构和功能说明仅为代表性的，并不限定本发明的范围。

本发明的涡轮叶片在图中没有表示，是在包括压缩机、燃烧室和涡轮的燃气轮机中构成涡轮一部分的构件。转子沿轴向支撑从而可以在涡轮中旋转，并且多个涡轮叶片固定在转子周围。此外，涡轮使在燃烧室产生的燃烧气体进入燃烧气体流动通道以膨胀。此外，通过吹动燃烧气体撞击每一个涡轮叶片而使转子旋转，燃烧气体的热能转化为动力转动能以产生驱动力。

图1表示根据本实施例的涡轮叶片10。涡轮叶片10包括安装在转子上的内罩板10a；外罩板10b，在内罩板10a和外罩板10b之间的空间形成燃烧气体流动通道；和在内罩板10a和外罩板10b之间形成的叶片部分10c。参考符号CL表示在涡轮叶片10宽度方向的中央的中央轴线。

如图1所示，在涡轮叶片10的内罩板10a的表面上，标明在运转前的初始状态下纵向长度L。纵向长度L是沿着中央轴线CL的直线的尺寸，并且它也是位于内罩板10a的外表面与外罩板10b的内表面之间的尺寸。纵向长度L是在生产后的蠕变伸长应变为0的情况下测量的(例如，图1中，标明“453.025”表示“L＝453.025mm”)。

在图1和2中，参考数字20表示用于测量涡轮叶片10的蠕变伸长应变的涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置。涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置20包括第一固定端21，该第一固定端21能够连接在涡轮叶片10的内罩板10a(一端)上；第二固定端22，该第二固定端22能够连接在外罩板10b(另一端)上；连接部分23，连接第一固定端21和第二固定端22，并且在该方向上施加力，使得第一固定端21和第二固定端22更靠近；和度盘式指示器24(测量装置)，用于测量第一固定端21和第二固定端22之间的间隔尺寸L。

第一固定端21是从侧面看接近“L”形状的金属构件，并且具有适合内罩板10a的下游端部分形状的接触面。

第二固定端22是从侧面看接近“L”形状的金属构件，并且具有适合外罩板10b的下游端部分形状的接触面。参考数字22a是调整螺栓，用于在水平方向调整关于第二固定端22位置的涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置20的轴线20a。必要时通过对调整螺栓22a的位置进行调整，可以调整涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置20的轴线20a，使得涡轮叶片10的中央线CL与涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置20的轴线20a平行。因此，可以处理涡轮叶片10的各种形状。

连接部分23包括第一杆31，该第一杆31具有固定在涡轮叶片一端上的第一固定端21；和第二杆32，该第二杆32与在相同轴上的第一杆31的另一端连接，并且具有固定在涡轮叶片另一端上的第二固定端22。

如图3所示，在第一杆31对应第二杆32的连接部分，在轴线20a的方向形成深的凹部31a。在该凹部31a中包含一对直轴套31b和31c，和轴环31d。直轴套31b和31c是圆柱形构件，彼此以预定的间隔固定在凹部31a中。轴环31d也是圆柱形构件，设置在直轴套31b下面。

在第二杆32对应第一杆31的连接部分，在轴线20a的方向形成深的凹部32a。在该凹部32a中，第一杆31的连接部分安装在相同的轴以便滑动，因此，连接部分23的整个长度是可以延伸的。

此外，在第二杆32的连接部分，安装插入凹部31a中的轴32b。轴32b通过直轴套31b、31c和轴环31d插入，从而导向第二杆32在轴线20a的方向上朝向第一杆31滑动。

轴32b的顶端插入压缩弹簧32c作为施力构件。压缩弹簧32c的一端接触轴环31d的底端。压缩弹簧32c的另一端接触在轴32b末端形成的弹簧制动器32b1。因此，压缩弹簧32c迫使第一杆31和第二杆32更加接近。

如图3所示，度盘式指示器24包括安装在第二杆32上的度盘式指示器单元24a；安装在第一杆31上的接触部分24b；和与接触部分24b接触的度盘式指示器单元24a的指针24a1。

通过当第一杆31和第二杆32之间的间隔增加和减小时，由于与接触部分24b的接触而导致的指针24a1的延伸，度盘式指示器单元24a可以精确测量第一杆31和第二杆32之间的间隔尺寸L。对于度盘式指示器单元24a，不仅可以使用测定作为绝对值的间隔尺寸L的测量表，也可以使用测量与预定的基准尺寸(例如，初始状态时的间隔尺寸L)相关的尺寸变化(差别)的测量表。

下面对涡轮叶片疲劳寿命的评估方法进行说明，该方法利用具有上述结构的涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置20。首先，在初始状态的涡轮叶片10中，第一固定端21与内罩板10a啮合，当抵抗由压缩弹簧32施加的力而第一杆31和第二杆32之间的间隔延伸时，第二固定端22与外罩板10b啮合。从而，压缩弹簧32c自动调整第一固定端21和第二固定端22之间的间隔使得最小化。因此，度盘式指示器单元24a自动精确指示间隔尺寸L。初始状态下的测量操作只需进行一次，测量结果应该优选地在如上所述的涡轮叶片10的表面标明。

当在预定的时期以后，对运转后的涡轮叶片10进行疲劳寿命评估时，利用如上述的相同方法进行测量。通过获得与初始状态下的测量结果的差别，可以测定经过预定时期后的运转后的蠕变伸长应变。

当评估上述蠕变伸长应变时，优选的是采用以下方法，如果涡轮叶片纵向的蠕变伸长应变小于初始长度的0.5％，则确定涡轮叶片在其疲劳寿命之内；如果涡轮叶片纵向的蠕变伸长应变为初始长度的0.5％或更大，则确定涡轮叶片已经超过其疲劳寿命。

在一般的涡轮叶片中，当蠕变伸长应变超过2％后，涡轮叶片在强度和断裂方面迅速降低。因此，通过采用低于2％，例如为0.5％的蠕变伸长应变作为评估疲劳寿命的基准，可以确定涡轮叶片的疲劳寿命，使得涡轮叶片10的蠕变缺陷不会发生。

同样，通过在每一个运转期间进行这种测量操作，可以确定蠕变伸长应变经时间的变化。从而，根据该变化特性可以估计在达到疲劳寿命前还剩余多少小时。

根据利用这种涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置20的涡轮叶片疲劳寿命评估方法，可以定量地估计涡轮叶片10的疲劳寿命。因此，可以防止在涡轮叶片中突然出现蠕变缺陷，而导致整个燃气轮机的严重破坏。

同样，根据本发明，通过将初始状态下的测量结果在涡轮叶片10的表面上标明，在经历的测量中，不需要花时间查阅例如设计图的记录就能知道涡轮叶片的疲劳寿命。因此，可以缩减为了进行涡轮叶片10的疲劳寿命评估而测量蠕变伸长应变的时间。此外，由于将期望了解的测量结果在涡轮叶片的表面上标明，可以防止以后由于例如错误辨识产品号码的疏忽而发生错误。

参照图4和5说明涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置20的一个变形实施例。如图4所示的变形例与上述实施例不同，特别在于，利用不同的方法将涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置20安装在涡轮叶片10上，且设置测微计40来代替度盘式指示器24。即，在该变形实施例中，通过三点支撑的方法支撑涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置20，该方法利用第一固定端41，该固定端接触内罩板10a下游端的平坦的上表面；第二固定端42，该固定端具有一个尖端，该尖端插入在叶片部分10c的下游边缘并且靠近外罩板10b形成的凹处10c1；和第三固定端43，该固定端位于第一固定端41和第二固定端42之间，使得与叶片部分10c的下游边缘接触。此外，由测微计40测量的测量结果可以由刻度标记40a指示。

如图5所示的涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置20的变形实施例与上述实施例不同，特别在于，利用不同的方法将涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置20固定在涡轮叶片10上，且设置测微计50来代替度盘式指示器24。即，在该变形实施例中，涡轮叶片蠕变伸长应变测量装置20由下列部件支撑：第一固定端51，该固定端具有尖端，该尖端插入在内罩板10a的下游边缘形成的凹处10a1；和第二固定端52，该固定端具有尖端，该尖端插入在叶片部分10c的下游边缘并且靠近外罩板10b形成的凹处10c1。此外，由测微计50测量的测量结果可以由刻度标记50a指示。

这里，优选的是当在上述实施例和变形实施例中考虑涡轮中热膨胀的影响下进行测量，可以得到更精确的结果。

即，在蠕变膨胀变形为零的第一次测量中，记录涡轮叶片10壁中的温度(优选的是将以上纵向尺寸L和壁中温度标记在涡轮叶片10的内罩板10a上)。然后，当评估涡轮叶片10的疲劳寿命时测量壁中温度和纵向尺寸L。只要壁中温度与第一次测量的壁中温度相等，就不必修正温度。当测量的温度之间有差别时，需要考虑热膨胀量来进行修正。即，根据涡轮叶片10的原始数据来计算热膨胀量从而确定需要的修正。此外，从纵向尺寸L的测量结果中减去该热膨胀量；由此，可以使壁温情况与第一次测量一致。如果每次都调整壁温，根据第一次测量得到的温度进行测量也是可以的。在这种情况下，可以省略用来修正热膨胀量的步骤。