Центробежная турбина, способ определения оставшегося ресурса турбины и устройство управления рабочим колесом турбины
Изобретение относится к энергетике. Центробежная турбина включает в себя рабочее колесо и датчик скорости, измеряющий скорость вращения рабочего колеса. Датчик температуры определяет температуру на выходе рабочего колеса. Система управления получает параметры рабочего колеса: температуру и скорость вращения. Способ расчета основан на математическом использовании параметров рабочего колеса для определения его оставшегося ресурса. Срабатывания программы, такие как включение предупредительной сигнализации, активируются системой управления по достижении предела ресурса. Система управления периодически высчитывает оставшийся ресурс, основываясь на данных скорости и температуры. Например, изменение оставшегося ресурса высчитывается, если изменение скорости приводит к нагрузкам на рабочее колесо, превышающим предел его прочности. Изобретение позволяет повысить надежность эксплуатации турбины. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к системе и способу определения оставшегося ресурса рабочего колеса центробежной турбины. Центробежная турбина может содержать одно или более рабочих колес насоса, турбины или компрессора.
Уровень техники
Обычно для достижения наилучших аэродинамических показателей, вал центробежной турбины вращается с высокой скоростью. При расчетной скорости максимальная нагрузка достигает предела текучести материалов, обычно применяемых в данном случае, например алюминиевых сплавов. Как правило, это допустимо, при постоянной рабочей нагрузке, возможной при постоянной скорости вращения.
Турбины могут работать как в относительно постоянном режиме при постоянной скорости, так и на переменной скорости. Примером работы на переменной скорости может служить воздушный компрессор, задачей которого является создать максимальное давление, а затем остановиться или перейти в режим холостого хода на минимальной скорости для сохранения энергии. Обычная скорость в режиме холостого хода составляет 30% от расчетной скорости, при которой мощность падает на 3% от максимальной. Нагрузки в рабочем колесе меняются по квадрату скорости.
Если материал подвергать большому количеству циклов пуска - останова, или случайным изменениям скорости, он может износиться или разрушиться из-за усталости. График ресурса представляет собой функцию от коэффициента асимметрии цикла, определяемого как отношение минимальной нагрузки к максимальной нагрузке. Среднее напряжение является средним арифметическим между максимальной и минимальной нагрузками. Амплитуда для данного цикла нагрузки определяется как разница максимальной и минимальной нагрузок, деленная на два. Прочность материала также снижается при повышении температуры. Если накапливается достаточное количество циклов, износ, а также микротрещины в материале, появляющиеся при предельных нагрузках, ведут к неизбежному увеличению средней нагрузки вследствие центробежных нагрузок. На практике, скорость может меняться от минимальной до максимальной совершенно случайным образом, в зависимости от ситуации. Полезно с относительно высокой точностью прогнозировать наступление полного отказа.
Раскрытие изобретения
Данное изобретение относится к центробежным турбинам, содержащим одно или более рабочее колесо. Датчик скорости измеряет скорость вращения рабочего колеса. Датчик температуры определяет температуру на выходе рабочего колеса. Система управления получает параметры рабочего колеса: температуру и скорость вращения. Способ расчета основан на математическом использовании параметров рабочего колеса для определения его оставшегося ресурса. Срабатывания программы, такие как включение предупредительной сигнализации, активируются системой управления по достижении предела ресурса.
Во время работы система управления следит за изменением скорости температуры рабочего колеса. Система управления итерационно высчитывает остаток ресурса, основываясь на показаниях скорости и температуры. Например, изменение оставшегося ресурса высчитывается, если изменение скорости приводит к нагрузкам на рабочее колесо, превышающим предел его прочности.
Далее следует спецификация и чертежи, из которых можно лучше понять эти и другие признаки данного изобретения. Ниже идет краткое описание.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид центробежной турбины в поперечном разрезе, оснащенной изобретательской системой контроля оставшегося ресурса.
Фиг.2 - график, показывающий максимальное значение нагрузки на рабочее колесо, рассчитанное методом конечных элементов, как функцию от скорости вращения колеса.
Фиг.3 - график зависимости усталостного напряжения материала рабочего колеса относительно наработки до усталостного разрушения от температуры и коэффициента асимметрии цикла.
Фиг.4 - изображение вычисления ресурса, основанного на измененной диаграмме Гудмана.
Фиг.5 - блок-схема, в общих чертах изображающая способ определения оставшегося ресурса рабочего колеса согласно изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг.1 схематически изображена центробежная турбина 10. Турбина 10 содержит статор 12, вращающий ось ротора 14, что подробно описано в соответствующей литературе. Центробежное рабочее колесо 16 установлено на роторе 14. Центробежное рабочее колесо 16 отводит жидкость из входного отверстия 18 в выходное отверстие 20.
Центробежная турбина 10 согласно изобретению содержит датчик скорости 22 для определения скорости вращения центробежного рабочего колеса 16. Датчик 22 скорости напрямую или косвенно определяет скорость вращения центробежного рабочего колеса 16. В приведенном примере, датчик 24 температуры расположен рядом с выходом из центробежного рабочего колеса 16.
Система управления содержит устройство 26 управления, связанное с датчиком 22 скорости и датчиком температуры 24. Устройство 26 управления может быть связано также с другими датчиками. Кроме того, устройство 26 управления может получать и сохранять другие параметры рабочего колеса, например, связанные со свойствами материала, из которого изготовлен рабочее колесо, и характеристики нагрузок рабочего колеса. Характеристики нагрузок могут быть рассчитаны методом конечных элементов по модели рабочего колеса 16 и/или по таблицам.
Характеристики нагрузок могут содержать максимальную нагрузку на рабочее колесо как функцию скорости, усталостные напряжения (усталостную прочность) как функцию от температуры, коэффициент асимметрии цикла, количество циклов до усталостного разрушения, а также факторы, влияющие на усталостную прочность.
Характеристики нагрузок могут быть переданы в виде части справочной таблицы или любым другим подходящим образом, описанным в соответствующей литературе. Факторы, влияющие на усталостную прочность, могут содержать информацию, относящуюся к качеству поверхности рабочего колеса, размеру деталей рабочего колеса, нагрузку на его отдельные части и температуру колеса. Параметры рабочего колеса могут быть определены эмпирическим или математическим путем.
Например, расчетная скорость центробежной турбины, изображенной на фиг.1, равняется 58000 об/мин. Высокая скорость ведет к тому, что при максимальных условиях эксплуатации на рабочем колесе действуют нагрузки, близкие к пределу текучести. Нагрузка как функция от скорости, до точки избыточной текучести, показана на фиг.2. Как видно из анализа алюминиевого сплава, наибольшие нагрузки приближаются к пределу текучести.
На фиг.3 изображена потеря прочности обычного алюминиевого сплава как функция от переменной нагрузки и циклы наработки до усталостного разрушения при данной температуре. На фиг.4 показан общий вид вычисления ресурса с помощью измененной диаграммы Гудмана. Данный метод анализа при определении минимальной и максимальной рабочих скоростей и температур позволяет оценить количество циклов напряжения или возможное количество рабочих часов, которое рабочее колесо может проработать до отказа, определяемое в виде количества циклов пуска-останова или часов. Данное изобретение эффективно в подсчете снижения ресурса вследствие случайных изменений скорости вращения рабочего колеса. Могут быть использованы различные методы расчетов. Например, расчеты могут быть основаны на способе суммирования циклового отношения Палгрена-Майнера, или приближении Мэнсона. Данные методики подробно описаны в соответствующей литературе.
Скорость вращения рабочего колеса и температура на выходе - два параметра рабочего колеса, отслеживаемые постоянно. Максимальная нагрузка на рабочее колесо определяется методом конечных элементов, например, функции скорости, показанной на фиг.2. Используются также свойства материала, из которого изготовлено рабочее колесо, в частности, напряжение усталости как функция от температуры, коэффициент асимметрии цикла и число циклов до отказа, как показано на фиг.3. Ссылаясь на фиг.3, значение коэффициента асимметрии цикла 0% обозначает цикл пуска - останова, тогда как значение 10% обозначает повышение скорости до 30% от расчетной скорости. На фиг.3 показано соотношение фактической прочности материала и числа циклов до отказа.
В устройство 26 управления, являющееся частью системы управления центробежной турбиной 10, могут быть занесены измеренные данные, характеристики нагрузок на рабочее колесо, свойства материала и способ расчета. Например, результаты вычислений используются для запуска предупредительной сигнализации, включающей в себя звуковое и визуальное предупреждение о том, что количество циклов наработки приблизилось к критическому уровню или числу циклов до отказа. Допустимое число циклов оценивается исходя из желаемого запаса надежности для данной ситуации. Сигнализация может быть настроена на срабатывание до наступления опасного уровня, в процентах. По достижении порога предупреждения, система управления может ограничивать изменения скорости до тех пор, пока турбина не будет остановлена для замены рабочего колеса. Данный метод используется, потому что ограничение изменений скорости предотвращает накопление повреждений в рабочем колесе.
По достижении порога предупреждения устройство отключается до замены рабочего колеса. В ином случае устройство может продолжать беспрерывную работу на полной скорости во избежание переменных нагрузок до тех пор, пока не будет запланирована его остановка. Таким образом, клиент может быть предупрежден о необходимости замены рабочего колеса до его фактического отказа.
В работе, способ, сходный с примером, приведенным на фиг.5, может использоваться для определения оставшегося ресурса рабочего колеса. Способ 30 включает в себя шаг, определяющий максимальную расчетную нагрузку на рабочее колесо (блок 32). За скоростью и температурой следят датчики 22, 24 скорости и температуры, как показано в блоке 34. Высчитывается изменение скорости и средней температуры. Циклы пуска - останова и случайные изменения скорости ведут к изменениям в скорости вращения, что плохо влияет на срок службы рабочего колеса. Способ согласно изобретению позволяет определить количественное изменение срока службы до отказа, вызванное изменениями скорости.
Конечная нагрузка для изменения скорости высчитывается в блоке 36, где определяется, превысила ли нагрузка предел усталости материала рабочего колеса. Если нагрузка превышает предел усталости, высчитывается уменьшение ресурса рабочего колеса, как показано в блоке 38. Примером способа расчета является расчет количества циклов (Nf), соответствующих циклу нагрузки, вызванному изменением скорости. Nf является функцией максимальной скорости, N1 и коэффициента асимметрии цикла, rs.
Nref=63000 σref=49,4
где CF=kakbkckd (модификаторы усталости Марина)
Seq=Smax(1-rs)0,55
Log(Nf)=10,5-3,79Log(Seq-16)
Примечание: Nf является функцией коэффициента асимметрии цикла, rs. rs = мин. нагрузка ÷ макс. нагрузка
Или исходя из того, что нагрузка меняется по квадрату скорости: rs=(N2÷N1)2.
Если скорость вращения постоянно отслеживается, возможно рассчитать нарастание циклов нагрузки и оценить остаток ресурса, как показано в блоке 38. Например, принимая за начальное значение переменной ресурса, L=0, для каждого цикла нагрузки:
Найти Nf(N1, rs)
L=L+ΔL
Предел L<1.10
В любой момент времени, значение L является обратным значению ожидаемого ресурса рабочего колеса.
Например, обычная дневная работа состоит из разгона от состояния покоя до максимальной скорости, 60000 об/мин, смены скорости с максимальной до минимальной, 20000 об/мин, всего четыре раза, и возврата в состояние покоя. Начальная температура равна температуре окружающей среды, затем она возрастает до 149°С. Модификаторами усталостной прочности являются:
Поверхность, Ka=0.900 (обработанная поверхность)
Размер, Kb=0,856 (диаметр - 3 см)
Нагрузка, Kc=1,0
Температура, Kd=-38,94-2,25208*Т (°С), алюминиевый сплав 7050-Т351
[где Kd=St/Srt, и
St = прочность при рабочей температуре, Т
Srt = прочность при комнатной температуре]
Ниже приведена таблица, показывающая результаты расчетов.
В конце рабочего дня суммированное значение L показывает, что 0,072% ожидаемого ресурса израсходовано, и при сохранении данных темпов можно ожидать еще 1/0,000720=1389 дней=3,8 лет работы.
Когда оставшийся ресурс достигает порогового значения, блок 26 управления может запустить предупреждающую сигнализацию, включающую в себя звуковое и визуальное предупреждение, как показано в блоке 42. В ином случае остаток ресурса может быть сохранен или отображен любым доступным способом для периодической проверки обслуживающим персоналом. Обслуживающий персонал может заменить рабочее колесо до его отказа, как показано в блоке 44. Способ 30 постоянно повторяется для расчета уменьшения ресурса рабочего колеса вследствие изменений скорости.
И хотя предпочтительное исполнение данного изобретения было раскрыто, обычный специалист в данной области поймет, что некоторые модификации попадут в область этого изобретения. По этой причине следует изучить следующую формулу изобретения для определения правильной области и содержания данного изобретения.
1. Центробежная турбина, содержащая рабочее колесо, датчик измерения скорости вращения рабочего колеса, датчик определения температуры на выходе рабочего колеса и систему управления с учетом определяемого оставшегося ресурса рабочего колеса посредством математического расчета параметров рабочего колеса, включая его скорость и температуру на выходе, и задаваемого вышеназванным расчетом в виде программного отклика порогового значения оставшегося ресурса, отличающаяся тем, что система управления выполнена с возможностью учета характеристик нагрузок на рабочее колесо и изменения усталостных напряжений в зависимости от качества поверхности рабочего колеса, размера деталей рабочего колеса и нагрузки на его отдельные части.
2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что датчик скорости выполнен с возможностью измерения скорости вала, на котором размещено рабочее колесо.
3. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что датчик температуры установлен на выходе рабочего колеса.
4. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что расчет основан на методе суммирования циклового отношения Палгрена-Майнера.
5. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что расчет основан на приближении Мэнсона.
6. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что параметры рабочего колеса включают в себя свойства материала, из которого изготовлено рабочее колесо.
7. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что характеристики нагрузок включают в себя по меньшей мере одну максимальную нагрузку на рабочее колесо, зависящую от скорости, усталостные напряжения как функцию от температуры, коэффициент, коэффициент асимметрии цикла и количество циклов до отказа относительно максимальной нагрузки.
8. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что программным откликом является активация предупреждающей сигнализации.
9. Способ определения оставшегося ресурса рабочего колеса турбины, включающий мониторинг скорости рабочего колеса и мониторинг температуры на выходе рабочего колеса, итеративный расчет оставшегося ресурса, основанный на изменении скорости и температуры, и активацию предупреждающей сигнализации по достижении оставшимся ресурсом порогового значения, отличающийся тем, что итеративный расчет производят с учетом характеристик нагрузок на рабочее колесо и изменения усталостных напряжений в зависимости от качества поверхности рабочего колеса, размера деталей рабочего колеса и нагрузки на его отдельные части.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что итеративный расчет осуществляют на основе расчета оставшегося ресурса как функции изменения скорости рабочего колеса.
11. Способ по п.10, отличающийся тем, что производят итеративный расчет оставшегося ресурса как коэффициента, соответствующего циклу нагрузки, вызванному изменением скорости.
12. Способ по п.9, отличающийся тем, что итеративный расчет основан на методе суммирования циклового отношения Палгрена-Майнера.
13. Способ по п.9, отличающийся тем, что расчет основан на приближении Мэнсона.
14. Способ по п.9, отличающийся тем, что итеративный расчет осуществляют с использованием максимальной расчетной нагрузки на рабочее колесо.
15. Устройство управления рабочим колесом турбины, содержащее средство получения информации от датчика измерения скорости вращения рабочего колеса, средство получения информации от датчика температуры на выходе из крыльчатки, средство определения оставшегося ресурса рабочего колеса посредством информации от датчиков скорости и температуры и средство предупреждения о приближении оставшегося ресурса к пороговому значению, отличающееся тем, что оно содержит средство получения информации от датчиков нагрузки на рабочее колесо, качества поверхности рабочего колеса и размера деталей рабочего колеса и датчиков нагрузки на отдельные части рабочего колеса.
