渦輪機翼型件壽命管理系統及方法
2023-06-02 16:23:51
專利名稱：渦輪機翼型件壽命管理系統及方法
技術領域：
本文所公開的主題涉及渦輪，並且更具體地涉及壓縮機和渦輪翼型件壽命的管理。
背景技術：
燃氣渦輪發動機通常包括壓縮機、燃燒器和渦輪。壓縮機和渦輪通常包括沿軸向疊置成級的翼型件列或葉片列。各級通常均包括固定的沿周向間隔開的一列定子導葉，以及圍繞中心軸線或軸旋轉的沿周向間隔開的一組轉子葉片。通常，在操作中，壓縮機轉子中的轉子葉片圍繞軸旋轉以壓縮空氣流。所供送的壓縮空氣在燃燒器中用來燃燒所供送的燃料。因燃燒而最終產生的熱氣流膨脹穿過渦輪，這引起渦輪轉子葉片圍繞軸旋轉。以此方式，包含在燃料中的能量轉變成旋轉葉片的機械能，該機械能可用於使壓縮機的轉子葉片和發電機的線圈旋轉以發電。在操作期間，由於極端溫度、工作流體的速度，以及轉子葉片的旋轉速度，在壓縮機和渦輪兩者內的定子導葉和轉子葉片為高應力零件。通常，在渦輪發動機的壓縮機區段和渦輪區段兩者中，附近或鄰近級的成列定子導葉構造成具有數目大致相同的沿周向間隔開的導葉。為了改善渦輪發動機的氣體效率， 已嘗試標記或"記錄"一列中的翼型件的周向位置相對於附近或鄰近列中的翼型件的周向位置。然而，雖然僅最低限度地或可忽視地改善了發動機的氣體效率，但已發現這些常規記錄方法通常會增大在操作期間作用在翼型件上的機械應力。當然，增大操作應力會引起翼型件搖動，且最終損壞，這可導致對燃氣渦輪發動機的重大破壞。多年來，發電系統的高可用性和可靠性已成為電力工業的主要要求。不可靠和被迫停機的高成本廣為所知。不適當的維護或操作異常檢測可導致渦輪被迫停機。較早地檢測出這些異常對於防止和縮短過長的渦輪被迫停機很重要。典型的檢查可能需要渦輪在檢查期間停止運行。在此情況下，可能會妨礙發電設備的至少一部分生產能力。降低發電能力會產生與其相關聯的真實經濟成本。此外，檢查自身也會花費金錢。至少出於這兩個原因，可能有益的是僅在需要時才執行檢查。
發明內容
根據本發明的一個方面，公開了一種用於產生對於至少一個渦輪機的風險分析的系統。該系統包括儲存一個或多個渦輪機的特性的資料庫，以及耦接到資料庫上的處理模塊，該處理模塊接收來自於資料庫的特性並產生風險分析。處理模塊包括模擬模塊，其基於特性而產生對於在特定渦輪機中翼型件搖動量的表徵(representation)；以及性能模擬器(modeler)，其耦接到模擬模塊上且基於搖動量的表徵而產生風險分析。根據本發明的另一方面，公開了一種產生對於渦輪機的檢查建議的計算機執行方法。該方法包括接收與渦輪機相關的計算機操作數據，該操作數據包括來自於至少一個翼型件附近的區域的動壓指示；基於動壓指示由第一風險模型產生損壞模型；以及基於損壞模型產生檢查建議。
根據本發明的另一方面，公開了一種產生對於渦輪機的檢查建議的計算機執行方法。該方法包括接收與渦輪機相關的計算機操作數據，該操作數據包括與對渦輪機中翼型件的記錄相關的信息；基於記錄信息由風險模型產生損壞模型；以及基於損壞模型產生檢
查建議。通過結合附圖的如下描述，這些及其它優點和特徵將變得更為明顯。
在所附權利要求中具體地指出且明確地主張了視作為本發明的主題。通過結合附圖的如下詳細描述，本發明的前述及其它特徵和優點將變得明顯，在附圖中圖1為示出根據本發明實施例的系統的數據流程圖；圖2示出了本發明實施例可植入其中的計算系統；圖3示出了根據本發明實施例的方法；以及圖4為圖1中所示的系統的更為詳細的數據流程圖。本詳細說明通過舉例的方式，參照附圖闡述了本發明的實施例以及優點和特徵。零件清單50 系統51壓縮機M燃燒器56 渦輪60渦輪系統62傳感器64分析器66附加信息68模型更新69 虛線70檢查建議100處理系統101處理器102隻讀存儲器(ROM)103 硬碟
104大容量儲存器105磁帶儲存驅動器106網絡適配器107輸入/輸出適配器108界面適配器109 鍵盤110 滑鼠111揚聲器112顯示適配器
113系統總線114系統存儲器115顯示器116 網絡120 軟體302 方框304可選的數據驗證方框306 方框308 方框310 方框312 方框314 方框316 方框318 方框400 系統401資料庫402處理模塊403傳感器404 輸出406數據驗證器408模擬模塊410數據過濾模塊412 歸一化(normalization)模塊414後處理模塊416風險模擬器418製圖模塊420變化檢測器422異常檢測器
具體實施例方式如上文所述，壓縮機和渦輪翼型件受到多種氣體/聲音激勵。這些激勵可在翼型件的根部上產生磨損。磨損的翼型件具有增大的搖動趨勢。如果未及時進行檢查和修理， 則這種搖動可在渦輪運轉時導致翼型件脫落。脫落的翼型件可導致對壓縮機和渦輪的附帶破壞。本文所公開的實施例具有以下技術效果，即提供了準確地確定何時可能需要檢查以及產生風險分析。在一個實施例中，檢查確定或風險分析是基於搖動量的，而該搖動量是測得的或基於翼型件的記錄而估計的。迄今，搖動並未用作產品壽命周期估計或修理/檢
查建議量度的要素。具體而言，本文所公開的實施例可容許使用現場數據、操作分布曲線(profile)、場地條件、硬體構造、入口調節、傳感器信息、可靠性模型、專家規則、分級器和多元統計技術來提供壽命評估、資產計劃和/或檢查建議。因此，本文的教導內容容許更為準確地計劃何時檢查單元，怎樣計劃資產，以及提高群組(fleet)中單元的可用性。應當理解的是，儘管以下說明描述了渦輪，但本文的教導內容可應用於任何渦輪機。圖1示出了根據一個實施例的系統50的數據流程圖。該系統50可包括一個或多個渦輪系統60。渦輪系統60可包括任何類型的渦輪。在一個實施例中，渦輪可為燃氣渦輪。在渦輪系統60包括燃氣渦輪系統的情況下，渦輪系統60可包括用以吸入和壓縮空氣的壓縮機51 ；用以添加燃料以加熱壓縮空氣的燃燒器M(或噴燃器)；以及用以從熱的空氣流中獲取功率的渦輪56。在一個實施例中，燃氣渦輪為使用連續燃燒過程的內燃 (IC)發動機。系統50還可包括耦接到渦輪系統60上的傳感器62。傳感器62接收來自於渦輪系統60的信息，且基於該信息，系統50可確定渦輪60的加熱速率。在一個實施例中，傳感器62可接收與壓縮機51和渦輪56的定子中的翼型件相關的動壓讀數。當然，這些值並非必需的。傳感器62耦接到性能分析器64上。在一個實施例中，分析器64接收來自於傳感器62的信息和來自於附加信息源(未示出)的附加信息66，以便產生模型更新68或檢查建議70中的一者或兩者。在一個實施例中，檢查建議70基於與翼型件記錄相關的信息。建議70可至少部分地基於經由傳感器62的動壓讀數或來自於有關所考慮的渦輪 60的信息。更詳細而言，分析器64可處理來自於動壓傳感器的信息，且在壓縮機51的各級提供非穩態的壓力幅度和頻率信息。這些動態傳感器可置於各個壓縮機和渦輪級以測量非穩態壓力。非穩態壓力可為翼型件搖動的指示。如果動態傳感器不可用，則分析模型可使用壓縮機記錄信息和諸如負載、環境溫度等的其它渦輪參數由分析器用來計算預計的翼型件搖動。動壓傳感器信息或預計的搖動，以及其它操作特性、參數和環境狀態可用於量化翼型件磨損，以及翼型件損壞風險和分級可能性，這可包含在檢查建議70中。附加信息66可包括但不限於對於一個或多個渦輪系統60的歷史性能數據。此外， 附加信息可包括對於不同類型渦輪的各種風險和分級模型。為此，在一個實施例中，模型更新68可如虛線69所示那樣結合到附加信息66中以提供更為準確的模型。性能分析器64可在硬體、軟體或它們的一定組合(固件)中執行。分析器64接收來自於傳感器62的信息和附加信息66。作為中間步驟，分析器64可基於歷史性能、驗證數據和溫度計算來產生經過濾的數據。參看圖2，示出了用於執行本文的教導內容的處理系統100的實施例。處理系統 100可包括分析器64(圖1)。在該實施例中，系統100具有一個或多個中央處理單元(處理器)101a，101b，IOlc等(共同或通稱為處理器101)。在一個實施例中，各處理器101均可包括簡化指令集系統計算機(RISC)微處理器。處理器101經由系統總線113耦接到系統存儲器114和各種其它構件上。只讀存儲器(ROM) 102耦接到系統總線113上，且可包括控制系統100的一些基本功能的基本輸入/輸出系統(BIOS)。
圖2還繪出了輸入/輸出(I/O)適配器107和耦接到系統總線113上的網絡適配器106。I/O適配器107可為小型計算機系統接口(SCSI)適配器，其與硬碟103和/或磁帶儲存驅動器105或任何其它類似的構件通信。I/O適配器107、硬碟103和磁帶儲存裝置 105在文中共同地稱為大容量儲存器104。網絡適配器106使總線113與外部網絡116互連，實現處理系統100與其它此類系統通信。顯示器(例如，顯示監視器)115通過顯示適配器112連接到系統總線113上，該顯示適配器112可包括用以改善圖形密集應用的性能的圖形適配器，以及視頻控制器。在一個實施例中，適配器107，106和112可連接到一個或多個I/O總線上，這些總線經由中間總線橋接件(未示出)連接到系統總線113上。用於連接諸如硬碟控制器、網絡適配器和圖形適配器的外圍裝置的適合的I/O總線包括公共協議，如外圍構件接口(PCI)。附加的輸入/輸出裝置示為經由用戶界面適配器108和顯示適配器112而連接到系統總線113上。鍵盤109、滑鼠110和揚聲器111都可經由用戶界面適配器108連接到總線113上，該用戶界面適配器108例如可包括將多個裝置適配器結合到單個集成電路中的超級I/O晶片。因此，如圖2中構造的那樣，系統100包括呈處理器101形式的處理器件、包括系統存儲器114和大容量儲存器104的儲存器件、諸如鍵盤109和滑鼠110的輸入器件，以及包括揚聲器111和顯示器115的輸出器件。在一個實施例中，部分的系統存儲器114和大容量儲存器104共同地儲存作業系統以協調圖2中所示的各種構件的功能。將會認識到的是，系統100可為任何適合的計算機或計算平臺，並可包括終端、無線裝置、信息用具、裝置、工作站、微型計算機、主計算機、個人數字助理(PDA)或其它計算裝置。應當理解的是，系統100可包括由通信網絡連結在一起的多個計算裝置。例如，兩個系統之間可能存在客戶-伺服器關係，且處理可在兩者之間分開進行。系統100可在任何公知或以後開發的作業系統上操作。系統100還包括用於在網絡116上通信的網絡接口 106。網絡116可為區域網(LAN)、城域網(MAN)或廣域網(WAN)， 如國際網際網路或全球資訊網。系統100的用戶可經由任何適合的網絡接口 106而連接到網絡上，該網絡接口 106 例如有標準電話線路、數字用戶線路、LAN或WAN鏈路(例如，Tl、T3)、寬帶連接(幀中繼， ATM)，以及無線連接(例如，802. 11 (a)、802. 11(b)、802. 11(g))。如本文所公開的那樣，系統100可包括儲存在機器可讀介質(例如，硬碟103)上的計算機可讀指令，用以執行本文所公開的一種或多種方法。如本文所述，指令可稱為"軟體"120。軟體120可使用本領域中公知的軟體開發工具來製作。軟體120可包括各種工具和特徵以便提供本領域中所公知的用戶對話能力。在一些實施例中，軟體120提供為對於另一程序的覆蓋。例如，軟體120可作為〃 插件"提供給應用程式(或作業系統)。注意，用語"插件"通常是指本領域中所公知的附加程序代碼。在這些實施例中，軟體120可替換與其協作的應用程式或作業系統的結構或對象。圖3示出了根據一個實施例的方法的流程圖。該方法始於方框302，在其中接收關於一個或多個渦輪的歷史數據。該數據例如可包括一般性能數據。在一個實施例中，一般性能數據可按5分鐘的時間間隔儲存，且包括132個標記符(tag)(包括原始數據和計算數據)。該數據例如可接收自傳感器或資料庫，該資料庫儲存從傳感器或其它來源接收的數據。在一個實施例中，傳感器感測和提供來自翼型件附近各個位置的動壓測量結果。這些壓力測量結果可表明一個或多個翼型件將搖動，或開始搖動。該方法可包括可選的數據驗證方框304。數據驗證可包括確定所接收的數據持續一段連續的時限。當然，其它數據驗證也可基於環境來執行。在方框306，確定是否可得到動壓信息。如上文所述，渦輪可包括定位在各個壓縮機和渦輪級處的動態傳感器，用以測量非穩態壓力。非穩態壓力可為翼型件搖動的指示。在可得到動壓信息的情況下，在方框308，關於考慮了動壓信息的第一風險模型產生翼型件損壞模型。在不能得到動壓信息的情況下，在方框310，確定是否可得到關於渦輪的記錄信息。已經發現，記錄與搖動之間存在關聯。具體而言，已經發現，搖動更可能發生在翼型件之間具有較高或較低記錄的渦輪中。因此，如果可得到記錄信息，則在方框312，基於考慮了在損壞風險確定中的記錄的第二風險模型產生損壞模型。在不能得到記錄信息的情況下，在方框314，未考慮記錄的第三風險模型可用於產生損壞模型。不論怎樣產生，都可在方框316使用損壞模型來產生檢測建議。在方框318，風險模型可基於對於產生損壞模型的數據來更新。圖4示出了圖3中所述方法的一部分或全部都可在其上執行的系統400。系統400可包括資料庫401和處理模塊402。處理模塊402接收來自於資料庫401 的數據，且產生輸出404。來自於資料庫402的數據例如可為從耦接到燃氣輪機上的一個或多個傳感器403所接收的數據。該數據可包括可在渦輪操作期間觀察到的任何類型的數據，包括但不限於輸入燃料量、輸出功率、溫度、周期信息、修理或檢查信息、場地大氣條件、 動壓數據或任何其它信息。輸出404可為任何類型的輸出。在一個實施例中，輸出404可為報告、建議或儀錶板條目(entry)。當然，輸出404可為任何類型的輸出，且可提供給用戶或其它處理裝置。 此外，在一些情況下，輸出404可儲存在資料庫401中。可選的是，從資料庫401接收到的數據可由數據驗證器406驗證。數據驗證可包括確定所接收的數據持續一段連續的時限。當然，其它數據驗證也可基於環境來執行。驗證(或未驗證)的數據傳遞至模擬模塊408。模擬模塊408可執行一種或多種計算，以便產生渦輪操作模型。在一個實施例中，模擬模塊可產生隨著時間的推移在特定渦輪中搖動量的表徵。在一個實施例中，模型可表徵為圖表(graph)。應當理解的是，在一個實施例中，來自於多個渦輪的數據可在一起建模，以便產生對於特定類別或類型渦輪的模型。系統400還可包括耦接到模擬模塊408上的數據過濾模塊410。數據過濾模塊410 減少模型(該模型由多次運轉或渦輪而產生)中的變量，該變量接收自模擬模塊408。數據過濾模塊410可應用專家規則、中值過濾器、非線性乘方過濾器、指數平滑過濾器或其它過濾器。不論採用何種過濾器，數據過濾模塊410都產生對於一個或多個渦輪參數的過濾時間序列。例如，過濾模塊410可產生表徵對於特定渦輪或渦輪類別的搖動的過濾時間序列。系統400還可包括耦接到數據過濾模塊410上的數據校正和歸一化模塊412。校正和歸一化將在本文中共同稱為歸一化，且將表示應用係數(factor)以便渦輪不論大小或位置都可以相同的相對比例來模擬。系統400還可包括後處理模塊414。後處理模塊414從數據校正和歸一化模塊412 接收歸一化的數據，並產生輸出404。後處理模塊414可包括一個或多個子模塊。在一個實施例中，這些模塊中的一部分或全部都可取決於構造而一起工作。在一個實施例中，後處理模塊414包括風險模擬器416。在下文所述的特定實施例中，風險模擬器為翼型件損壞預測模擬器。通常，性能模擬器416基於所接收的模型而產生預測模型，其可預測因翼型件搖動而造成的損壞風險。應當理解的是，由性能模擬器416產生的模型有時由於渦輪老化或劣化分布曲線變化而可能是不正確的。後處理模塊414可包括製圖模塊418，其可在同一顯示器上示出一個或多個性能模型。這可給出性能已經變化的視覺證據。此外，後處理器模塊414還可包括變化檢測器420。變化檢測器420可應用變化檢測算法來檢測操作和性能參數方面在統計上的顯著變化。這些變化可起因於實際的操作問題，例如水洗、硬體損壞、維護、傳感器校準問題、軟體配置問題、數據質量問題、循環層組 (cycledeck)構造問題(錯誤控制曲線、錯誤循環層組模型等)，或由搖動造成的壓力變化。在一個實施例中，變化檢測器420可確定變化的發生和促使異常檢測器422來分析模型和變化。在一個實施例中，基於變化和模型，異常檢測器可產生問題的一個或可能原因的輸出，或前攝性建議的輸出。為此，異常檢測器422可應用專家規則、模糊推理、特徵抽取、人工智慧方法、經驗方法或其它計算機推理技術。儘管僅結合了有限數量的實施例來詳細描述本發明，但應當容易理解，本發明並不限於這些公開的實施例。確切而言，本發明可進行修改，以結合任意數目的此前並未描述但與本發明的精神和範圍相匹配的變型、備選方案、替換方案或等效布置。此外，儘管已經描述了本發明的多種實施例，但應當理解，本發明的方面可僅包括所述實施例中的一部分。 因此，本發明不應看作是由以上說明限制，而是僅由所附權利要求的範圍來限制。
權利要求
1.一種用於產生對於至少一個渦輪機的風險分析的系統(50)，所述系統包括 儲存一個或多個渦輪機的特性的資料庫G01)；耦接到所述資料庫上的處理模塊002)，其接收來自於所述資料庫的所述特性並產生所述風險分析，所述處理模塊包括模擬模塊008)，其基於所述特性產生對於特定渦輪機中的翼型件搖動量的表徵；以及性能模擬器G16)，其耦接到所述模擬模塊，且基於所述搖動量的表徵產生所述風險分析。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述模擬模塊將接收自所述資料庫的所述特性轉變成隨時間而變化的搖動表徵。
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述搖動為翼型件的搖動。
4.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述處理模塊還包括過濾模塊G10)，其過濾由所述模擬模塊產生的表徵以產生經過濾的表徵。
5.根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述過濾模塊應用操作模式過濾器或數據平滑過濾器或兩者。
6.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述特性包括從所述一個或多個渦輪機上的傳感器(60 接收的動壓數據。
7.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述特性包括對於所述一個或多個渦輪機的翼型件的記錄的指示。
8.—種產生用於渦輪機的檢查建議(70)的計算機執行方法，所述方法包括接收與所述渦輪機相關的計算機操作數據，所述操作數據包括來自於至少一個翼型件附近的區域的動壓指示；基於所述動壓指示由第一風險模型產生損壞模型；以及基於所述損壞模塊產生檢查建議。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括 產生所述風險模型。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，產生所述風險模型包括從資料庫接收操作信息值，所述操作信息值表示基於搖動量的翼型件預期壽命。
全文摘要
本發明涉及渦輪機翼型件壽命管理系統及方法。具體而言，一種用於產生對於至少一個渦輪機的風險分析的系統(50)包括儲存一個或多個渦輪機的特性的資料庫(401)，以及耦接到資料庫上接收來自於資料庫的特性且產生風險分析的處理模塊(402)。處理模塊包括模擬模塊(408)，其基於特性產生對於特定渦輪機中的搖動量的表徵；以及性能模擬器，其耦接到模擬模塊(416)上，且基於搖動量的表徵產生風險分析。
文檔編號G06F19/00GK102298672SQ20111018657
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月24日 優先權日2010年6月25日
發明者A·K·潘迪, J·辛赫, S·M·霍伊特, Y·S·蔡, 寧衛 申請人:通用電氣公司