FR2583875A1 - Method for determining the remaining useful working life of components of a turbine - Google Patents

Method for determining the remaining useful working life of components of a turbine Download PDF

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Abstract

The invention relates to a method for determining the lapsed working life of a component of a turbine engine during a predetemined period; this method uses the cumulative rate of extension by creep in order to provide an indication of the elapsed working life. Application to determining the working life of machine components.

Description

La présente invention concerne un procédé pour déterminer la durée de vie utile résiduelle, ou la durée de vie déjà employée, des composants des turbines et, plus particulièrement, pour déterminer la durée de vie utile résiduelle des composants qui fonctionnent généralement à une température relativement élevée et sont par conséquent utilisés dans un environnement dans lequel le fluage des matériaux les constituant est un facteur important dans la détermination de leur durée de vie résiduelle. The present invention relates to a method for determining the residual useful life, or already used life, of the components of turbines and, more particularly, for determining the residual useful life of components which generally operate at a relatively high temperature. and are therefore used in an environment in which the creep of the materials constituting them is an important factor in determining their residual service life.

Les estimations courantes de la production d'énergie électrique auquelles on s'est livré pour les vingt prochaines années font ressortir une dépendance critique vis-àvis des centrales à vapeur et leurs turbines dont la durée de service est supérieure à 30 ans. La tradition voudrait que les installations assurant des services publics et les turbines associées d'une telle durée de fonctionnement soient retirées et remplacées par des ensembles neufs. Current estimates of the production of electrical energy over the next 20 years show a critical dependence on steam power plants and their turbines with a service life of more than 30 years. Tradition has it that the installations providing public services and the associated turbines with such a service life should be removed and replaced by new assemblies.

Cependant, dans l'environnement actuel où la demande d'énergie est déprimée et les constructions nouvelles sont d'un coût élevé, les ensembles assurant des services publics tablent de plus en plus sur des programmes d'extension de la durée de vie de leurs installations anciennes dans le but de satisfaire les besoins attendus en matière d'énergie. Des considérations pratiques et commerciales imposent que ces programmes d'extension de la durée de vie soient mis en oeuvre tout en maintenant les niveaux traditionnels de disponibilité, de performance et de fiabilité.L'obtention d'un équilibre optimum entre les capitaux investis et la rentabilité nécessaire de ces capitaux impose une évaluation des conditions existantes et des performances futures probables des composants critiques des turbines, ainsi qu'une estimation réaliste des risques associés aux diverses options permettant l'extension de la durée de vie.However, in the current environment where energy demand is depressed and new constructions are of high cost, complexes providing public services are increasingly counting on programs to extend the life of their old installations in order to meet the expected energy needs. Practical and commercial considerations dictate that these life extension programs should be implemented while maintaining traditional levels of availability, performance and reliability. Achieving an optimum balance between the capital invested and the necessary return on capital requires an assessment of existing conditions and likely future performance of critical turbine components, as well as a realistic estimate of the risks associated with the various options for extending the service life.

L'évaluation des conditions actuelles et la détermination des performances futures probables des composants des turbines, en particulier des composants fonctionnant sous un régime où les matériaux les constituant sont soumis au fluage, présentent un défi à cause de la complexité des composants, de la variété de leurs conditions de fonctionnement et des limitations inhérentes des méthodes d'estimation de la durée de vie utile résiduelle ou de la durée de vie déjà employée. Les composants fonctionnant à des températures élevées (c'est-à-dire supérieures à environ 4800C), dans lesquels la combinaison du fluage et de la fatigue thermique du matériau les constituant est un souci primordial, nécessitent une considération spéciale pour obtenir une estimation acceptable de la durée de vie utile résiduelle. Assessing current conditions and determining likely future performance of turbine components, particularly components operating under a regime where the materials of which they are made are subject to creep, present a challenge because of the complexity of the components, the variety their operating conditions and the inherent limitations of the methods for estimating the residual useful life or the life already used. Components operating at elevated temperatures (i.e. above about 4800C), in which the combination of creep and thermal fatigue of the material of which they are a primary concern, require special consideration to obtain an acceptable estimate. of the remaining useful life.

On fait couramment appel à diverses techniques pour estimer la durée de vie utile résiduelle des composants des centrales. On peut les classer en deux grandes catégories générales: essais destructifs et/ou non destructifs des composants réels, et estimation analytique basée sur le comportement des matériaux et l'historique du fonctionnement des composants. Various techniques are commonly used to estimate the remaining useful life of plant components. They can be classified into two broad general categories: destructive and / or non-destructive testing of real components, and analytical estimation based on the behavior of materials and the history of operation of the components.

Les techniques de l'art antérieur procédant à des examens destructifs ou non destructifs se sont avérées souffrir de limitation lorsqu'on les applique au composants principaux des turbines. I1 est souvent difficile de se procurer un matériau, en vue d'essais destructifs, apparte nant au zones critiques des composants et d'avoir accès aux nombreuses régions critiques de la turbine pour effectuer des essais non-destructifs. De plus, alors que certaines techniques non-destructives de l'art antérieur peuvent fournir des estimations sur la durée de vie utile résiduelle d'un composant soumis à un fluage pur, le fonctionnement normal de la plupart des composants d'une turbine les soumet à la combinaison du fluage et de la fatigue, la fatigue jouant un rôle assez important dans la détermination de la durée de vie déjà employée.Le fluage, qui est fonction de la période pendant laquelle il y a application des efforts, est une déformation de matériau qui s'avère inélastique, ou irrécupérable (c'est-à-dire que le matériau ne peut revenir à sa forme et à son état d'origine). La fatigue, qui ne dépend pas du temps mais du cycle d'application des efforts, est une forme d'allongement plastique qui peut finir par provoquer la rupture d'un composant. The techniques of the prior art carrying out destructive or non-destructive examinations have been found to suffer from limitation when applied to the main components of the turbines. It is often difficult to obtain a material, for destructive tests, belonging to the critical zones of the components and to have access to the numerous critical regions of the turbine for carrying out non-destructive tests. In addition, while certain non-destructive techniques of the prior art can provide estimates of the residual useful life of a component subjected to pure creep, the normal operation of most of the components of a turbine subjects them at the combination of creep and fatigue, fatigue playing a rather important role in determining the lifetime already used. Creep, which is a function of the period during which force is applied, is a deformation of material that turns out to be inelastic, or unrecoverable (that is, the material cannot return to its original shape and state). Fatigue, which does not depend on time but on the cycle of application of forces, is a form of plastic elongation which can end up causing the rupture of a component.

Les techniques de l'art antérieur n'ont pas été en mesure de permettre une évaluation convenable de l'amplitude des endommagements provoqués par la combinaison du fluage et de la fatigue. Une autre technique à laquelle on a fait appel, mais qui n'a pas apporté des résultats convenables, est basée sur la densité des vides dus au fluage comme indication de la durée de vie déjà employée par suite de fluage. Ainsi, ces techniques de l'art antérieur n'aboutissent généralement pas à des résultats présentant le degré de précision souhaité, sur lesquels on puisse baser des recommandations pour aider à la prise de décision quant à l'évaluation et à la comparaison des stratégies pour le prolongement potentiel de la durée de vie des turbines.The techniques of the prior art have not been able to allow a proper evaluation of the extent of the damage caused by the combination of creep and fatigue. Another technique which has been used, but which has not brought adequate results, is based on the density of voids due to creep as an indication of the lifetime already employed as a result of creep. Thus, these techniques of the prior art generally do not lead to results presenting the desired degree of precision, on which recommendations can be based to help decision-making regarding the evaluation and comparison of strategies for the potential extension of the life of the turbines.

L'estimation analytique de la durée de vie déjà employée (qui peut alors être soustraite de la durée de vie totale estimée pour donner la durée de vie utile résiduelle) utilise généralement des représentations sophistiquées du comportement des matériaux, des règles d'estimation des endommagements, et les conditions de fonctionnement réelles (ou idéalisées) passées et à venir. La précision de toute approche analytique particulière dépend de l'aptitude de la méthode à traiter les incertitudes liées aux conditions réelles de fonctionnement des composants. The analytical estimate of the lifetime already used (which can then be subtracted from the estimated total lifetime to give the residual useful life) generally uses sophisticated representations of the behavior of materials, rules for estimating damage , and the actual (or idealized) operating conditions past and future. The accuracy of any particular analytical approach depends on the ability of the method to handle the uncertainties associated with the actual operating conditions of the components.

Par exemple, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n" 4 046 002, Murphy et al, la méthode de détermination de la durée de vie déjà employée d'un rotor est basée sur l'utilisation des endommagements provoqués par la fatigue en faible cycle, qui dépend du cycle des efforts, et non sur les endommagements par rupture due au fluage, dans laquelle la fonction du temps. On compare la plage des efforts pour chaque cycle à une courbe de la plage des efforts calculés pour la pièce de la turbomachine afin de déterminer la valeur de la durée de vie déjà employée par cette partie par suite du cycle. L'intervalle de temps entre pics locaux des efforts servant à déterminer le cycle de efforts n'est pas pris en considération. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 950 985, au nom de Buchwald et al, on utilise une méthode basée sur l'hypothèse de
Miner d'une accumulation linéaire des endommagements.
For example, in U.S. Patent No. 4,046,002, Murphy et al, the method of determining the already used life of a rotor is based on the use of damage caused by fatigue. in weak cycle, which depends on the cycle of the forces, and not on the damages by rupture due to creep, in which the function of time. One compares the range of the forces for each cycle to a curve of the range of the forces calculated for the part of the turbomachine in order to determine the value of the lifetime already used by this part as a result of the cycle. The time interval between local peaks of the forces used to determine the cycle of forces is not taken into account. US Patent 3,950,985, to Buchwald et al, using a method based on the assumption of
Mining from a linear accumulation of damages.

L'hypothèse de Miner peut s'exprimer sous la forme de l'équa- tion (a)

Figure img00040001

dans laquelle t(a,6) est le temps jusqu'à la rupture pour un effort a et une température O . Plus précisément, l'hypothèse de Miner établit que la défaillance se produit lorsque l'intégrale du côté gauche de l'équation (a) est égale à 1. Selon le brevet américain 3 950 985, on détermine la valeur de t(a,O) de l'équation (a) à partir de la courbe de la figure 1. Ainsi, on a là une méthode basée sur les efforts qui ne prend pas en considération la valeur de l'allongement accumulé par suite du fluage. Miner's hypothesis can be expressed in the form of equation (a)
Figure img00040001

in which t (a, 6) is the time until failure for a force a and a temperature O. More precisely, Miner's hypothesis establishes that failure occurs when the integral on the left side of equation (a) is equal to 1. According to American patent 3,950,985, the value of t (a, O) of equation (a) from the curve of figure 1. Thus, one has there a method based on the forces which does not take into account the value of the elongation accumulated as a result of creep.

Par conséquent, la présente invention a pour objet un procédé permettant de déterminer avec précision la durée de vie utile résiduelle, ou la durée de vie utile déjà employée, des composants d'une turbine. Consequently, the present invention relates to a method making it possible to precisely determine the residual useful life, or the useful life already used, of the components of a turbine.

La présente invention a pour autre objet un procédé permettant de déterminer avec précision la durée de vie utile résiduelle, ou la durée de vie utile déjà employée, des composants d'une turbine tout en incluant les efLets de l'accumulation des efforts dus à la température et des allongements provoqués par le fluage, et de la vitesse d'accumulation des allongements dus au fluage. Another subject of the present invention is a method making it possible to determine with precision the residual useful life, or the useful life already used, of the components of a turbine while including the effects of the accumulation of the forces due to the temperature and elongations caused by creep, and the rate of accumulation of elongations due to creep.

La quasi-totalité des composants d'une turbine fonctionnant à température élevée, c'est-à-dire à une température supérieure à environ 4800C, est soumise à un changement de l'état des efforts par suite du fluage, même si les conditions de fonctionnement (par exemple la température, la force appliquée) restent constantes. Plus précisément, une distribution non uniforme des efforts dans un composant se traduit par un fluage non-uniforme, où la zone subissant les efforts les plus élevés présente le fluage le plus important, ce qui se traduit par une redistribution des efforts à l'intérieur du composant. De plus, toute transformation d'un allongement élastique en allongement inélastique, comme cela peut être provoqué par le fluage, se traduira par une réduction des efforts.Des exemples en sont donnés par la relaxation des efforts locaux élevés dans des zones de concentration des efforts, par exemple les efforts s'exerçant dans la base filetée d'un boulon, et le relâchement des efforts au déplacement matrisé, par exemple des efforts thermiques et d'un effort axial nominal dans un boulon. Comme ces contraintes et efforts changent dans le temps, il est difficile de déterminer avec précision la durée de vie du composant à partir des informations classiques sur les ruptures provoquées par des charges constantes, c'est-à-dire des efforts en fonction du temps jusqu'à la rupture. Almost all of the components of a turbine operating at high temperature, that is to say at a temperature above about 4800C, is subject to a change in the state of the forces as a result of creep, even if the conditions operating temperatures (e.g. temperature, applied force) remain constant. More precisely, a non-uniform distribution of the forces in a component results in a non-uniform creep, where the zone undergoing the highest forces has the greatest creep, which results in a redistribution of the forces inside. of the component. In addition, any transformation from elastic elongation to inelastic elongation, as may be caused by creep, will result in a reduction in forces. Examples are given by the relaxation of high local forces in zones of concentration of forces. , for example the forces exerted in the threaded base of a bolt, and the relaxation of the forces during the controlled movement, for example thermal forces and a nominal axial force in a bolt. As these stresses and forces change over time, it is difficult to precisely determine the service life of the component from conventional information on the breaks caused by constant loads, i.e. forces as a function of time. until the break.

On a utilisé des méthodes pour calculer l'accumulation des allongements dus au fluage, ainsi que pour comparer l'allongement accumulé à la capacité d'un matériau à subir un allongement, dans le but de déterminer un critère de défaillance. Cependant, selon la présente invention, c'est la vitesse de l'accumulation des allongements par fluage qu'on emploie pour estimer l'ampleur de l'endommagement subi par un composant ayant fonctionné à une température prédéterminée et donc à une vitesse d'allongement par fluage prédéterminée pendant un intervalle de temps prédéterminé. Methods have been used to calculate the accumulation of elongations due to creep, as well as to compare the accumulated elongation with the ability of a material to undergo elongation, in order to determine a failure criterion. However, according to the present invention, it is the speed of the accumulation of creep elongations that is used to estimate the extent of the damage suffered by a component having operated at a predetermined temperature and therefore at a speed of predetermined creep elongation during a predetermined time interval.

Selon la présente invention, un procédé pour déterminer la durée de vie déjà employée pour un composant de turbomachine comprend la détermination d'une courbe de l'allongement par fluage en fonction du temps pour le fonctionnement du composant, la détermination d'une vitesse de variation correspondant de l'allongement par fluage pour un intervalle de temps prédéterminé, la détermination d'un temps correspondant jusqu'à la rupture pour la vitesse de variation de l'allongement par fluage et la division de l'intervalle de temps prédéterminé par le temps jusqu'à la rupture afin de donner une valeur d'endommagement, la valeur d'endommagement étant une indication de la partie de la durée de vie globale du composant déjà employée en fonctionnement pendant l'intervalle de temps prédéterminé. According to the present invention, a method for determining the lifetime already used for a turbomachine component comprises determining a curve of elongation by creep as a function of time for the operation of the component, determining a speed of corresponding variation of the creep elongation for a predetermined time interval, the determination of a corresponding time until break for the speed of variation of the creep elongation and the division of the predetermined time interval by the time until failure to give a damage value, the damage value being an indication of the part of the overall service life of the component already used in operation during the predetermined time interval.

On peut utiliser la vitesse de variation et le temps jusqu'à la rupture donnés pour une multitude d'intervalles de temps prédéterminés pour produire des valeurs d'endommagement correspondantes qu'on peut alors cumuler pour déterminer l'endommagement global du composant pendant son fonctionnement.One can use the speed of variation and the time to failure given for a multitude of predetermined time intervals to produce corresponding damage values which can then be cumulated to determine the overall damage of the component during its operation. .

La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement
figure 1, une courbe typique du fluage pour une charge constante, obtenue à partir de valeurs mesurées (trait plein) pour une éprouvette et extrapolée (tiret) pour un composant de turbine à une température prédéterminée
figure 2, un graphique d'une série de courbes de fluage pour une charge constante, obtenues à partir de valeurs mesurées (trait plein) pour une éprouvette et extrapolée (tiret) concernant un composant de turbine soumis à plusieurs charges prédéterminées appliquées à une température prédéterminée
figure 3, une courbe de la vitesse moyenne de fluage jusqu'à la rupture en fonction du temps pour une éprouvette dans une plage de température prédéterminée
figure 4, une courbe calculée du fluage pour un composant de turbine, illustrant une partie d'un processus d'itération selon la présente invention
figure 5, une vue en perspective d'une partie d'une queue d'aronde typique d'une roue à entrée tangentielle de turbine
figures 6A et 6B, des courbes des efforts et des allongements par fluage nominaux et concentrés, respectivement, pour la queue d'aronde représentée en figure 5, selon la présente invention.
The following description refers to the appended figures which respectively represent
Figure 1, a typical creep curve for a constant load, obtained from measured values (solid line) for a test tube and extrapolated (dash) for a turbine component at a predetermined temperature
FIG. 2, a graph of a series of creep curves for a constant load, obtained from measured values (solid line) for a test piece and extrapolated (dash) relating to a turbine component subjected to several predetermined loads applied at a temperature predetermined
FIG. 3, a curve of the mean creep speed to rupture as a function of time for a test piece in a predetermined temperature range
Figure 4, a calculated creep curve for a turbine component, illustrating part of an iteration process according to the present invention
FIG. 5, a perspective view of part of a dovetail typical of a wheel with a tangential turbine inlet
FIGS. 6A and 6B, nominal and concentrated force and creep elongation curves, respectively, for the dovetail shown in FIG. 5, according to the present invention.

En figure 1, on a représenté la courbe typique d'un allongement par fluage en fonction du temps pour une éprouvette soumise à une charge constante. La courbe en trait plein représente les allongements mesurés dans l'éprouvette lors de trois étapes de fluage, c'est-à-dire primaire, secondaire et tertiaire, et se termine à l'instant t r de la défaillance, c'est-à-dire de la rupture, l'allongement étant alors tL. Selon la présente invention, la courbe en trait plein des zones de fluage primaire et secondaire correspond approximativement à la formule (1) suivante. In FIG. 1, the typical curve of a creep elongation as a function of time has been shown for a test piece subjected to a constant load. The solid line curve represents the elongations measured in the test piece during three creep stages, that is to say primary, secondary and tertiary, and ends at the instant tr of failure, that is to say - say of the rupture, the elongation then being tL. According to the present invention, the solid line curve of the primary and secondary creep zones corresponds approximately to the following formula (1).


= AeB (l+CJ) dans laquelle, E = allongement par fluage,
a = effort, et
A, B, C et F = constantes de matériau qu'on
peut obtenir facilement à partir d'une
série de données telles que celles repré
sentées par les courbes de la figure 2.

= AeB (l + CJ) in which, E = elongation by creep,
a = effort, and
A, B, C and F = material constants that
can easily get from a
data series such as those represented
felt by the curves of figure 2.

L'équation 1 se compose de deux parties. La première partie, AeB , est une représentation de la vitesse du fluage secondaire et la seconde partie, (1+Ce F), est un modificateur qui est choisi préalablement afin de modéliser la vitesse du fluage pendant le fluage primaire. Aucune tentative n'a été faite pour modéliser le fluage tertiaire, lequel est caractéristique des petites éprouvettes de laboratoire dont la section en coupe va en diminuant, provoquant une augmentation de la vitesse du fluage.On pense que le prolongement et l'extrapolation du fluage secondaire, tels qu'ils sont représentés par la ligne en tiret de la figure 1, donnent une meilleure représentation de l'accumulation de l'allongement par fluage pour des composants réels de turbine, car les composants n'entrent généralement pas dans la zone du fluage tertiaire, et même si tel est le cas, cela ne représente qu'une petite fraction de la durée de vie totale du composant. Pour être homogène avec ce modèle, l'aptitude r en matière d'allongement est définie par l'allongement obtenu en extrapolant le fluage secondaire jusqu'à l'instant t r de la rupture, ce dernier pouvant être déterminé à partir d'une éprouvette. Equation 1 consists of two parts. The first part, AeB, is a representation of the speed of the secondary creep and the second part, (1 + Ce F), is a modifier which is chosen beforehand in order to model the speed of the creep during the primary creep. No attempt has been made to model the tertiary creep, which is characteristic of small laboratory specimens whose cross section decreases, causing an increase in the speed of creep. It is believed that the extension and extrapolation of creep secondary, as shown by the dashed line in Figure 1, give a better representation of the creep elongation buildup for actual turbine components, since the components generally do not enter the area tertiary creep, and even if it does, it is only a small fraction of the total life of the component. To be homogeneous with this model, the aptitude r in terms of elongation is defined by the elongation obtained by extrapolating the secondary creep up to the instant tr of the rupture, the latter being able to be determined from a test piece .

En figure 2, on a représenté les résultats d'essais de rupture sous charge constante (c'est-à-dire avec une force appliquée constante) pour des éprouvettes à une température déterminée. Les courbes o1, a2' a3 et a4 représentent les résultats pour des charges constantes prédéterminées allant en décroissant.On remarquera que les aptitudes respectives à l'allongement er1, cor2, r Er3 et r4 diminuent avec une augmentation correspondante du temps respectif jusqu'à la rupture tr1, tir2, tr3 et tr4. On remarque également que des éprouvettes accumulant un allongement par fluage à des vitesses plus élevées, par exemple a1, sont déficientes à des temps trn plus courts, mais présentent une aptitude à l'allongement rn plus élevée n étant un nombre entier. Cela montre que non seulement la valeur absolue de l'accumulation des allongements, mais encore la vitesse d'accumulation jouent un rôle important pour un critère d'endommagement basé sur l'allongement.Une caractéristique d'un matériau qui emploie ces concepts est la vitesse moyenne de fluage jusqu'à la rupture cm . définie par la relation
E (2)
moy tr
On pense que ces principes et observations peuvent être positivement appliqués directement à des composants de turbine dont les matériaux sont soumis au régime du fluage pour obtenir une indication de la durée de vie déjà employée, ou de la durée de vie résiduelle du composant plus précise que ne le permettent les techniques utilisées antérieurement.
In FIG. 2, the results of rupture tests under constant load (that is to say with a constant applied force) are represented for test pieces at a determined temperature. The curves o1, a2 'a3 and a4 represent the results for predetermined constant loads going in decreasing. It will be noted that the respective aptitudes for elongation er1, cor2, r Er3 and r4 decrease with a corresponding increase in the respective time until breaking tr1, tir2, tr3 and tr4. It is also noted that test pieces accumulating an elongation by creep at higher speeds, for example a1, are deficient at shorter times trn, but have a higher elongability rn n being an integer. This shows that not only the absolute value of the accumulation of elongations, but also the speed of accumulation play an important role for a damage criterion based on elongation. A characteristic of a material which employs these concepts is the average creep speed until rupture cm. defined by the relation
E (2)
av tr
It is believed that these principles and observations can be positively applied directly to turbine components whose materials are subjected to the creep regime to obtain an indication of the lifetime already used, or of the residual lifetime of the component more precise than do not allow the techniques used previously.

La figure 3 représente une courbe à l'échelle loglog de la vitesse moyenne de fluage cmoy jusqu'à la rupture en fonction du temps jusqu'à l'instant de la rupture t r pour une éprouvette constituée d'un matériau typique utilisé dans la plage des hautes températures rencontrées dans les turbines. Les valeurs ayant permis de tracer la courbe proviennent d'essais à la rupture exécutés à différentes températures dans la plage des hautes températures attendues dans le fonctionnement d'un composant de turbine, à savoir entre environ 500"C et environ 6000C, et dans une plage d'efforts dont les valeurs sont à l'origine de défaillances se produisant dans des temps relativement courts jusqu'à des temps relativement longs, c'est-à-dire entre environ 90 heures et environ 60 000 heures.S'agissant des valeurs ayant permis de tracer la courbe de la figure 3, on a fait plusieurs remarques importantes. La fourchette de dispersion des valeurs est relativement étroite (c'està-dire qu'elle se trouve située à l'intérieur de deux écarts-standard (pour une vaste gamme des temps jusqu'à la rupture, c'est-à-dire entre environ 90 heures et environ 60 000 heures, et il n'y a apparemment aucune dépendance vis-à-vis de la température, au moins dans la plage des températures utilisées pour procéder aux essais Si l'on ne prend pas en considération la dépendance vis-à-vis de la température, on évite de nombreuses complications analytiques.La courbe de la figure 3 montre également le phénomène de ductilité (c'est-à-dire l'aptitude d'un objet à se déformer sans se rompre) ou aptitude à l'allongement, qui décroît dans le temps, dont on pourrait donc s'attendre qu'elle puisse etre extrapolée à des durées de service relativement longues, c'est-à-dire supérieures à 100 000 heures. Comme il y a -- une relation linéaire entre log (py) et log (tr), on peut facilement en tirer une expression mathématique. Le temps jusqu'à la rupture, tr, est lié à la vitesse moyenne de l'allongement jusqu'à la rupture par
moy
log (tr) = log (P) + Q log (E ), ou (3a)
t = PcQ , (3b)
r moy où P et Q sont des coefficients définissant la courbe de la figure 3.On peut également déterminer facilement les fourchettes statistiques de dispersion, pour indiquer les limites des valeurs attendues pour un niveau de confiance donné.
FIG. 3 represents a curve on the loglog scale of the mean creep speed cmoy until rupture as a function of time until the instant of rupture tr for a test piece made of a typical material used in the range high temperatures encountered in turbines. The values used to draw the curve come from rupture tests carried out at different temperatures in the range of high temperatures expected in the operation of a turbine component, namely between approximately 500 "C and approximately 6000C, and in a range of forces the values of which cause failures occurring in relatively short times up to relatively long times, that is to say between approximately 90 hours and approximately 60,000 hours. Several values were used to plot the curve in Figure 3. The range of values is relatively narrow (i.e., it is located within two standard deviations ( for a wide range of times to failure, i.e. from about 90 hours to about 60,000 hours, and there is apparently no dependence on temperature, at least in the range of temperatures used to perform the tests ais If we do not take into account the dependence on the temperature, we avoid many analytical complications. The curve of figure 3 also shows the phenomenon of ductility (i.e. ability of an object to deform without breaking) or ability to elongate, which decreases over time, which one might therefore expect can be extrapolated to relatively long service lives, i.e. more than 100,000 hours. As there is - a linear relation between log (py) and log (tr), one can easily draw a mathematical expression from it. The time to rupture, tr, is related to the average speed of elongation to rupture by
avg
log (tr) = log (P) + Q log (E), or (3a)
t = PcQ, (3b)
r avg where P and Q are coefficients defining the curve in Figure 3. We can also easily determine the statistical spread ranges, to indicate the limits of the expected values for a given confidence level.

On peut utiliser cette corrélation entre le temps jusqu'à la rupture moy en conjonction avec des méthodes permettant de calculer l'allongement par fluage en pour déterminer la durée de vie déjà employée des composants de la turbine selon la présente invention, dans laquelle on prévoit que les composants de la turbine fonctionnant dans le régime de fluage des matériaux les constituant se comportent d'une façon analogue aux éprouvettes utilisées pour obtenir les valeurs à la base de la construction de la courbe de la figure 3. This correlation between the time to failure mean can be used in conjunction with methods for calculating the creep elongation in to determine the lifetime already employed of the components of the turbine according to the present invention, in which provision is made that the components of the turbine operating in the flow regime of the materials constituting them behave in a manner analogous to the test pieces used to obtain the values at the base of the construction of the curve of FIG. 3.

En figure 4, on a représenté un graphique des valeurs calculées de l'allongement par fluage n en fonction du temps pour un composant typique de turbine, en utilisant l'équation 1. On a également indiqué plusieurs intervalles de temps At1 #t2, A t3 et At4 auxquels sont associés des vitesses d'allongement correspondantes à ! 2, #3 et
Pour l'intervalle At1, on peut déterminer le temps jusqu'à la rupture trî en remplaçant moy par à dans l'équation (3a) ou dans l'équation (3b).Ainsi, on obtient le temps jusqu'à la rupture trî = PtQ. On peut déterminer la fraction de la durée écoulée jusqu'à la rupture, ou endommagement jusqu'à la rupture AD1, pendant l'intervalle At1, à partir de la relation
ADn = At (4)
trn où : D = endommagement par vitesse d'allongement pour
n
l'intervalle n, n étant un nombre entier,
At = temps de fonctionnement à une vitesse d'allon
gement prédéterminée, et
trn = temps jusqu'à la rupture pour la vitesse d'allon
gement prédéterminée de l'intervalle n.
In FIG. 4, a graph of the calculated values of the creep elongation n as a function of time has been represented for a typical turbine component, using equation 1. Several time intervals At1 # t2, A have also been indicated t3 and At4 which are associated with extension rates corresponding to! 2, # 3 and
For the interval At1, we can determine the time until rupture trî by replacing moy by with in equation (3a) or in equation (3b). Thus, we obtain the time until rupture trî = PtQ. One can determine the fraction of the time elapsed until the rupture, or damage until the rupture AD1, during the interval At1, from the relation
ADn = At (4)
trn where: D = damage by extension speed for
not
the interval n, n being an integer,
At = operating time at allon speed
predetermined, and
trn = time to failure for the speed of allon
predetermined time interval n.

Pour chacun des intervalles de temps restants, les vitesses d'allongement indiquées 2, s3 et 4 sont différentes, ce qui se traduit par des temps dirférents jusqu'à la rupture tr2, tr3 et tr4 et par des incréments différents d'endommagement Q D2, AD3 et AD4. L'endommagement total d'un composant, ou durée de vie déjà employée, après fonctionnement au cours de n intervalles de temps, ou un nouvel intervalle commence de préférence (et l'intervalle précédent est terminé) de sorte que la vitesse d'allongement n se rapproche au moins quasi-linéairement de la courbe de la figure 4, est la somme des endommagements incrémen tiels AD n pour chaque intervalle.Cela peut être représenté par l'équation 5 suivante

Figure img00120001

où : DT = endommagement cumulé total, et
n = nombre d'intervalles
L'endommagement cumulé total DT, où durée de vie déjà employée du composant, peut s'obtenir dans un moyen de sommation, tel qu'un microprocesseur. On peut donner arbitrairement une faible valeur aux intervalles de temps At n dans les limites de la capacité de calcul du système.For each of the remaining time intervals, the indicated rates of elongation 2, s3 and 4 are different, which results in differing times until failure tr2, tr3 and tr4 and by different damage increments Q D2 , AD3 and AD4. Total damage to a component, or service life already in use, after operation during n time intervals, or a new interval preferably begins (and the previous interval is ended) so that the rate of elongation n approximates at least almost linearly to the curve of figure 4, is the sum of the incremental damages AD n for each interval. This can be represented by the following equation 5
Figure img00120001

where: DT = total cumulative damage, and
n = number of intervals
The total cumulative damage DT, where the lifetime already used of the component, can be obtained in a summation means, such as a microprocessor. One can arbitrarily give a small value to the time intervals At n within the limits of the computing capacity of the system.

En figure 5, on a représenté dans une vue en perspective une partie d'une queue d'aronde typique 20 d'une roue à entrée tangentielle de turbine. La queue d'aronde 20 peut être fixée, par exemple par emmanchement par retrait et/ou par rayure et clavette à un arbre rotatif 10, ayant un axe de rotation 15. En variante, la queue d'aronde 20 peut être réalisée en une pièce avec l'arbre 10. La queue d'aronde 20 comprend une multitude de nervures 22, 23 et 24 s'étendant axialement (par rapport à l'arbre 10), qui sont formées par des parties 15, 16 et 17 découpées dans ses parois latérales axiales.Des parties correspondantes des nervures 22, 23 et 24 sont évidées sur une distance circonférentielle prédéterminée de manière à former une fente de remplissage 25 destinée à recevoir des queues d'aronde (non représentées) d'aubes de forme complémentaire pour qu'il y ait engagement étroit des nervures 22, 23 et 24 et des parties découpées 15, 16 et 17, des aubes aérodynamiques (non représentées) étant fixées à la partie extérieure radiale des queues d'aronde correspondantes des aubes. Les queues d'aronde des aubes et les aubes associées sont disposées circonférentiellement autour de l'arbre 10. Une disposition de ce type,ayant des queues d'aronde dont le contour est légèrement différent, est illustrée dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 1 415 266 (Rice). In Figure 5, there is shown in a perspective view a portion of a typical dovetail 20 of a wheel with tangential turbine inlet. The dovetail 20 can be fixed, for example by shrink fitting and / or by scratching and keying to a rotary shaft 10, having an axis of rotation 15. As a variant, the dovetail 20 can be produced in a piece with the shaft 10. The dovetail 20 comprises a multitude of ribs 22, 23 and 24 extending axially (relative to the shaft 10), which are formed by parts 15, 16 and 17 cut out from its axial lateral walls. Corresponding parts of the ribs 22, 23 and 24 are hollowed out over a predetermined circumferential distance so as to form a filling slot 25 intended to receive dovetails (not shown) of blades of complementary shape for that there is close engagement of the ribs 22, 23 and 24 and of the cut parts 15, 16 and 17, aerodynamic blades (not shown) being fixed to the radial outer part of the corresponding dovetails of the blades. The dovetails of the blades and the associated blades are arranged circumferentially around the shaft 10. An arrangement of this type, having dovetails whose outline is slightly different, is illustrated in the United States patent. 'America No. 1,415,266 (Rice).

La force appliquée et l'effort résultant sur la queue d'aronde 20 de la roue sont principalement fonction de la masse des queues d'aronde et des composants associés (non représentés) fixés à la queue d'aronde 20 dans la direction radiale de l'extérieur, de la vitesse de rotation de l'arbre 10 et de la température de fonctionnement de la queue d'aronde 20. On peut déterminer par un moyen approprié la température, la masse et la vitesse de rotation (vitesse angulaire). Par exemple, dans une turbine utilisée dans l'entraînement d'une génératrice électrique, on peut employer un appareil de contrôle de la centrale pour obtenir la vitesse angulaire ; on peut surveiller la température au moyen de l'appareil décrit dans le brevet des Etats
Unis d'Amérique 4 046 002, et connaître la masse à partir des caractéristiques de réalisation de la turbine.Bien que la masse et la vitesse angulaire doivent permettre de choisir la courbe appropriée parmi une famille de courbes telles que celle représenté en figure 2, et que la température détermine la famille de courbes à employer, il peut être possible de simplifier les calculs. De nombreuses turbines, par exemple les turbines entrainant les génératrices électriques, fonctionnent à une vitesse angulaire sensiblement constante, par exemple à une vitesse de 3600 t/min. (Etats-Unis) ou 3 000 t/min. (Europe); et avec une température des gaz d'entrée sensiblement constante.
The applied force and the resulting force on the dovetail 20 of the wheel are mainly a function of the mass of the dovetails and of the associated components (not shown) fixed to the dovetail 20 in the radial direction of outside, the speed of rotation of the shaft 10 and the operating temperature of the dovetail 20. The temperature, the mass and the speed of rotation (angular speed) can be determined by appropriate means. For example, in a turbine used to drive an electric generator, one can use a central control device to obtain the angular speed; the temperature can be monitored by means of the apparatus described in the patent of the States
United States of America 4,046,002, and know the mass from the turbine's construction characteristics. Although the mass and the angular speed must make it possible to choose the appropriate curve from a family of curves such as that represented in FIG. 2, and as the temperature determines the family of curves to be used, it may be possible to simplify the calculations. Many turbines, for example the turbines driving the electric generators, operate at a substantially constant angular speed, for example at a speed of 3600 rpm. (United States) or 3,000 rpm. (Europe); and with a substantially constant inlet gas temperature.

En outre, comme on l'a montré précédemment en figure 3, il ne semble pas que la vitesse moyenne d'allongement jusqu'à la rupture dépende de la température dans la plage des températures allant d'environ 480"C à 5900C. La majeure partie des turbines à vapeur ont une température d'entrée comprise dans cette plage. Ainsi, avec une bonne approximation, il est seulement nécessaire de connaître le temps pendant lequel une telle turbine a fonctionné avec une température des gaz d'entrée comprise dans la plage 4805900C. On peut déterminer le profil de température, ou gradient, à l'intérieur de la turbine en procédant à des mesures comme on l'a décrit ci-dessus, à partir des critères de conception ou de l'expérience acquise en service, sans avoir à recourir à une expérimentation excessive.In addition, as shown previously in Figure 3, it does not appear that the average rate of elongation until break depends on the temperature in the temperature range from about 480 "C to 5900C. most steam turbines have an inlet temperature within this range. So, with a good approximation, it is only necessary to know the time during which such a turbine has operated with an inlet gas temperature within the 4805900C range The temperature profile, or gradient, inside the turbine can be determined by making measurements as described above, based on design criteria or experience gained in service , without having to resort to excessive experimentation.

En figures 6A et 6B, on a représenté des courbes de l'effort nominal et de l'allongement par fluage, respectivement, pour- la queue d'aronde 20 de la figure 5. L'effort nominal a(NOM) ou l'allongement par fluage (NOM) sont l'effort moyen ou l'allongement moyen par fluage dans la partie la plus large, ou base, 21 de la queue d'aronde 20. L'effort concentré a(CONC) ou l'allongement par fluage concentré e(CONC) sont l'effort ou l'allongement par fluage les plus élevés dans la queue d'aronde 20, lesquels se produisent typiquement dans la zone des découpes 15, 16 et 17. La relation entre l'effort nominal et l'effort concentré est principalement fonction de la géométrie de la queue d'aronde 20 et peut être obtenue à partir d'une combinaison de facteurs de concentration d'efforts - (R.E.Peterson, John Wiley & Sons, Inc. (1974)) et de l'équation de Stowell:
S
K =1+(K-I)SN a + (KTî) 5N dans laquelle : K a = facteur de concentration des efforts
inélastiques,
K T = facteur de concentration des efforts
élastiques,
S = module sécant pour efforts concentrés,
S = module sécant pour efforts nominaux.
In FIGS. 6A and 6B, curves of the nominal force and the elongation by creep are shown, respectively, for the dovetail 20 of FIG. 5. The nominal force a (NOM) or the creep elongation (NOM) are the average effort or the mean elongation by creep in the widest part, or base, of the dovetail 20. The concentrated effort a (CONC) or the elongation by concentrated creep e (CONC) are the highest creep stress or elongation in the dovetail 20, which typically occurs in the region of cuts 15, 16 and 17. The relationship between nominal stress and the concentrated effort is mainly a function of the geometry of the dovetail 20 and can be obtained from a combination of stress concentration factors - (REPeterson, John Wiley & Sons, Inc. (1974)) and from Stowell's equation:
S
K = 1 + (KI) SN a + (KTî) 5N in which: K a = force concentration factor
inelastic,
KT = force concentration factor
elastic,
S = secant module for concentrated forces,
S = secant module for nominal forces.

n K a est également défini par le quotient des efforts concentrés et des efforts nominaux . On peut utiliser la courbe de l'allongement concentré par fluage de la figure 6B de la même manière que pour la courbe de la figure 4. n K a is also defined by the quotient of concentrated efforts and nominal efforts. The curve of the elongation concentrated by creep in FIG. 6B can be used in the same way as for the curve in FIG. 4.

Ainsi, selon la présente invention, un procédé de calcul de l'endommagement par rupture dû au fluage pour un composant de turbine comprend la détermination de la vitesse d'accumulation des allongements par fluage dans le composant toutes les fois que celui-ci est soumis à un effort à une température élevée, c'est-à-dire à une température supérieure à environ 480"C pendant une durée prédéterminée.On peut déterminer l'endommagement D dû à la vitesse d'allongement à partir de l'équation (6)

Figure img00150001

dans laquelle DT est l'endommagement du composant pour la vitesse des allongements cumulés, At n le temps de fonctionnement du composant à une vitesse d'allongement par fluage prédéterminée n et t rn le temps jusqu'à la rupture d'un composant de turbine à la vitesse prédéterminée d'allongement par fluage.Comme DT, endommagement pour la vitesse des allongements cumulés, représente la durée de vie fractionnée cumulative du composant de turbine, résiduaire, on prédit que la défaillance du composant se produit lorsque DT est égal à 1, et, par conséquent, la durée de vie utile restante du composant est égale au temps total (c'est-à-dire depuis le début du fonctionnement du composant) nécessaire pour que DT soit égal à 1 moins le temps total réel de service du composant.Thus, according to the present invention, a method for calculating the creep rupture damage for a turbine component comprises determining the rate of accumulation of the creep elongations in the component each time the latter is subjected. at an effort at a high temperature, that is to say at a temperature above about 480 "C for a predetermined period. Damage D due to the rate of elongation can be determined from equation ( 6)
Figure img00150001

in which DT is the damage to the component for the speed of the cumulative elongations, At n the operating time of the component at a predetermined creep elongation speed n and t rn the time until the rupture of a turbine component at the predetermined creep elongation speed. As DT, damage to the speed of the cumulative elongations, represents the cumulative fractional life of the turbine, residual component, it is predicted that the component failure will occur when DT is equal to 1 , and therefore the remaining useful life of the component is equal to the total time (i.e. since the start of component operation) necessary for DT to be equal to 1 minus the actual total service time of the component.

Par exemple, à tout moment, on peut déterminer le temps auquel DT sera égal à 1 en supposant que les conditions antérieures de fonctionnement du composant continueront à être sensiblement identiques.For example, at any time, one can determine the time at which DT will be equal to 1 by assuming that the previous conditions of operation of the component will continue to be substantially identical.

On peut appliquer l'équation (6) à n'importe quelle condition de charge, ou de fonctionnement, pour laquelle le comportement pour allongement par effort de tension peut être estimé, ou est déterminable ou définissable. Equation (6) can be applied to any load or operating condition for which the behavior for elongation by tensile stress can be estimated, or is determinable or definable.

Elle est particulièrement utile dans les cas où l'effort ne reste pas constant, car c'est généralement la variation de l'effort opérationnel en fonction du temps qui rend le procédé non-valable ou est à l'origine d'erreurs inacceptables lorsqu'on emploie des techniques antérieures pour prédire la durée de vie utile résiduelle d'un composant. Par exemple, dans le cas d'un effort concentré, qui est initialement supérieur à un effort nominal, l'effort concentré tend à se relâcher, ou à diminuer, par suite du mécanisme du fluage, changeant ainsi l'effort sans qu'il y ait nécessairement modification des conditions de fonctionnement.It is particularly useful in cases where the effort does not remain constant, because it is generally the variation of the operational effort as a function of time that makes the process invalid or is the source of unacceptable errors when 'Previous techniques are used to predict the remaining useful life of a component. For example, in the case of a concentrated effort, which is initially greater than a nominal effort, the concentrated effort tends to relax, or to decrease, as a result of the mechanism of creep, thus changing the effort without it there is necessarily a change in operating conditions.

On vient donc d'illustrer et de décrire un procédé permettant de déterminer avec précision la durée de vie utile restante, ou durée de vie résiduelle, où les composants sont soumis à l'effet d'un endommagement par fluage, tout en incorporant les effets de l'accumulation de la vitesse de fluage.  We have therefore just illustrated and described a process making it possible to precisely determine the remaining useful life, or residual life, where the components are subjected to the effect of damage by creep, while incorporating the effects of the creep velocity accumulation.

Claims (7)

REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer la durée de vie résiduelle d'un composant de turbomachine, caractérisé en ce qu'il consiste à 1. Method for determining the residual service life of a turbomachine component, characterized in that it consists of - déterminer une courbe de l'allongement par fluage en fonction du temps pour le composant en fonctionnement de la turbomachine - determine a curve of elongation by creep as a function of time for the component in operation of the turbomachine - déterminer une vitesse correspondante de variation de l'allongement par fluage pendant une première durée prédéterminée - determine a corresponding speed of variation of the elongation by creep during a first predetermined duration - déterminer un temps correspondant jusqu'à la rupture pour la vitesse de variation de l'allongement par fluage; - determine a corresponding time until failure for the speed of variation of the elongation by creep; et and - effectuer la division de la durée prédéterminée par le temps jusqu'à la rupture afin d'obtenir une valeur d'endommagement, cette valeur étant représentative de la partie de la durée de vie déjà employée du composant en fonctionnement pendant la durée prédéterminée. - Carry out the division of the predetermined duration by the time until rupture in order to obtain a damage value, this value being representative of the part of the lifetime already used of the component in operation during the predetermined duration. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étapes consistant à déterminer une vitesse correspondante de variation de l'allongement par fluage, à déterminer un temps correspondant jusqu'à la rupture et à effectuer la division sont répétées pendant une multitude de durées prédéterminées, et en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à cumuler les valeurs d'endommagement pour chaque durée respective de la multitude de durées afin de déterminer la partie de la durée de vis déjà employée du composant en fonctionnement pendant la multitude des durées prédéterminées. 2. Method according to claim 1, characterized in that the steps consisting in determining a corresponding speed of variation of the elongation by creep, in determining a corresponding time until rupture and in carrying out the division are repeated during a multitude of predetermined durations, and in that it further comprises the step of accumulating the damage values for each respective duration of the multitude of durations in order to determine the part of the screw duration already used of the component in operation during the multitude of predetermined durations. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la détermination d'une courbe de l'allongement concentré par fluage en fonction du temps toutes les fois que le composant est soumis à des allongements par fluage nominaux et concentrés.  3. Method according to claim 2, characterized in that the determination of a curve of the elongation concentrated by creep as a function of time whenever the component is subjected to nominal and concentrated elongations by creep. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détermination d'un temps correspondant jusqu'à la rupture comporte l'extrapolation de la courbe de l'allongement par fluage en fonction du temps à partir de la zone de fluage secondaire jusqu'à la zone de fluage tertiaire. 4. Method according to claim 1, characterized in that the determination of a corresponding time until failure involves the extrapolation of the curve of the elongation by creep as a function of time from the secondary creep zone up to 'to the tertiary creep zone. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape consistent à déterminer la courbe de l'allongement par fluage en fonction du temps comporte la détermination de la température de fonctionnement du composant et la sélection du temps correspondant à la température de fonctionnement déterminée. 5. Method according to claim 2, characterized in that the step consists in determining the curve of the elongation by creep as a function of time comprises the determination of the operating temperature of the component and the selection of the time corresponding to the temperature of determined operation. 6. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape consistant à déterminer un temps correspon ayant jusqu'à la rupture comprend la détermination du temps de fonctionnement du composant à des conditions nominales de marche, dans laquelle le total de la multitude de durées prédéterminées est égal au temps de fonctionnement du composant aux conditions nominales de marche. 6. Method according to claim 2, characterized in that the step consisting in determining a corresponding time having until the rupture comprises the determination of the operating time of the component at nominal operating conditions, in which the total of the multitude of predetermined durations is equal to the operating time of the component at nominal operating conditions. 7. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la multitude de durées prédéterminées sont chacunes choisies de manière à etre suffisamment petites pour que chaque vitesse de variation correspondante de l'allongement par fluage se rapproche linéairement de la courbe de l'allongement.  7. Method according to claim 2, characterized in that the multitude of predetermined durations are each chosen so as to be sufficiently small so that each corresponding speed of variation of the elongation by creep approaches linearly the curve of the elongation.
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