CH697955A2

CH697955A2 - Verfahren und System zur Messung der Verformung von Turbinenschaufeln.

Info

Publication number: CH697955A2
Application number: CH01465/08A
Authority: CH
Inventors: John David Ward Jr
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2007-10-04
Filing date: 2008-09-15
Publication date: 2009-04-15
Also published as: DE102008037412A1; CH697955B1; CN101403612B; US7493809B1; CN101403612A; JP2009092063A

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Messung der Verformung einer Turbinenschaufel (10); das Verfahren umfasst die Identifizierung mindestens eines Messpunktes (36), der auf einer Turbinenschaufel (10) liegt, Speicherung einer Information, die zu einer ersten Position (38) des mindestens einen Messpunktes (36) gehört, den Betrieb der Turbinenschaufel (10) während einer Zeitspanne, die Messung eines räumlichen Abstands (40), den der mindestens eine Messpunkt (36) nach dem Betrieb der Turbinenschaufel (10) während der Zeitspanne durchlaufen hat, wobei der räumliche Abstand (40) relativ zur ersten Position (38) des mindestens einen Messpunktes (36) gemessen wird, und die Bestimmung einer Verformung (42) der Schaufel (10), basierend auf der Messung des räumlichen Abstands.

Description

[0001] Turbinenschaufeln sind beim ihrem Betrieb sehr hohen Beschleunigungen ausgesetzt. Diese Beschleunigungen können in Teilen der Turbinenschaufeln grosse Spannungen erzeugen, die nach dem Betrieb der Turbine während einer gewissen Zeitspanne eine permanente körperliche Verformung der geometrischen Merkmale der Turbinenschaufel bewirken. Wenn diese Verformung unvermindert anhält, kann die Gesamtverformung der Turbinenschaufel zu einem Versagen der Schaufel führen, einschliesslich von unter anderem einem total Schaufelbruch durch Rissbildung, Bruch oder Systemversagen, wie etwa die Abschaltung von zugeordneten Vibrationsdämpfungsmerkmalen für die Schaufeln.

Ein Verfahren und System zur Quantifizierung der Verformung einer Turbinenschaufel wäre wünschbar.

[0002] Die Erfindung betrifft ein solches Verfahren, das durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet ist. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens haben die Merkmale der Ansprüche 2-9.

[0003] Die Erfindung betrifft auch ein System zur Messung der Verformung von Turbinenschaufeln mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen.

[0004] Das erfindungsgemässe Verfahren umfasst die Identifizierung mindestens eines auf der Turbinenschaufel liegenden Messpunktes; die Speicherung von Information, die sich auf eine erste Position des mindestens einen Messpunktes bezieht; den Betrieb der Turbinenschaufel während einer Zeitspanne;

die Messung eines räumlichen Abstandes, welchen der mindestens eine Messpunkt nach dem Betrieb der Turbinenschaufel während der Zeitspanne durchwandert hat, wobei der räumliche Abstand relativ zur ersten Position des mindestens einen Messpunktes gemessen wird; und die Bestimmung einer Verformung der Schaufel, beruhend auf der Messung des räumlichen Abstands.

[0005] Das erfindungsgemässe System zur Messung der Verformung einer Turbinenschaufel, umfasst eine Rechenvorrichtung, die so ausgebildet ist, dass sie die positionale Information speichert, welche sich auf eine erste Position mindestens eines auf der Turbine liegenden Messpunktes bezieht, und eine mit der Rechenvorrichtung assoziierte Messvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie einen Abstand misst,

welchen der mindestens eine Messpunkt relativ zu einer ersten Position durchlaufen hat.

[0006] In der folgenden nicht beschränkenden Beschreibung wird auf Zeichnungen Bezug genommen, in welchen darstellen:
<tb>Fig. 1<sep>die Seitenansicht einer Turbinenschaufel gemäss Stand der Technik;

<tb>Fig. 2<sep>die Draufsicht auf eine Turbinenschaufel gemäss Stand der Technik;

<tb>Fig. 3<sep>die perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel gemäss Stand der Technik;

<tb>Fig. 4<sep>die schematische Ansicht eines Systems zur Messung der Verformung einer Turbinenschaufel;

<tb>Fig. 5<sep>die schematische Teilansicht des Teils einer Turbinenschaufel einschliesslich von Messpunkten zur Verwendung mit dem System von Fig. 4;

<tb>Fig. 6<sep>die schematische Ansicht eines Teils der verformten Turbinenschaufel von Fig. 5;

<tb>Fig. 7<sep>eine vergrösserte schematische Ansicht eines Teils der Turbinenschaufel und des Teilbildes der verformten Schaufel von Fig. 6;

<tb>Fig. 8<sep>die schematische Ansicht eines Teils der Turbinenschaufel von Fig. 5, wobei Fig.8 die Bewegungsrichtung zeigt;

<tb>Fig. 9<sep>die schematische Teilansicht einer Turbinenschaufel mit der Teildarstellung einer verformten Schaufel; und

<tb>Fig. 10<sep>ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens zur Messung der Verformung einer Turbinenschaufel darstellt.

[0007] In den Fig. 1 bis 3 ist eine Turbinenschaufel 10 dargestellt. Wie am besten aus Fig. 1 zu ersehen, besitzt die Turbinenschaufel 10 einen Endmantel 12, einen Flügelteil 14, einen Schaft 16 und einen Schwalbenschwanz 18. Nachfolgend wird ein System 20 zur Messung der Verformung dieser Turbinenschaufel 10 erläutert. Bei einem Ausführungsbeispiel des Systems 20 wird die Verformung der Turbinenschaufel 10 speziell am Endmantel 12 der Turbinenschaufel 10 gemessen. Die ausgewählten und auf Verformung zu messenden Teile umfassen unter anderem die Schneidzähne 22, die Schienen 24, die Kanten 26, die z-Rillen 28 und die Flügelverbindungsteile (engl, fillets) 30 des Schaufelmantels 12.

Die Schneidzähne 22, die Schienen 24, die Kanten 26, die z-Rillen 28, die Flügelverbindungsteile 30 und der Endmantel 12 sind am besten aus den Fig. 2 bis 4 zu ersehen.

[0008] In den Fig. 4 bis 8 ist das System 20 dargestellt. Wie am besten aus Fig. 4 zu ersehen, umfasst das System eine Rechenvorrichtung 32, die mit oder einem Teil einer Messvorrichtung 34 verbunden ist. Die Rechenvorrichtung 32 ist so ausgebildet, dass sie die positionale Information speichert, welche sich auf eine erste Position 38 mindestens eines Messpunktes 36 bezieht, der vorgängig auf dem Endmantel 12 der Turbine 10 (siehe Fig. 6, 7) identifiziert worden ist. Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 4 ist die Schaufel 10 so dargestellt, dass sie in der Messvorrichtung 34 zur Ausmessung angeordnet ist.

Obwohl in Fig. 4 die zu vermessende Schaufel 10 entfernt aus der Turbine dargestellt ist, versteht sich, dass diese Messungen auch dann durchgeführt werden können, wenn sich die Schaufel in der Turbine befindet.

[0009] Die als Messpunkte 36 identifizierten Punkte auf der Turbine 10 können als solche zu einem beliebigen Zeitpunkt vor oder nach der Herstellung der Schaufel 10 festgelegt werden, wobei der Ort der Messpunkte 36 während der Betriebsdauer der Schaufel 10 jederzeit verändert werden kann.

Diese sich auf die ersten Positionen 38 der Messpunkte 36 beziehende positionale Information kann vom Anwender abgenommen und in die Rechenvorrichtung 32 eingegeben und/oder von der Messvorrichtung 34 selbst abgenommen und zur Rechenvorrichtung 32 übermittelt werden.

[0010] Abgesehen davon, dass die Messvorrichtung die positionale Information aufnehmen kann, die sich auf die ersten Positionen 38 der Messpunkte 36 beziehen, ist die Messvorrichtung auch so ausgebildet, dass sie einen räumlichen Abstand 40 messen kann, welchen die Messpunkte 36 relativ zu den ersten Positionen 38 der Messpunkte 36 durchwandert haben. Die Bewegung der Messpunkte 36 über den räumlichen Abstand 40 ist Folge von normalen Beanspruchungen, denen die Turbinenschaufel 10 während des Betriebs der Schaufel während einer Zeitspanne ausgesetzt ist.

Diese Bewegung führt zur zweiten Positionen 41 der Messpunkte 36, die nach dem Betrieb der Turbine während der Zeitspanne identifiziert werden, wobei die ersten Positionen vor dem Betrieb der Turbine identifiziert worden sind. Der am besten aus den Fig. 6 und 7 zu erkennende räumliche Abstand 40 wird zwischen den ersten Positionen 38 der Messpunkte 36 und den zweiten Positionen 41 der Messpunkte 36 gemessen (wie am Bild der verformten Schaufel 43 zu erkennen), wobei die Messung nach dem Betrieb der Turbine während der Zeitspanne (d.h. jeder beliebigen Zeitspanne während der Betriebsdauer der Turbine) erfolgt.

Da die Messpunkte 36 während des Betriebs der Schaufel 10 auf der Turbinenschaufel 10 festgelegt bleiben, stellt der Abstand 40 zwischen den ersten Positionen 38 und den zweiten Positionen 41 tatsächlich eine Verformung der Schaufel 10 im Bereich der Positionsveränderung der Messpunkte 36 dar. Der Abstand 40 stellt daher als solcher eine Verformung 42 der Schaufel 10 dar.

[0011] In Fig. 8 ist ein Koordinatenmesssystem 49 mit einer Null-Position 50 dargestellt. Unter Verwendung dieses Koordinaterimesssystems 49 kann die Verformung 42 der Schaufel 10 relativ zur Null-Position 50 in mindestens einer radialen Richtung 44, einer axialen Richtung 46 und einer tangentialen Richtung 48 relativ zu einer (nicht dargestellten) Turbine gemessen werden, an welcher die Turbinenschaufel 10 befestigt ist.

Wie in Fig. 10 dargestellt, kann die radiale, axiale und tangentiale Verformung auf Grund des Abstandes 40 gemessen werden, welchen die Messpunkte 36 in der jeweiligen Richtung 44 bis 48 durchwandert haben. Ausserdem kann eine Gesamtverformung 42 der Schaufel 10 dadurch gemessen werden, dass man der in radialer Richtung 44 durchwanderten Entfernung 40 einen Wert z, der in axialer Richtung 46 durchwanderten Entfernung 40 einen Wert x, und der in tangentialer Richtung 48 durchwanderten Entfernung 40 einen Wert y zuordnet, und diese Werte von x, y z in eine Gleichung eingibt, mit welcher die gesamte Verformung gleich dem Ergebnis des folgenden Ausdrucks ist:

[0012] Die Rechenvorrichtung 32 und die Messvorrichtung 34 des Systems 20 gemäss dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 kann gemäss Fig. 9 zur Messung der Verformung 42 der Turbine 10 unter Verwendung festgelegter Orte 51 in einem Raum 52 um die Turbinenschaufel 10 (etwa dem Raum im Innern der Messvorrichtung 34) ausgebildet sein. Diese Orte 51 können irgendwo in dem die Schaufel 10 umgebenden Raum angeordnet sein, wie etwa auf dem Schwalbenschwanz 18 (siehe Fig. 1) der Turbinenschaufel 10 (wobei der Schwalbenschwanz 53 nach der Schaufelverwendung keine oder wenig Verformung zeigt), im Inneren der Messvorrichtung 34 (siehe Fig. 4) oder auf anderen Komponenten der Turbine, an welcher die Schaufel 10 befestigt ist, liegen.

Ausserdem können die Nullstellungen 50 des Koordinatenmesssystems 49 an diesen Orten 51 angeordnet sein, sodass sie die räumliche Entfernung 40 messen, welche die Messpunkte 36 relativ zur Null-Position 50 eines an einem festen Ort 51 angeordneten Koordinatensystems 49 durchwandert haben. Um die Verformung 42 unter Verwendung der Nullstellungen 50 der festgelegten Orte 51 zu messen, speichert die Rechenvorrichtung 52 die zu einem Ausgangsabstand 56 zwischen Messpunkt 36 und der Null-Position 50 gehörende Information.

Diese zur Ausgangsentfernung 56 zwischen den Messpunkten 36 und den Null-Positionen 50 gehörende Information kann von einem Anwender abgenommen und in die Rechenvorrichtung 32 eingegeben oder von der Messvorrichtung 34 genommen und der Rechenvorrichtung 32 zugeführt werden.

[0013] Zusammen mit der Fähigkeit zur Informationssammlung, die sich auf den Ausgangsabstand 56 bezieht, ist die Messvorrichtung 34 auch so ausgebildet, dass sie zweite Abstände 58 zwischen den Messpunkten 36 und den Nullstellungen 50 messen kann. Diese zweiten Entfernungen 58 werden zwischen den Messpunkten 36 und den Null-Positionen 50 gemessen, nachdem die Turbinenschaufel 10 während einer Zeitspanne normal betrieben wurde (siehe das Bild der verformten Schaufel 43).

Die Rechenvorrichtung 32 kann dann eine Differenz 60 der Länge zwischen der Ausgangsentfernung 56 (gemessen vor dem Betrieb während der Zeitspanne) und der zweiten Entfernung 58 (gemessen nach Betrieb während der Zeitspanne), um die Distanz 40 bestimmen, welche die Messpunkte 36 relativ zu den Null-Positionen 50 durchwandert haben. Die Entfernung 40 ist gleich der Differenz 60. Da die Null-Positionen 50 / feste Orte 51 relativ zur Bewegung der Messpunkte 36 und der Turbine 10 fixiert bleiben, stellt die Entfernung 40 tatsächlich die Verformung 42 der Schaufel 10 im Bereich der Ortsveränderung der Messpunkte 36 dar.

Natürlich kann die Verformung 42 in mindestens einer radialen Richtung 44, mindestens einer axialen Richtung 46 und mindestens einer tangentialen Richtung 48 (relativ zur Turbine, zu welcher die Schaufel 10 gehört) des in Fig. 8 gezeigten Koordinatensystem 49 gemessen werden.

[0014] Es versteht sich, dass das System 20, wie es zur Messung der Verformung 42 verwendet wird, eine Messvorrichtung 34 aufweisen kann, die eine Kontaktmessvorrichtung ist, wie eine Koordinatenmessvorrichtung, oder eine kontaktfreie Messvorrichtung, wie eine optische Messvorrichtung, ist. Es versteht sich auch, dass sich auf Basis der an der Turbinenschaufel 10 gemessenen Verformung eine restliche Betriebsdauer der Turbinenschaufel 10 voraussagen lässt.

Aus der verbleibenden Restlaufzeit der Schaufel 10 können dann Schaufelersatzpläne aufgestellt und durchgeführt werden.

[0015] In Fig. 10 ist ein Verfahrensbeispiel 100 zur Messung der Verformung einer Turbinenschaufel 10 erläutert. Das Verfahren 10 umfasst die Identifizierung mindestens eines Messpunktes 36, der auf der Turbinenschaufel 10 liegt, und die Speicherung der Information, die sich auf eine erste Position 38 des mindestens einen Messpunktes 36 bezieht, wie dies durch den Operationsblock 102 dargestellt ist.

Das Verfahren 100 umfasst auch den Betrieb der Turbinenschaufel 10 während einer Zeitspanne sowie die Messung eines räumlichen Abstandes, welchen der mindestens eine Messpunkte 36 nach dem Betrieb der Turbinenschaufel während der Zeitspanne durchlaufen hat, wobei der räumliche Abstand 40 relativ zur ersten Position 38 der Messpunkte 36 gemessen wird, was in Block 104 dargestellt ist. Das Verfahren umfasst ferner die Bestimmung einer Verformung 42 der Schaufel 10, basierend auf der Messung des räumlichen Abstands 40, wie dies durch Block 106 dargestellt ist.

[0016] Für den Fachmann ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen Abänderungen der beschriebenen Beispiele im Rahmen der Ansprüche.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Deformation (42) einer Turbinenschaufel (10) durch: - Identifizierung mindestens eines Messpunktes (36) auf der Turbinenschaufel (10); - Abspeichern von Information betreffend eine erste Position (38) des mindestens einen Messpunktes (36); - Betrieb der Turbinenschaufel (10) während einer Zeitspanne; - Messung eines räumlichen Abstandes (40), welchen der mindestens eine Messpunkt (36) nach dem Betrieb der Turbinenschaufel (10) über die genannte Zeitspanne gewandert ist, wobei der räumliche Abstand (40) relativ zu der ersten Position (38) des mindestens einen Messpunktes (36) gemessen wird; und - Bestimmung einer Verformung (42) der Schaufel, bezogen auf der Messung des räumlichen Abstands (40).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der durchlaufene räumliche Abstand (40) in mindestens einer radialen Richtung (44), einer axialen Richtung (46) und einer tangentialen Richtung (48) relativ zu einer Turbine gemessen wird, an welcher die Turbinenschaufel (10) befestigt ist, wobei die Bestimmung das Bestimmen der radialen Verformung (42) auf Basis des räumlichen Abstands (40) der in der radialen Richtung (44) durchlaufen wurde, die Bestimmung der axialen Verformung (42) auf Basis des räumlichen Abstands (40) der in der axialen Richtung (46) durchlaufen ist und die Bestimmung der tangentialen Verformung (42) auf Basis des räumlichen Abstands (40) der in der tangentialen Richtung (48) durchlaufen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der durchlaufene räumliche Abstand (40) in einer radialen Richtung (44), in einer axialen Richtung (46) und einer tangentialen Richtung (48) relativ zur Disposition der Turbinenschaufel (10) in einer Turbine gemessen wird, und wobei die Verformung (42) durch eine Gleichung bestimmt wird, in welcher der in der radialen Richtung (44) durchlaufene räumliche Abstand (40) durch z, der in der axialen Richtung (46) durchlaufene räumliche Abstand (40) durch x und der in der axialen Richtung (46) durchlaufene räumliche Abstand (40) durch y dargestellt ist, wobei die Verformung (42) mittels der Gleichung <EMI ID=3.0>

4. Verfahren nach Ansprach 1, bei dem mindestens eine Identifizierung und Messung mittels mindestens einer der Folgenden erzielt wird: einer Kontaktmessvorrichtung (34), einer berührungsfrei arbeitenden Messvorrichtung, einer Koordinatenmessvorrichtung oder einer optischen Messvorrichtung.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zusätzlich eine Restlaufzeit der Turbinenschaufel (10) auf Basis der Bestimmung vorausgesagt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zusätzlich mindestens eine Null-Position (50) eines Koordinatensystems (49) bestimmt wird, wobei der von dem mindestens einem Messpunkt (36) durchlaufene räumliche Abstand (40) relativ zur Null-Position (50) des Koordinatensystems (49) gemessen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Null-Position (50) des Koordinatensystems (49) an einem Ort im Raum (52) um die Turbinenschaufel (10) angeordnet ist, wobei dieser Ort in einer Koordinatenmessvorrichtung oder optischen Messeinrichtung angeordnet ist, die zur Messung der Verformung (42) der Turbinenschaufel (10) verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Nullpunkt (50) des Koordinatensystems (49) in einem Raum (52) um die Turbinenschaufel (10) liegt, wobei die Null-Position (50) auf einem Schwalbenschwanzbereich der Turbinenschaufel (10) liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Null-Position (50) des Koordinatensystems (49) in einem Raum (52) um die Turbinenschaufel (10) liegt, wobei die Null-Position (50) auf einem Turbinenteil einer Turbine liegt, zu welcher die Turbinenschaufel (10) gehört.

10. System zur Messung der Verformung (20) einer Turbinenschaufel (10) umfass send: - eine Rechenvorrichtung (32), die so konfiguriert ist, dass sie die positionale Information speichern kann, die zu einer ersten Position (38) mindestens eines Messpunktes (36) gehört, der auf der Turbine liegt; und - eine Messvorrichtung (34), die der Rechenvorrichtung (32) zugeordnet ist, wobei die Messvorrichtung (34) so konfiguriert ist, dass sie einen von dem mindestens einen Messpunkt (36) relativ zu der ersten Position (38) durchlaufenen Abstand misst.