CN101600934A - 确定流体机械的工作叶片与围绕工作叶片的壁之间距离的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种确定燃气轮机的至少一个工作叶片(14)与围绕所述至少一个工作叶片(14)的壁(111)之间距离(Δx)的装置，它包括一个用于导引电磁波(31、32)和通过至少一个面朝工作叶片(14)的波导管口(41)朝工作叶片(14)方向发送电磁波(31)的波导管(40)，至少一个用于将电磁波(31)供入波导管(40)内的装置(51)，至少一个用于接收要供入波导管(40)内的电磁波(31)的被反射的份额(32)的装置(52)。此装置还有一个用于评估所供入的电磁波(31)的被接收反射的份额(32)的数据分析器(60)，它包括用于比较所供入的电磁波(31)的相位与供入的电磁波(31)被反射的份额(32)相位的装置(61)，其中，借助数据分析器可以对每种频率确定一个相位比较值，并根据比较相位比较值可以确定距离(Δx)。在这里波导管(40)由至少两个波导管区段(42a、42b、42c)组成，它们用不同材料制造，其中，材料的耐温性和对电磁波的衰减能力，从那个与用于供入和接收的装置(51、52)连接的区段(42c)起，朝具有波导管口(41)的区段(42a)方向提高。

Description

确定流体机械的工作叶片与围绕工作叶片的壁之间距离的装置
技术领域
本发明涉及一种确定燃气轮机的至少一个工作叶片与围绕所述至少一个工作叶片的壁之间距离的装置以及一种方法的应用。
背景技术
由DE 197 05 769A1可知一种相应的用于监测透平机径向和轴向间隙的装置，以及该装置相应的应用。
流体机械，例如蒸汽或燃气轮机，在工业上用作热力机械，将储存在气流中的能量转化成机械能，尤其转化为旋转运动。为了保证可靠地运行此类流体机械，力求尤其在运行期间并因而当安装在流体机械内的叶轮旋转时，能连续监测叶轮的工作叶片。在这里，准确遵守工作叶片叶尖，亦即工作叶片沿径向最外面的边缘，离围绕工作叶片的壁的距离(径向间隙)非常重要。出自于安全的原因不允许低于一个最小径向间隙；然而径向间隙过大将导致不希望的低效率。除了径向间隙外，尤其对于具有盖带的叶栅加内衬的叶轮，离壁件的轴向距离至关重要。因为这些参数通过不同的动力学影响因素而改变，所以力求能在运行期间连续监测径向间隙和轴向间隙。径向间隙的大小可例如借助电容式探头监测，它定位在叶尖附近，不与之接触。然而可惜这些探头的精度、位置分辨率和使用寿命有限。
在DE 197 05 769A1中提供了一种监测流体机械径向和轴向间隙的装置。在这里使用一个雷达系统，它包括发送及接收单元，具有固定频率的电磁波从这里发出，通过波导管，对准流体机械的叶轮。在这里波导管穿过围绕叶轮的机匣并固定在那里。波导管的出口设在叶轮的工作叶片顶端上方非常靠近的地方，从而可以确定发送的电磁波的反射、叶片顶端离波导管端的距离，并因而确定离围绕工作叶片的壁距离是多少。所述的确定借助反射的电磁波的相位分析实现。通过确定发送与反射的微波之间的相位差，完成距离的确定。
在机匣内部叶轮的区域内，尤其对于燃气轮机，在其运行时可存在极端的高温条件。在燃气轮机的流动通道中通常产生约1200℃的温度。这种极端温度对于波导管的性能提出了一些特殊的要求，它一方面必须设计为耐热的，以及另一方面对于要导引的电磁波应当有低的衰减能力。耐高温材料，例如超级高温合金，通常其特征为，它们对于要导引的电磁波有很高的衰减能力，而有低衰减能力的材料，例如铜，不能承受上述高的极端温度。
发明内容
现在本发明要解决的技术问题是，提供一种相应的装置和一种该装置的应用，其中波导管能尽可能少衰减地导引电磁波，并与此同时可以耐高温。
为解决上述技术问题提供一种与独立专利权利要求1特征相应的装置。
因此，所述用于确定燃气轮机的至少一个工作叶片与围绕该至少一个工作叶片的壁之间距离的装置，该装置包括下列部分，即
-波导管，其用于导引电磁波和通过至少一个面朝工作叶片的波导管口朝工作叶片方向发送电磁波，
-至少一个与波导管连接的用于将电磁波供入波导管内的装置，
-至少一个与波导管连接的用于接收所述供入波导管内的电磁波被反射的份额的装置，
以及
-数据分析器，其用于评估所供入的电磁波被接收反射的份额，数据分析器包括用于比较所供入的电磁波的相位与所供入的电磁波被反射的份额的相位的装置，其中，借助数据分析器可以对每种频率确定一个相位比较值，并根据比较相位比较值可以确定所述距离，
应设计为，
-波导管由至少两个波导管区段组成，它们用不同材料制造，其中，材料的耐温性和对电磁波的衰减能力，从那个与用于供入和接收的装置连接的区段起，朝具有波导管口的区段方向提高。
本发明基于以下认识：波导管的温度从波导管口起朝用于供入和接收的装置方向降低。为了保证在波导管内尽可能最佳、高效地导引电磁波，通过本发明使这种温度变化第一次近似地反映在波导管上，所以按照本发明，相应于对耐热性和衰减能力的要求，波导管由具有各不相同的衰减能力和各不相同的耐热性的不同材料的区段组成。
由从属于权利要求1的那些权利要求可知本发明装置的有利的扩展设计。在这里，按照权利要求1的实施形式可以与相关从属权利要求之一的特征或优选地也可以与多项从属权利要求的特征组合。据此，按照本发明的装置附加地还有下列特征：
-例如波导管可由三段组成。由此达到更好地适应燃气轮机运行时在波导管中存在的温度变化。
-有利地，与用于供入和接收的装置连接的区段可以用一种具有低衰减能力的金属制成，尤其11元素族或铂，以及具有波导管口的区段用具有高耐热强度的超级高温合金制造。
属于11元素族的铜、银和金有杰出的电导率，它们在导引电磁波时反映出有很低的衰减能力。因此这一用11元素族制造或至少设有由11元素族或铂组成的内部镀层的波导管段可以加长到，使那些与此区段连接的供入和接收装置，能布设在离燃气轮机壁安全的距离处。
超级高温合金表示应用于高温的复合成分的合金。在这里涉及添加元素钴、镍、铁、铬、钼、钨、铼、钌、钽、铌、铝、钛、锰、锆、碳和/或硼的铁、镍或钴基合金。这种具有耐高温性超过1200℃的波导管段，能经受住在燃气轮机运行时流动通道内并因而在壁的面朝流动通道那一侧存在的高的温度。
-有利地，中段可以用不锈钢制造。由此保证中段耐腐蚀。不锈钢的耐高温性和衰减能力处于超级高温合金与11元素族之间。
-可以优选，与供入和接收装置连接的区段设计为可用液体或空气冷却。由此可以使该区段朝流动通道的方向更深地进入壁内。在这种情况下通过冷却避免高温损坏。作为冷却液体可例如采用水。
-有利地，波导管在两个彼此相继的区段的过渡区，可以设有由这两个区段的材料之一组成的镀层。由此避免在两段之间过渡区的界面上电磁波的反射，以及改善波导管的导引特性。
-可以优选，具有波导管口的那个区段设计为喇叭形。由此保证，电磁波以一种由喇叭形决定的发射特征离开波导管，以及发射的电磁波被反射的份额又能以高的回收率接收，因为接收的回收率由波导管端部的喇叭直径决定。在这里具有波导管口的那个区段与所述壁的面朝流动通道的内表面齐平地结束。但也可以设置为回缩在壁的口内，使该区段不直接遭遇流动通道中的气流。
-可优选，所述电磁波是尤其在70GHz至150GHz频率范围内的毫米波。因为在这些频率时的波长约为4毫米和更短，因此可以使用非常紧凑的波导管，它们的横截面尺寸典型地可以在要导引的波长的数量级内选择。
此外本发明还涉及一种按照本发明用于确定燃气轮机的至少一个工作叶片与围绕所述至少一个工作叶片的壁之间距离的装置的应用。
-在这里波导管可有利地布设在所述壁的一个冷却通道内。由此，为了安装按照本发明的装置，可以利用为冷却已经设在壁内的许多冷却通道之一。
附图说明
下面借助附图详细说明所述装置的优选的、但绝不仅限于此的实施例。为了看得清楚，附图未按尺寸比例设计以及示意性地表示出了某些特征。其中：
图1表示现有技术的燃气轮机局部剖切的透视图；
图2表示图1中燃气轮机的一个工作叶片；
图3示意表示按照本发明具有三个波导管段的装置；以及
图4示意表示按照本发明具有两个波导管段的装置。
在图1至图4中互相对应的部分采用相同的附图标记。
具体实施方式
图1表示现有技术的燃气轮机10，它设计用于约1200℃的高燃气进口温度。在有内壁111的机匣11内，燃气轮机10有一根可旋转地支承的转子轴12。在转子轴上的工作叶片14设在流动通道13中。
图2详细表示一个这种工作叶片14处于拆卸后的状态。工作叶片14所谓工作叶片叶尖141的上端，在已装入的状态面朝燃气轮机机匣11的内壁111。
图3示意表示按照本发明的装置的第一种实施例。为了简化起见只示意地表示出部分工作叶片14。用箭头142示意表示，在燃气轮机10运行时工作叶片14在测量距离期间沿箭头142的方向运动。近似地，可以将沿箭头方向的运动看作沿侧向z的直线运动。工作叶片叶尖141按径向间距Δx与燃气轮机机匣11的内壁111隔开距离。为保证燃气轮机10尽可能高的效率，在工作叶片14端部，亦即工作叶片叶尖141，与燃气轮机机匣11的内壁111之间的距离Δx应尽可能小，以及典型地处于几毫米的范围内，尤其在1mm与20mm之间。内壁111具有至少一个孔，其中形状封闭地安装一个用于导引电磁波31、32的波导管40。有利地，将波导管40置入一个在内壁111内已经存在的许多冷却通道之一中。波导管40设计为管状，以及例如具有内径d在2至10mm范围内的圆形或矩形横截面。
在燃气轮机10运行时，流动通道13中存在约1200℃的温度。因此，壁111的面朝流动通道13的表面112同样有这种高温，不过温度朝壁111的相对置的表面113的方向通过壁111逐渐降低。在曲线图90中举例表示出了这种温度变化曲线91。纵坐标表示温度T，而横坐标表示沿x方向通过壁111的距离。按曲线图90，温度从壁111的内表面112的1200℃，连续下降到壁111的外表面113的约200℃，其中，在两个表面112、113之间的中央，存在约600℃的温度。
波导管40沿其纵轴线(在这里沿x方向)由多个，按图3的例子由三个区段42a、42b、42c组成。按本发明它们的材料根据温度变化曲线91选择，以便沿波导管40的全长，在有最佳波导特性的同时，提供高的耐高温性。
因此在壁111的内表面112区域内具有波导管口41的区段42a由超级高温合金制成。作为这一区段42a的材料，尤其适用“Inconel”(美国“Specialmetals Corporation”公司的商标)或“PM 1000”(德国“Plansee GmbH”公司的商标)。对于离流动通道13最近的区段42a，在这里最重要的是在极端温度为1200℃左右时具有良好的耐高温性。在此波导管区段内衰减特性起次要的作用。除此之外，为了改善波导管40的发送和接收性能，将具有波导管口41的区段42a设计为喇叭形。
波导管40的在壁111的外表面112区域内和与发送/接收装置50连接的区段42c，遭受到比较低的温度。因此在波导管40的这一区域内耐高温性起次要的作用。在这里优先保证波导管40良好的波导率并因而保证区段42c对于要在波导管40中导引的电磁波31、32低的衰减能力。按照本发明为达到这一点采取的措施是，与发送/接收装置50连接的区段42c用11元素族或铂制造。与之不同地，这一区段42c也可以用不锈钢制造，此时波导管40的负责导引电磁波31、32的内表面43设有由11元素族或铂组成的镀层。区段42c以及进而波导管40可以加长到，使那些与此区段42c连接的发送/接收装置50，能设在离燃气轮机10的内壁111安全的距离处。
设在上述两个区段42a和42c之间的中段42b，有利地用不锈钢制成。因此区段42b耐腐蚀，以及对于约600℃左右的温度有足够的耐热强度。不锈钢的耐高温性和衰减能力处于超级高温合金与11元素族之间。若具有波导管口41的区段42a用“PM 1000”制成，则中段42b与之不同地也可以用“Inconel”制造。
在波导管40的导引电磁波31、32的内部区域，两个彼此相继的区段42a、42b或42b、42c的过渡区，可以用一种两个区段42a、42b或42b、42c之一由它制成的材料镀层。内表面43的过渡区通过敷设这种镀层，有利地避免在两个区段42a、42b或42b、42c之间的过渡区界面上反射电磁波31、32，从而在总体上改善波导管40的导引特性。
确定距离的详细过程如下：
包括在70GHz至150GHz的频率范围内电磁波31、32，尤其微波供入装置51和接收装置52的发送/接收单元50，通过与波导管40连接的供入装置51将频率a的电磁波31供入波导管40。然后电磁波31通过波导管口41朝工作叶片14的方向发送。在走完距离Δx后，至少所发送的电磁波31的一部分份额32从工作叶片叶尖141向波导管40反射，因此从波导管40输入发送/接收装置50。借助例如接收二极管作为电磁波接收装置52，检测发送的电磁波31被反射的份额32并转变为相应的电信号，该电信号被供给数据分析器60。借助数据分析器60根据电信号首先确定对应于频率a的电磁波32的相位值
Figure A20078004163200091
下一步通过相位比较装置61将发送的电磁波31的相位
Figure A20078004163200092
与发送的电磁波31的被反射的份额32的相位
Figure A20078004163200093
进行比较。在这里例如通过相位差值
Figure A20078004163200094
确定的相位比较值
Figure A20078004163200095
直接与由供入装置51供入的电磁波31走过的距离相关联。然后，如此获得的比较值
Figure A20078004163200096
通过赋值装置62赋予工作叶片叶尖141与壁111之间距离Δx一个测量值M。所述的赋值可例如借助数值表或也可以借助恰当的运算方法进行。
针对所述至少一个工作叶片14的距离Δx确定的测量值M，通过未详细示出的在监测点处的显示或报警单元，发出警报或进一步传给中央处理机。
数据分析器60也可以配备比较功能，借此可以确定已低于预定的距离阈值。例如在低于阈值时可以自动发出警报，以便采取恰当的保护措施，例如关闭燃气轮机10。
图4示意性示出了按照本发明装置的另一种实施例。它基本上与按照图3的实施例一致。下面只说明不同点。
按照图4，波导管40只有两个区段42a、42c。取消图3中表示的中段42b。在这里具有波导管口41的区段42a不是与壁111的内表面112齐平地结束，而是沿x方向回缩，为的是不直接遭遇流动通道13中的温度。作为区段42a的材料在这里同样特别好地适用一种超级高温合金，尤其“Inconel”。与发送/接收装置50连接的区段42c，如前面已说明的那样，用11元素族或铂，或选择用不锈钢制造，在这种情况下波导管40的内表面设有由11元素族或铂组成的镀层。因为与发送/接收装置50连接的区段42c一直延伸到内壁111的两个表面112、113之间的中央，所以至少该区段42c设有冷却装置。为此区段42c设有通道(图4中未示出)，用于导引液态或气态冷却剂，例如水或空气。冷却剂可以经由布设在区段42c上的进口接管80和出口接管81流动通过冷却通道。在这里箭头802、811表示冷却剂的进入和排出。由此保证，防止与发送/接收装置50连接的区段42c在内壁111的中间区域因高温损坏。
本发明不应认为仅限于所表示的实施例。同样属于本发明保护范围内的还包括采用多个用于发送和/或用于接收的波导管40，以例如达到冗余测量和更高的精度。

Claims (10)

1.一种用于确定燃气轮机(10)的至少一个工作叶片(14)与围绕所述至少一个工作叶片(14)的壁(111)之间距离(Δx)的装置，该装置包括下列部分，即
-波导管(40)，其用于导引电磁波(31、32)和通过至少一个面朝工作叶片(14)的波导管口(41)朝工作叶片(14)方向发送电磁波(31)，
-至少一个与波导管(40)连接的用于将电磁波(31)供入波导管(40)内的装置(51)，
-至少一个与波导管(40)连接的用于接收供入到波导管(40)内的电磁波(31)被反射的份额(32)的装置(52)，
以及
-数据分析器(60)，其用于评估所供入的电磁波(31)被接收的反射的份额(32)，其包括用于将所供入的电磁波(31)的相位与所供入的电磁波(31)的被反射的份额(32)的相位进行比较的装置(61)，其中，借助数据分析器可以对每种频率确定一个相位比较值，并根据比较相位比较值可以确定所述距离(Δx)，
其特征在于：
-波导管(40)由至少两个波导管区段组成，它们用不同材料制造，其中，材料的耐温性和对电磁波的衰减能力，从那个与用于供入和接收的装置(51、52)连接的区段起，朝具有波导管口(41)的区段方向提高。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征为，波导管(40)由三区段组成。
3.按照权利要求1或2所述的装置，其特征为，与用于供入和接收的装置(51、52)连接的区段用一种具有低衰减能力的金属制成，尤其铜、银、金或铂，以及具有波导管口(41)的区段用具有高耐热强度的超级高温合金制造。
4.按照权利要求2或3所述的装置，其特征为，中段用不锈钢制造。
5.按照前列诸权利要求之一所述的装置，其特征为，与用于供入和接收的装置(51、52)连接的区段设计为可用液体或空气冷却。
6.按照前列诸权利要求之一所述的装置，其特征为，波导管在两个彼此相继的区段的过渡区设有由这两个区段的材料之一组成的镀层。
7.按照前列诸权利要求之一所述的装置，其特征为，具有波导管口(41)的那个区段设计为喇叭状。
8.按照前列诸权利要求之一所述的装置，其特征为，所述电磁波(31a、31b、32a、32b)是尤其在70GHz至150GHz频率范围内的毫米波。
9.一种按照前列诸权利要求之一所述的用于确定燃气轮机(10)至少一个工作叶片(14)与围绕所述至少一个工作叶片(14)的壁(111)之间距离(Δx)的装置的应用。
10.按照权利要求9所述的应用，其特征为，波导管(40)布设在所述壁(111)的一个冷却通道内。
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