DD239440A5 - Optische pyrometersichtroehren-anordnung zur ueberwachung einer gasturbine - Google Patents

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Abstract

Eine Sichtroehrenanordnung in Kombination mit einem Messinstrument wie einem optischen Pyrometer zur Verwendung bei der kontinuierlichen Ueberwachung der Temperatur einer ersten Reihe von rotierenden Schaufeln in grossen Gasturbinen insbesondere der Art, die in der Industrie verwendet wird. Temperaturdaten, die von der Pyrometereinheit erhalten werden, werden in einen Steuerkreis eingefuehrt, der die Brennstoffzufuhr zu der Turbine reguliert, um die Feuerungstemperatur zu kontrollieren. Der Schluessel, um zuverlaessige Schaufeltemperaturdaten bei der Durchfuehrung der Erfindung zu erhalten ist die Position der Sichtroehre in der Turbine, die es dem Pyrometer ermoeglicht, die rotierenden Schaufeln entlang einer direkten Sehlinie "zu sehen", die eine Heissgasleitung durchdringt, aber nicht den Turbinenabschnitt der Maschine.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine optische Pyrometersichtröhrenanordnung in Verbindung mit einem Meßinstrument, um kontinuierlich die Temperatur rotierender Schaufeln in einer Gasturbine zu überwachen. Die Erfindung beruht weiterhin auf einer Gasturbine, in der dieses optische Pyrometer angewendet wird, und Mitteln zum Messen des Zustandes der rotierenden Turbinenschaufel. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Überwachen und Messen des Zustandes rotierender Turbinenschaufeln.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Gemeinnützige Gesellschaften und andere Industrien verwenden große stationäre Gasturbinen, um elektrische Generatoren, Pumpen oder andere Arten von Maschinen anzutreiben. Im Turbinenabschnitt der Maschine sind verschiedene Reihen von becherförmigen Blättern, die alsTurbinenschaufeln bekannt sind, die an eine Läuferwelle montiert sind. Ein Gas, das auf extrem hohe Temperaturen erhitzt wurde (oft über 980 0C), wird auf die Turbinenschaufeln gerichtet, was sie zum Rotieren bringt und so die Läuferwelle antreibt. Vor jeder Reihe von rotierenden Turbinenschaufeln befindet sich eine Reihe von stationären Direktionsschaufeln, dieTeil des Turbinenabschnitts sind. Wenn sich das heiße Gas durch den Turbinenabschnitt bewegt, richtet jede Reihe von Direktionsschaufeln den Gasfluß so, daß er auf die rotierenden Schaufeln in der nächsten Reihe im richtigen Winkel auftrifft.
Die Ausgangsleistung und der Brennstoff-(thermische) Wirkungsgrad der Gasturbine nimmt mit ansteigender Feuerungstemperatur zu. Die Haltbarkeit der Turbinenteile (Turbinenschaufeln und Direktionsschaufeln) nimmt mit ansteigender Temperatur ab. Es gibt daher eine optimale Feuerungstemperatur, für die die Leistungsproduktion maximiert ist, der Brennstoffverbrauch (pro Einheit an Leistung) minimiert ist, und bei der die Turbinenteile ihre Integrität über die gesamte geplante Lebensdauer behalten.
Die erste Reihe von Direktionsschaufeln und die erste Reihe von Turbinenschaufeln werden bei höheren Temperaturen betrieben, als die folgenden Reihen von Direktionsschaufeln und Turbinenschaufeln. (Das heiße Gas kühlt, wenn es expandiert, vom hohen Druck in der Turbinenmaschine zu dem fast atmosphärischen Druck in der Turbinenauspuffleitung). Zur Zeit gibt es kein zuverlässiges Verfahren, um die Temperatur in der ersten Reihe von Direktionsschaufeln und der ersten Reihe von Turbinenschaufeln in großen industriellen Gasturbinen zu überwachen. Thermoelemente haben bei solchen Temperaturen eine kurze Lebensdauer. Außerdem sind sie nicht leicht anzupassen, um die Temperatur der rotierenden Turbinenschaufeln zu messen, die historisch die Teile waren, deren Ausfall es bewirkte, daß die Gasturbinenmaschine ernsthaft beschädigt wurden, wenn sie überhitzt waren. Daher ist es sehr wünschenswert, direkt die Metalltemperatur der ersten Reihe von rotierenden Turbinenschaufeln zu überwachen.
Zur Zeit wird die durchschnittliche Feuerungstemperatur im allgemeinen in einem Kontrollprozessor berechnet, der als Eingabedaten die durchschnittliche Turbinenauspufftemperatur und den Gebläseenddruck der Gasturbine enthält. Der Kontrollprozessor stimmt den Brennstoff, der dem oder den Brennern der Maschine zugeführt wird, ab, wodurch die Gastemperatur am Eingang des Turbinenabschnitts der Maschine überwacht wird.
Optische Pyrometer werden zur Zeit in vielen militärischen Flugzeuggasturbinenmotoren verwendet. Diese Pyrometer wenden im allgemeinen eine faseroptische Leitung an, die in der Maschine endet, wobei eine Sehlinie zu den Schaufeln durch Teile des Turbinenabschnitts der Maschine geschaffen wird. Die Teile des optischen Pyrometersystems im Innern der Maschine werden gewartet, wenn die Maschine nicht in Betrieb ist.
Zur Zeit werden die Landpyrometersysteme mit Faseroptik verwendet, vor allem für die Flugtemperaturüberwachung von Motoren in Düsenflugzeugen, und um Schaufeltemperaturprofile in Düsenflugzeugen und anderen Turbinenmaschinen, die an diesen Testständen montiert sind, zu erhalten. Es gibt verschiedene andere erhältliche Pyrometersysteme, die zum Messen der Turbinenschaufeltemperaturen verwendet werden können, aberzur Zeit sind keine Systeme erhältlich, die leicht an Gasturbinen von industrieller Größe angepaßt werden können.
Einige der Nachteile der bekannten optischen Pyrometertemperaturmeßsysteme sollen nun diskutiert werden. Bei Verwendung des Landpyrometersystems als einem typischen Beispiel umfaßt das Übertragungssystem dieses Instruments ein faseroptisches Kopfstück, einen flexiblen Lichtleiter und ein Detektor/Verstärkermodul. Das Sichtröhrenteil dieses Systems ist an die Turbinenmaschine montiert, so daß das untere Ende durch den Turbinenabschnitt des Maschinengehäuses führt und in einer Öffnung zwischen zwei Direktionsschaufeln in der ersten Reihe der stationären Direktionsschaufeln gesichert ist. Das faseroptische Kopfstück ist mit dem oberen Ende der Sichtröhre verbunden und der Meßkopf für das optische Kopfstück erstreckt sich in die Sichtröhre. Am unteren Ende des Meßkopfes befindet sich eine Schaulinse, die in kurzem Abstand hinter der Sichtröhrenöffnung durch den Direktionsschaufelabschnitt angebracht ist. Dies ermöglicht es, daß das Pyrometer die erste Reihe der rotierenden Turbinenschaufeln „erkennt"
Die Sichtröhre schließt einen Luftreiniaunaseinlaß in der Nähe ihres oberen Endes ein. Luft 711 r Kühlunn ries Mf>Rlmnfe>s 1 inH ?ur
und der Innenseite der Sichtröhre hinunter. Der flexible faseroptische Lichtleiter ist an einem Ende mit dem optischen Kopfstück und an der entgegengesetzten Seite mit dem Detektor-Verstärkermodul verbunden, wobei das Modul in einem Gehäuse eingeschlossen ist und in einer entfernten Lage montiert ist.
Ein größerer Nachteil des Landsystems besteht darin, daß einige der Übertragungssystemteile in der direkten Umgebung der Turbinenmaschine betrieben werden müssen, wo sie hohen Temperaturen und Drücken, Vibration und Verunreinigungen unterworfen sind. Weil diese Teile in der Maschinenumgebung angebracht sind, muß die Maschine periodisch abgeschaltet werden, um solche Teile zu reparieren oder zu ersetzen. Das Eindringen des unteren Endes der Sichtröhre durch die erste Reihe der stationären Direktionsschaufeln ist insbesondere in großen industriellen Turbinen wegen des Unterschiedes in der Konstruktion von Flugzeuggasturbinenmotoren unerwünscht.
Ein anderer Nachteil des LandsSystems besteht darin, daß die Sehlinie vom optischen Kopfstück zu der ersten Reihe von Turbinenschaufeln auf eine gegebene Größe und Position beschränkt ist. Außerdem erlaubt der Festsitz des Meßkopfes innerhalb der Sichtröhre nicht die Angleichung der Sehlinie, um den Sehpunkt zu verschiedenen Stellungen der rotierenden Schaufeloberflächen zu bewegen. Diese Begrenzung ist unerwünscht, weil das „fixierte" Ziel nicht der heißeste Teil der Turbinenschaufel sein muß. Zum Beispiel kann eine Schlackenanhäufung (scale buildup) auf den Turbinenschaufeln einen ungünstigen Einfluß auf die Temperaturablesungen haben. Deshalb werden, wenn der Zielpunkt auf einen Teil der Schaufeln fällt, der verschlackt ist, die Temperaturablesungen wahrscheinlich ungenau sein.
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, eine optische Pyrometersichtröhrenanordnung zur Überwachung einer Gasturbine zu schaffen, bei der die Sichtröhre in einer günstigen Position innerhalb der Turbine angeordnet ist.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Pyrometersichtröhrenanordnung zur Überwachung einer Gasturbine zur Verfügung zu stellen.
Das optische Pyrometer und die Sichtröhrenanordnung der Erfindung haben verschiedene Vorteile gegenüber anderen Systemen zur Messung der Schaufeltemperaturen in Turbinenmaschinen. Zum Beispiel sind das Pyrometer und die Detektorteile an der Sichtröhre in der Position befestigt, die vollständig außerhalb der Hochtemperatur- und Hochdruckumgebung der Turbinenmaschine ist. Die Sichtröhre ist in der Turbine so angebracht, daß die Pyrometereinheit eine direkte Sehlinie zu der ersten Reihe von Turbinenschaufeln hat. Gleichzeitig kann die Sehlinie innerhalb der Sichtröhre bewegt werden, so daß das Pyrometer die Schaufeloberflächen abtasten kann, um den heißesten Punkt oder den kältesten Punkt zu finden. Die Erfindung schließt auch Mittel zum Isolieren der Pyrometereinheit von der Maschinenumgebung ein, um die Wartung durchzuführen oder das Pyrometer zu entfernen ohne die Turbine abzuschalten. Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Sichtröhrenstruktur eine ausgezeichnete Sicht auf die rotierenden Turbinenschaufeln schafft, ohne in den Abschnitt der stationären Direktionsschaufeln oder in andere Teile des Turbinenabschnitts einzudringen.
Insbesondere besteht die vorliegende Erfindung in einer Gasturbine mit einer Vielzahl von beweglichen Schaufeln, die auf einem Schaft montiert sind, mindestens einer Leitung, die einen Durchlaß für heißes Gas bildet, Mitteln, um das heiße Gas gegen die beweglichen Schaufeln zu lenken, wobei diese Mittel eine Vielzahl von stationären Gasdirektionsschaufeln und Trägermittel für die Gas leitenden Teile einschließen, und einem äußeren Gehäuse für die Gasturbine, die gekennzeichnet ist durch eine Sichtröhrenanordnung, die entlang eines im wesentlichen geraden Kanals (pathway) angebracht ist und sich durch das Gehäuse und durch die Heißgasleitung in den Heißgasdurchlaß erstreckt, wobei dieser Kanal eine Sehlinie schafft, die sich zwischen den stationären Schaufeln, die auf die beweglichen Schaufeln gerichtet sind, erstreckt, und Mitteln zum Messen des Zustandes der beweglichen Schaufeln.
Die vorliegende Erfindung besteht auch in einem Verfahren zur Überwachung der beweglichen Schaufeln, die an einer Welle in einer Gasturbine montiert sind, wobei die Turbine mindestens eine Leitung einschließt, die einen Durchgang für heißes Gas bildet. Mitteln zum Richten des heißen Gases gegen die beweglichen Schaufeln, wobei diese Mittel eine Vielzahl von stationären Gasdirektionsschaufeln und Trägermitteln für die Gasdirektionsschaufeln einschließen, und einem äußeren Gehäuse für die Gasturbine, das gekennzeichnet ist durch den Schritt des Messens des Zustandes der beweglichen Schaufeln durch Meßmittel, die in Sichtlinienverbindung mit den beweglichen Schaufeln durch
eine Sichtröhrenanordnung, die sich entlang eines im wesentlichen geradlinigen Kanals durch das Turbinengehäuse und durch die Heißgasleitung in den Heißgasdurchgang erstreckt, angebracht sind, wobei sich die Sichtlinie zwischen den stationären Schaufeln erstreckt und auf die beweglichen Schaufeln gerichtet ist und wobei die Meßmittel in einer Linie mit dem Kanal liegen und zu den beweglichen Schaufeln gerichtet sind.
Die Erfindung besteht außerdem in einer Sichtröhrenanordnung für eine Gasturbine mit einem Gehäuseabschnitt, mindestens einem Heißgasleitungsteil, verschiedenen Reihen von stationären Direktionsschaufeln und verschiedenen Reihen von rotierenden Turbinenschaufeln und Mitteln zum Messen des Zustandes der stationären Direktionsschaufeln, die durch das Merkmal gekennzeichnet ist, daß diese Sichtröhre ein äußeres Ende und ein inneres Ende aufweist, daß sich das äußere Ende durch den Gehäuseabschnitt erstreckt und durch ein Schauglas abgedichtet ist, daß sich das innere Ende innerhalb der Turbine und vor den stationären Direktionsschaufeln befindet, wobei diese Sichtröhre einen direkten Kanal zum Betrachten einer ausgewählten Fläche auf einer Reihe der stationären Direktionsschaufeln schafft, wobei die Meßmittel sich in einer Linie mit dem Sichtröhrenkanal befinden, um die ausgewählte Fläche auf der Reihe der stationären Direktionsschaufeln direkt zu beobachten.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Sichtröhrenanordnung und optische Meßmittel zur überwachung der Feuerungstemperatur einer Gasturbine, wobei diese Gasturbine einen Turbinenabschnitt mit verschiedenen Reihen von stationären Direktionsschaufeln und verschiedenen Reihen von rotierenden Turbinenschaufel einschließt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die optischen Meßmittel ein erstes röhrenförmiges Glied, das einen Kupplungsansatz mit einem offenen Ende bildet; ein zweites röhrenförmiges Teil mit einem ersten Ende, das sich durch einen Gehäuseabschnitt der Turbine erstreckt und ein zweites Ende aufweist, das an dem offenen Ende des KuDDlunasansat7stür!kf«: hefectint iet·
eine Sichtröhre, die innerhalb des zweiten röhrenförmigen Glieds befestigt ist, wobei die Sichtröhre ein erstes Ende aufweist, das zwischen dem offenen Ende des Kupplungsansatzstückes und dem zweiten Ende des röhrenförmigen Glieds befestigt ist, wobei sich das zweite Ende der Sichtröhre durch ein Heißgasleitungsglied auf der Turbine erstreckt, wobei der äußere Durchmesser der Sichtröhre kleiner ist als der innere Durchmesser des zweiten röhrenförmigen Gliedes, so daß ein Ringraum zwischen der Sichtröhre und dem zweiten röhrenförmigen Glied definiert wird;
ein durchsichtiges Glied, das zwischen dem Kupplungsansatzstück und dem ersten Ende der Sichtröhre angebracht ist; und das zweite Ende der Sichtröhre, das vor einer ersten Reihe der stationären Direktionsschaufeln angebracht ist und eine erste Reihe dieser stationären Direktionsschaufeln, die vor der ersten Reihe von rotierenden Turbinenschaufeln angebracht sind; die Sichtröhrenanordnung, die so angebracht ist, daß eine Sehlinie von der Meßeinheit durch das Schauglas und die Sichtröhre und zwischen einem Paar von stationären Direktionsschaufeln zu einer ausgewählten Fläche der rotierenden Turbinenschaufeln führt, wobei eine Sicht der rotierenden Turbinenschaufeln, wie sie durch die Meßeinheit erhalten wird, die Meßeinheit befähigt, die kontinuierliche Temperatur der rotierenden Schaufeln zu überwachen, um die Feuerungstemperatur des Turbinenabschnitts zu kontrollieren, einschließen.
Um einen oder mehr geeignete Kanäle der vorliegenden Erfindung zu finden, kann das folgende Verfahren verwendet werden. Ausgehend davon, wo die beweglichen Schaufeln angebracht sind, wird ein Paar benachbarter, gasleitender Teile in der ersten Reihefür eine Sichtlinie ausgewählt, die zwischen den Paaren der gasleitenden Teile der ersten Reihe der beweglichen Schaufeln hindurchgeht. Dann wird eine Linienschar erzeugt, wobei die Linien von der ersten Reihe der beweglichen Schaufeln ausgehen, zwischen dem ausgewählten Paar benachbarter, gasleitender Teile durchführen und am äußeren Gehäuse enden. Dies schafft eine Schar von Kanälen von der äußeren Oberfläche des Gehäuses durch die Wandung der Leitung in den Durchgang für das heiße Gas. Die Kanäle sind auf die beweglichen Schaufeln gerichtet.
Dann wird bestimmt, wo jeder Kanal die verschiedenen Teile der Gasturbine schneiden wird. Es wird dann eine Auswertung von der Wirkung des Eindringens von jedem Kanal in die Teile der Gasturbine vorgenommen, die der Kanal schneiden wird. Basierend auf dieser Auswertung wird einer der möglichen Kanäle als der zu verwendende Kanal ausgewählt. Die Wahl des Kanals kann durch Wiederholung des vorhergehenden Verfahrens für mindestens ein weiteres Paar benachbarter, gasleitender Teile weiter optimiert werden, wobei jeder Kanal ausgewählt und der beste gefundene Kanal beibehalten wird. Ein „Kanal" ist hier als ein Kanal definiert, der im wesentlichen geradlinig und geeignet ist, ein Anzeigesignal des Zustandes der beweglichen Schaufeln von den Schaufeln zu den Mitteln zum Messen des Zustandes der Schaufeln zu übermitteln. Eingeschlossen in diese Definition ist ein offener Kanal, ein lichter Kanal, ein optischer Kanal, der Teile oder Strukturen einschließen kann, diefür die Wellenlänge des verwendeten Lichts transparent sind, um die Verbindung zwischen den Schaufeln und den Meßmitteln herzustellen, ein Kanal, der für Schall durchlässig ist und ein Kanal, der einen Meßkopf, wie einen fiberoptischen Meßkopf, einschließt. Der Kanal, kann Überwachungsmittel einschließen, wie Ventile oder Hähne, die einen Kanal zeitweise für die Übermittlung des Signals undurchdringlich machen, wenn die Ventile oder Hähne geschlossen sind, aber die den Kanal für die Übermittlung durchlässig machen, wenn die Ventile oder Hähne offen sind. Vorzugsweise ist der Kanal innerhalb einer Sichtröhre angebracht. Die Sichtröhre ist an ihrem äußeren Ende mit einem transparenten Glied abgeschlossen, das als ein Schauglas dient, und das andere Ende der Sichtröhre erstreckt sich mindestens etwa bis zur Wandung der Leitung, um im wesentlichen den Gasfluß auf den Durchgang von dem Spalt zwischen der Wandung der Leitung und der Wandung des äußeren Gehäuses zu beschränken. Inder Praxis wird im allgemeinen der Gasfluß um die Sichtröhre in dem Durchgang im wesentlichen durch solche Mittel beschränkt, wie nahdichtende Passungen, Schiebesitz, Dehnfugen, ineinander verschiebbare Abschnitte oder andere in der Technik wohlbekannte Mittel.
Der Zweck der Verwendung von Slips oder Dehnfugen bei der Sichtröhre ist es, eine freie und unabhängige Ausdehnung der einzelnen Turbinenleitung und der Sichtröhrenteile zu erlauben, während die Beschränkung des Gasflusses im Durchgang aufrechterhalten wird. Alternativ können die Teile aneinander befestigt werden, falls ihre freie und unabhängige Expansion nicht nötig oder nicht erwünscht ist. Die Linie des Kanals führt zwischen einem Paar benachbarter Schaufeln in die erste Reihe der gasleitenden Einlaßdirektionsschau'feln. Der Kanal und die Welle, auf der die beweglichen Schaufeln montiert sind, definierten vorzugsweise einen Winkel von etwa 20 bis etwa 80°, und besonders bevorzugt bilden der Kanal und die Welle einen Winkel von etwa 40 bis etwa 60°. Die Linie des Kanals führt nicht durch die Trägermittel für die gasleitenden Einlaßdirektionsschaufeln. Mittel, die verwendet werden können, um den Zustand der Schaufeln zu messen, schließen zum Beispiel ein: optische Pyrometer, Spektrophotometer und Vibrationsmeter. Die Zustände, die gemessen werden können, schließen die Schaufeltemperatur, das Maß der Schlackenanhäufung auf der Schaufeloberfläche, die Amplitude der Vibration der Schaufel und die chemische Zusammensetzung der Oberfläche der Schaufel ein. Die Temperatur der Schaufel könnte zum Beispiel durch ein optisches Pyrometer gemessen werden und die Zusammensetzung der Oberflächenanhäufung durch ein Spektrophotometer. Mittel, die verwendet werden, um die Amplitude der Vibration zu messen, können ein Stroboskop und einen Lichtstrahl, derein Laserstrahl sein kann, einschließen. Die Meßmittel sind mit dem Kanal ausgerichtet und auf die beweglichen Schaufeln gerichtet.
Die Erfindung schafft auch ein optisches Pyrometer und eine Sichtröhrenanordnung, um die Schaufeltemperatur kontinuierlich zu überwachen. Diese Daten werden verwendet, um die Feuerungstemperatur einer Gasturbine zu kontrollieren. In einer bevorzugten Ausführungsform hat die optische Pyrometereinheit ein röhrenförmiges Glied, das sich von der Pyrometereinheit erstreckt, um ein Kupplungsansatzstück mit einem offenen Ende zu bilden. Die Erfindung schließt ein Ventil mit offenen und geschlossenen Positionen ein, wobei ein Endendes Ventils mit dem Pyrometer-Kupplungsansatzstück verbunden ist. Ein durchsichtiges Glied, als Schauglas, ist zwischen dem Pyrometer-Kupplungsansatzstück und dem Ventil angebracht. Ein weiteres röhrenförmiges Glied bildet eine Düse, die an dem Gehäuseteil der Turbine befestigt ist. An der entgegengesetzten Seite ist die Düse mit dem Ventil verbunden.
Eine Sichtröhre ist innerhalb der Düse angebracht und ein angeflanschtes Ende dieser Röhre ist zwischen die Düse und das Ventil geklemmt. Am entgegengesetzten Ende erstreckt sich die Sichtröhre durch ein Heißgasleitungsglied der Turbine. Der äußere Durchmesser der Sichtröhre ist kleiner als der innere Durchmesser der Düse, so daß ein ringförmiger Spalt zwischen der Sichtröhre und der Düse gebildet wird. Die Gasturbine schließt einen Turbinenabschnitt ein, in dem sich mehrere Reihen von stationären Direktionsschaufeln und mehreren Reihen rotierender Turbinenschaufeln befinden, die hinter den Direktionsschaufelreihen angebracht sind. Das Ende der Sichtröhre, das an der Heißgasleitung endet, befindet sich vor der ersten Reihe von stationären Direktionsschaufeln, und diese Reihe von Schaufeln ist vor der ersten Reihe von rotierenden
Die Sichtröhre ist in dem Turbinenabschnitt so angebracht, daß eine Sehlinie direkt von der Pyrometereinheit durch das Schauglas, die Sichtröhre und die erste Reihe von stationären Direktionsschaufeln führt und auf eine ausgewählte Fläche der ersten Reihe der rotierenden Turbinenschaufeln auftritt. Es erfolgt kein physikalisches Eindringen in den Turbinenabschnitt. Nur eine Heißgasleitung muß eindringen, um die Schaufeln zu erkennen. Mit dem Ventil in offener Position überwacht die Pyrometereinheit kontinuierlich die Temperatur der rotierenden Schaufeln und diese Daten können verwendet werden, um die Feuerungstemperatur der Turbine zu kontrollieren. Wenn das Ventil in die geschlossene Stellung gebracht wird, wird das Schauglas und die Pyrometereinheit von der Umgebung des Turbinenabschnitts isoliert, um eine schnelle Wartung oder Ersetzung der Pyrometereinheit oder des Schauglases zu erlauben, während die Turbine weiterhin läuft.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1: eine teilweise isometrische Sicht auf eine Turbine, die schematisch ein optisches Pyrometer darstellt, das mit einer Sichtröhrenanordnung verbunden ist. In dieser Sicht sind das Pyrometer und die Sichtröhrenanordnung in einer typischen Betriebsposition auf einer Gasturbine installiert;
Fig. 2: einen teilweisen hilfsweisen Längsschnitt des optischen Pyrometers und der Sichtröhrenanordnung, die in Fig.1 dargestellt ist;
Fig.3: einen Schnitt, der entlang der Linie 3-3 von Fig. 2 vorgenommen wurde. Diese Darstellung ist eine Sicht der rotierenden Turbinenschaufeln, wie sie durch die Sichtröhre gesehen werden;
Fig. 4: einen vergrößerten Ausschnitt der Sichtröhrenanordnung, die in Fig. 2 gezeigt ist. Dieser Schnitt zeigt insbesondere einen ringförmigen Spalt zwischen der Sichtröhre und der Düse und den Öffnungen in der Sichtröhre, die Mittel zum Reinigen der Sichtröhre von unerwünschter Dampfphase und teilchenförmigen Materialien schaffen.
Mit besonderem Bezug auf die Figuren 1 und 2 bedeutet der Buchstabe A allgemein eine Ausführungsform eines optischen Pyrometers und einer Sichtröhrenanordnung dieser Erfindung. Das Bezugszeichen 10 bezieht sich auf die optische Pyrometereinheit und ein röhrenförmiges Glied, das sich von der Pyrometereinheit erstreckt, bildet ein Kupplungsansatzstück 11. Das angeflanschte Ende des Kupplungsansatzstückes 11 ist mit einem der angeflanschten Enden eines Ventils 12 verbunden. Ein Schauglas (druckdicht) 13 ist zwischen den angeflanschten Enden des Kupplungsansatzstücckes 11 und des Ventils 12 eingelegt.
Die Pyrometereinheit 10 und das Schauglas 13 können von der Umgebung desTurbineneinlaßabschnittes 19a durch Schließen des Ventils 12 isoliert werden. Das Ventil 12 kann manuell oder automatisch durch elektrische oder pneumatische Überwachungssysteme betrieben werden. Geeignete Ventile für diesen Zweck sind solche, in denen eine klare Sehlinie durch die Ventilbohrung vorhanden ist, wenn sich das Ventil in einer offenen Position befindet. Beispiele solcher Ventile sind Durchlaßventile, Kegelventile und Hahnschieber.
Die Sichtröhrenanordnung besteht grundsätzlich aus der Sichtröhre 15 und einem ringförmigen Glied 14. Die Stirnseite des ringförmigen Glieds 14 ist mit einem Flansch 14a versehen, der an dem angeflanschten Ende des Ventils 12 befestigt ist, das sich gegenüber dem Kupplungsansatzstück 11 befindet. Das andere Ende des ringförmigen Glieds 14 (nicht angeflanscht) ist an dem ,Turbinengehäuse 16 befestigt. Die Sichtröhre 15 taucht in das röhrenförmige Glied 14. Ein Flansch 15a an der Stirnseite der Sichtröhre 15 ist zwischen das angeflanschte Ende 14a des ringförmigen Glieds 14 und den Flansch des Ventils 12 geklemmt. Der äußere Durchmesser der Sichtröhre 15 ist etwas kleiner als der innere Durchmesser des röhrenförmigen Glieds 14, so daß ein ringförmiger Spalt 17 zwischen der Sichtröhre 15 und dem röhrenförmigen Glied 14 gebildet wird, wie es am besten in Fig.4 gezeigt ist.
Das untere Ende der Sichtröhre 15 erstreckt sich durch ein Heißgasleitungsglied 18 und verhindert übermäßiges Lecken von Gebläseabluft in den Turbineneinlaßabschnitt 19a. Wie es am besten in Fig. 2 gezeigt ist, ist es bevorzugt, daß das untere Ende der Sichtröhre bündig mit der inneren Oberfläche 18a des Leitungsgliedes 18 abschließt. Unterhalb der Oberfläche 18a befindet sich der Turbineneinlaßabschnitt 19a, wo die Gastemperaturen extrem sind. Bei der Ausführung der Erfindung darf sich die Sichtröhre 15 nicht in die Heißgasleitung erstrecken, um die Chance zu verringern, daß ein thermischer Abbau dazu führt, daß das Ende der Röhre bröckelt und abbricht. Die Sichtröhre 15 hat verschiedene kleine Öffnungen 20 in der Nähe des Flansches 14a der Röhre, wie es in Fig.4 gezeigt ist.
Der Kompressorauslaßabschnitt des Turbinenkompressors 21 befindet sich in einer Fläche, die zwischen dem Gehäuse 16 und der Heißgasleitung 18 (oder Leitungen) liegt, wie es allgemein durch das Bezugszeichen 21 a angegeben ist. Innerhalb des Turbinenabschnittes 19 gibt es mehrere Reihen stationärer Direktionsschaufeln 22 und mehrere Reihen rotierender Turbinenschaufeln 23. Wie es am besten in Fig. 1 gezeigt ist, ist jede Reihe von Turbinenschaufeln auf eine Läuferwelle 24 montiert und jede Reihe von stationären Direktionsschaufeln 22 ist innerhalb des Turbinenabschnitts so montiert, daß eine Reihe von Direktionsschaufeln 22 vor jeder Reihe der Turbinenschaufeln 23 angebracht ist.
Bei einem typischen Betrieb überwacht die Pyrometereinheit kontinuierlich die Temperatur der ersten Reihe der rotierenden Turbinenschaufeln 23 und verwendet diese Daten, um automatisch die Feuerungstemperatur der Turbine zu kontrollieren. Es gibt verschiedene, im Handel erhältliche optische Pyrometersysteme, die zur Durchführung der Erfindung verwendet werden können. Eines dieser Systeme, bekannt als Zweifarbenpyrometer, ist bevorzugt als ursprüngliches Temperaturüberwachungssystem in dieser Erfindung. Der Detektor dieser Einheit spricht auf zwei Wellenlängenbanden von Strahlung an, in denen die Temperaturdaten als ein Verhältnisprodukt der zwei Wellenlängen berechnet werden. Ein besonderer Vorteil dieser Einheit ist die Fähigkeit, Änderungen des Emissionsvermögens der rotierenden Schaufeln zu kompensieren. Ein anderer Vorteil ist, daß die Einheit Variationen in der Transmission der Strahlung durch das Schauglas, die durch Filme oder andere Materialien, die die Sicht durch das Glas behindern könnten, kompensiert werden kann. Weil der Detektor eine niedrige Ansprechgeschwindigkeit hat, kann ein Profil individueller Schaufeltemperaturen nicht erhalten werden, aber er hat die Fähigkeit, durchschnittliche Temperaturwerte abzulesen.
Andere übliche optische Pyrometersysteme verwenden eine Einzelbandwellenlänge, um die Strahlung zu detektieren. Ein besonderer Vorteil einiger dieser Systeme besteht darin, daß der Detektor eine hohe Ansprechgeschwindigkeit für die Strahlung hat. Dies führt dazu, daß die Pyrometereinheit individuelle Schaufeltemperaturen „lesen" und daher die heißesten Schaufeln in dem Turbinenabschnitt herausfinden kann. Einer der Nachteile dieser Einheit ist das variable Emissionsvermögen, das mit der Detektorfunktion verbunden ist. Dieses variable Emissionsvermögen macht die Einheit über einen langen Zeitraum weniger zuverlässig, um durchschnittliche Schaufeltemperaturablesungen zu erhalten.
Ein anderes im Handel erhältliches optisches System, das als Spektralanalysator bekannt ist, kann bei Durchführung dieser Erfindung verwendet werden, um die Temperatur der rotierenden Schaufeln in einer Gasturbine zu überwachen. Diese Einheit kann entweder statt der Pyrometersysteme, die oben beschrieben sind, verwendet werden, oder als zweites Instrument, um die Temperaturdaten, die durch eines dieser Instrumente erhalten werden, zu vervollständigen. Ein besonderer Vorteil dieser Einheit ist ein Detektor, der auf Strahlungsenergiewellen über das gesamte Spektrum anspricht, d. h. von Infrarot bis Ultraviolett. Weil der Detektor eine niedrige Ansprechgeschwindigkeit hat, wird er am besten in Verbindung mit einer Landeinheit verwendet, wenn individuelle Schaufeltemperaturen gewünscht sind.
Um Vorbereitungen für den Temperaturüberwachungsbetrieb zu treffen, wird die optische Pyrometereinheit 10 und die Sichtröhrenanordnung installiert, wie oben beschrieben, in einer Position derart, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Wenn die Installation vollständig ist, wird die Turbine gestartet und das Ventil 12 wird in seine offene Position gebracht. Die Pyrometereinheit 10 wird dann eingestellt, um eine direkte und klare Sicht eines ausgewählten Zielpunktes auf die erste Reihe der rotierenden Turbinenschaufeln 23 zu ergeben. In Fig. 3 ist ein typischer Zielpunkt schematisch durch ein kleines „s" angegeben, das auf einer der Turbinenschaufeln erscheint, die durch das Sichtfeld führen.
Wie in den Zeichnungen dargestellt, folgt die Sehlinie, angezeigt durch die Bezugsziffer 26, einem direkten Weg von der Pyrometereinheit 10 durch das Ventil 12, die Sichtröhre 15 und führt durch die Öffnung zwischen zwei stationären Direktionsschaufeln 22 in die erste Reihe der Schaufeln. Wie vorher angegeben, ist die erste Reihe der stationären Direktionsschaufeln oberhalb der ersten Reihe der Turbinenschaufeln 23 angebracht.
Die tatsächliche Position der Sichtröhre 15 in der Turbinenmaschine ermöglicht, daß die Pyrometereinheit die rotierenden Turbinenschaufeln 23 entlang der direkten Sehlinie sieht. Diese Fähigkeit des optischen Pyrometers 10, die Turbinenschaufeln 23 entlang der direkten Sehlinie zu sehen, die nicht durch irgendeinen Teil des Turbinenabschnittes führt, wie hier dargestellt, wird als einmalige Verbesserung gegenüber jeglicher bekannten Technik zum Messen der Turbinenschaufeltemperaturen durch optische Pyrometrie angesehen.
Wie vorher erklärt, ist es die Funktion der optischen Pyrometereinheit 10, kontinuierlich die Temperatur der Turbinenschaufeln 23 zu überwachen und zu messen. Die Temperaturdaten werden an einen elektronischen Steuerkreis (nicht gezeigt) übermittelt, der verschiedene Turbinenbetriebsbedingungen kontrolliert, wie die Einlaßgastemperatur, die Auslaßgastemperatur, die Brennstoffzuführung und ähnliches. Dies ermöglicht es dem Steuerkreis, automatisch die Brennstoffversorgung der Turbine zu regulieren und so die Feuerungstemperatur auf einem gewünschten Niveau zu halten.
Während des Betriebes der Turbine kann sich Wasserdampf innerhalb des Turbinenaufbaus aufwärts durch die Sichtröhre 15 und das Ventil 12 bewegen und auf der Innenseite des Schauglases 13 kondensieren. Der entstehende Kondensatfilm auf dem Schauglas kann die Sehlinie genügend verdunkeln, so daß unkorrekte Temperaturablesungen erfolgen. Dieses Problem wird durch Reinigungen der Sichtröhre 15 mit Druckluft aus dem Gebläseabluftabschnitt 21 a gelöst. Zum Beispiel hat Luft in dem Gebläseluftabschnitt 21 a etwa 10,5 kg/cm2 (150 psi), was etwa um 0,35 kg/cm2 (5 psi) höher ist als der Einlaßdruck des Gases in dem Turbineneinlaßabschnitt 19a. Dieser Druckunterschied erlaubt es, daß die Luft in der Gebläseabluftsektion 21 a durch den ringförmigen Spalt 17 zwischen dem röhrenförmigen Glied 14 und der Sichtröhre 15 zurückfließt. Die Luft in dem Spalt 17 führt durch die Öffnungen 20 und fließt durch die Sichtröhre 15 zu dem Turbinenabschnitt. Wenn sich die Luft durch die Sichtröhre bewegt, nimmt sie jeglichen Wasserdampf mit sich.
Das Schauglas 13 hat die Funktion eines Sichtfensters für die Pyrometereinheit 10. Da das Schauglas 13 ein festes Stück Material ohne Öffnungen ist, dient es als eine kritische Druckdichtung zwischen der Turbine urid der Pyrometereinheit 10, wenn das Ventil 12 in einer offenen Position ist.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wie sie beschrieben und dargestellt ist, schafft das Ventil 12 ein Mittel, um das Schauglas 13 und die Pyrometereinheit 10 von der Turbinemaschinenumgebung zu isolieren. Wie vorher dargestellt, ist dies ein wesentliches Merkmal der Erfindung, weil es ermöglicht, die Pyrometereinheit 10 oder das Schauglas 13 zu entfernen oder zu ersetzen oder das Instrument zu warten, während die Turbine läuft. Der Schutzbereich der Erfindung schließt auch eine breite Ausführungsform ein, in der das Ventil 12 von dem hier beschriebenen Aufbau weggelassen wurde. In dieser Ausführungsform ist das Kupplungsansatzstück 11 in der Pyrometereinheit 10 direkt mit den Flanschen 14a und 15a des ringförmigen Gliedes 14 und der Sichtröhre 15 verbunden, wobei das Schauglas 13 zwischen dem Flansch des Kupplungsansatzstückes 11 und dem Flansch 15a der Sichtröhre 15 angebracht ist.
Wie vorher beschrieben, ist die tatsächliche Position der Sichtröhre in der Turbinenmaschine so, daß die Pyrometereinheit die rotierenden Turbinenschaufeln entlang einer direkten Sehlinie sieht. Die Durchführung der Erfindung schließt auch ein, daß es möglich ist, die Sichtröhre in eine Position zu bringen, die es erlaubt, daß die Pyrometereinheit oder ein anderes Meßinstrument andere innere Teile der Maschine, wie die stationären Direktionsschaufeln, die Heißgasleitung, die Brenner oder andere Teile sieht.
Eine andere Art von Pyrometer, die in dieser Erfindung verwendet werden könnte, ist eines, das auf die Emissionswellenlängen der Gase, die in der Heißgasleitung vorhanden sind, abgestimmt ist. Ein solches Pyrometer könnte in Verbindung mit einer Sichtröhre verwendet werden, die, wie oben beschrieben, installiert ist, und die Sichtröhre könnte mit einem geeigneten Gas gereinigt werden, das die Strahlung, die von den Gasen in der Heißgasleitung emittiert wird, ungehindert übertragen wird. Dies würde es dem Pyrometer erlauben, die Temperatur der Gase in der Heißgasleitung zu überwachen. Der Einfachheit halber wurde die offenbarte Erfindung in den Zeichnungen als eine Gasturbine unter Verwendung einer einzelnen Heißgasleitung dargestellt. Die Erfindung ist für Gasturbinen anwendbar, die eine Vielzahl von Heißgasleitungen einschließen, wie es in der Beschreibung angegeben ist. Tatsächlich wurde die Erfindung zuerst in einer Turbine mit vielen Leitungen verwendet. Die Anzahl der Heißgasleitungen ist von der Art der Gasturbine abhängig und hat keine Beziehung zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Claims (15)

1. Gasturbine, bestehend aus einer Vielzahl von beweglichen Schaufeln, die auf eine Welle montiert sind, mindestens einer Leitung, die einen Durchgang für heißes Gas bildet, Mitteln zum Leiten des heißen Gases gegen die beweglichen Schaufeln, wobei diese Mittel eine Vielzahl von stationären Gasdirektionsschaufeln einschließen, und Trägermittel für die gasleitenden Teile, und ein äußeres Gehäuse für die Gasturbine, gekennzeichnet durch eine Sichtröhrenanordnung (A), die entlang eines im wesentlichen geradlinigen Kanals angeordnet ist und sich durch das Gehäuse (16) und durch die Heißgasleitung in den Heißgasdurchgang erstreckt, wobei dieser Kanal eine Sehlinie schafft, die sich zwischen den stationären Schaufeln erstreckt, die auf die beweglichen Schaufeln gerichtet ist und Mitteln zum Messen des Zustandes der beweglichen Schaufeln.
2. Gasturbine nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Sichtröhre an ihrem äußeren Ende mit einem Schauglas verschlossen ist, wobei sich das andere Ende der Sichtröhre mindestens etwa zur Wandung der Leitung erstreckt, wobei der Gasfluß im wesentlichen auf den Durchgang beschränkt wird.
3. Gasturbine nach den Punkten 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Mittel zum Messen des Zustandes der beweglichen Schaufeln mit dem Kanal und in der Sehlinie mit den beweglichen Schaufeln ausgerichtet sind.
4. Gasturbine nach den Punkten 1,2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Meßmittel ein optisches Pyrometer ist.
5. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Punkte, gekennzeichnet dadurch, daß der Kanal und die Welle, auf der die beweglichen Schaufeln montiert sind, einen Winkel von 20° bis 80° bilden.
6. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Punkte, gekennzeichnet dadurch, daß sich die Sichtröhre in flüssiger Verbindung mit einer Gebläseabluftsektion der Gasturbine befindet und die Sichtröhre mindestens eine Öffnung für die Reinigung der Sichtröhre einschließt.
7. Sichtröhrenanordnung und optische Meßmittel für die Überwachung der Feuerungstemperatur einer Gasturbine, die einen Turbinenabschnitt mit mehreren Reihen von stationären Direktionsschaufeln und mehreren Reihen von rotierenden Turbinenschaufeln einschließt, gekennzeichnet dadurch, daß die optischen Meßmittel (10) ein erstes röhrenförmiges Glied, das ein Kupplungsansatzstück (11) mit einem offenen Ende bildet, ein zweites röhrenförmiges Glied (14), ein erstes Ende, das sich durch einen Gehäuseabschnitt (16) der Turbine erstreckt, und ein zweites Ende, das an dem offenen Ende des Kupplungsansatzstückes befestigt ist, einschließen, daß eine Sichtröhre (15) innerhalb des zweiten röhrenförmigen Gliedes (14) angebracht ist, wobei die Sichtröhre ein erstes Ende hat, das zwischen dem offenen Ende des Kupplungsansatzstückes (11) und dem zweiten Ende (14a) des röhrenförmigen Gliedes befestigt ist, daß sich ein zweites Ende der Sichtröhre durch ein Heißgasleitungsglied (18) auf der Turbine erstreckt, wobei der äußere Durchmesser der Sichtröhre kleiner ist als der innere Durchmesser des zweiten röhrenförmigen Gliedes, derart, daß ein Ringraum zwischen der Sichtröhre und dem zweiten röhrenförmigen Glied gebildet wird, daß ein transparentes Glied zwischen dem Kupplungsansatzstück und dem ersten Ende der Sichtröhre befestigt wird, und daß das zweite Ende der Sichtröhre von einer ersten Reihe der stationären Direktionsschaufeln angebracht ist, und sich eine erste Reihe der stationären Direktionsschaufeln vor der ersten Reihe der rotierenden Turbinenschaufeln befindet, daß die Sichtröhrenanordnung so angebracht ist, daß eine Sehlinie von der Meßeinheit durch das Schauglas und die Sichtröhre und zwischen einem Paar von stationären Direktionsschaufeln auf eine ausgewählte Fläche der rotierenden Turbinenschaufeln geleitet wird, wobei eine Sicht der rotierenden Turbinenschaufeln, wie sie von der Meßeinheit erhalten wird, die Meßeinheit befähigt, kontinuierlich die Temperatur der rotierenden Schaufeln zu überwachen, um die Feuerungstemperatur des Turbinenabschnitts zu kontrollieren.
8. Anordnung nach Punkt 7, gekennzeichnet dadurch, daß der Ringraum (17), der die Sichtröhre (15) umgibt, sich in flüssiger Verbindung mit einem Gebläseabluftabschnitt der Gasturbine befindet, und daß die Sichtröhre mindestens eine Öffnung, benachbart zu dem ersten Ende der Sichtröhre, in flüssiger Verbindung mit dem Ringraum, aufweist.
9. Anordnung nach den Punkten 7 oder 8, gekennzeichnet dadurch, daß sie ein Ventil einschließt, das zwischen dem Kupplungsansatzstück und dem Schauglas an einem Ende und dem röhrenförmigen Glied und der Sichtröhre am anderen Ende verbunden ist.
10. Verfahren zur Überwachung beweglicher Schaufeln, die auf eine Welle in einer Gasturbine montiert sind, wobei die Turbine mindestens eine Leitung einschließt, die einen Durchgang für Heißgas bildet, Mitteln zum Richten des Gases gegen die beweglichen Schaufeln, wobei diese Mittel eine Vielzahl von stationärem Gas leitenden Schaufeln einschließen und Trägermittel für die Gas leitenden Schaufeln, und ein äußeres Gehäuse für die Gasturbine, gekennzeichnet durch den Schritt des Messers des Zustandes der beweglichen Schaufeln durch Meßmittel, die in Sehlinienverbindung mit den beweglichen Schaufeln durch eine Sichtröhrenanordnung angebracht sind, die sich entlang eines im wesentlichen geradlinigen Weges durch das Turbinengehäuse und durch die Heißgasleitung in den Heißgasdurchgang erstrecken, wobei sich die Sehlinie zwischen den stationären Schaufeln erstreckt und auf die beweglichen Schaufeln gerichtet ist, und wobei die Meßmittel in einer Linie mit dem Kanal liegen und auf die beweglichen Schaufeln gerichtet sind.
11. Verfahren nach Punkt 10, gekennzeichnet dadurch, daß das Meßmittel ein optisches Pyrometer ist, das die Temperatur der beweglichen Schaufeln mißt.
12. Sichtröhrenanordnung für eine Gasturbine mit einem Gehäuseabschnitt, mindestens einem Heißgasleitungsglied, mehreren Reihen von stationären Direktionsschaufeln und mehreren Reihen von rotierenden Turbinenschaufeln und Mitteln zum Messen des Zustandes der stationären Direktionsschaufeln, gekennzeichnet durch das Merkmal, daß diese Sichtröhre ein äußeres Ende und ein inneres Ende hat, wobei sich das äußere Ende durch den Gehäuseabschnitt erstreckt und durch ein Schauglas abgedichtet wird, wobei das innere Ende innerhalb der Turbine und vor den stationären Direktionsschaufeln angebracht ist, wobei die Sichtröhre einen direkten Weg schafft, um eine ausgewählte Fläche auf einer Reihe der stationären Direktionsschaufeln zu sehen, wobei die Meßmittel in einer Linie liegen mit dem Sichtröhrenkanal, um direkt die ausgewählte Fläche auf der stationären Direktionsschaufelreihe zu sehen.
13. Anordnung nach Punkt 12, gekennzeichnet dadurch, daß das Meßmittel ein optisches Pyrometer ist.
14. Anordnung nach den Punkten 12 oder 13, gekennzeichnet dadurch, daß die Sichtröhre einen direkten Weg schafft, um eine ausgewählte Fläche eines Heißgasleitungsgliedes zu sehen, und daß das Mittel zum Messen des Zustandes der Heißgasleitung in einer Linie mit dem Sichtröhrenkanal liegt, um die ausgewählte Fläche auf dem Heißgasleitungsglied direkt zu sehen.
15. Anordnung nach den Punkten 12 oder 13, gekennzeichnet dadurch, daß die Sichtröhre einen direkten Kanal für die Verbindung mit den Gasen, die innerhalb eines Heißgasleitungsgliedes vorhanden sind, schafft, und daß diese Mittel zum Messen der Temperatur dieser Gase in einer Linie mit dem Sichtröhrenkanal liegen, um die Temperatur dieser Gase zu überwachen.
Hierzu 4 Seiten Zeichnungen
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