DE102005040794A1

DE102005040794A1 - Telemetriesystem für die Datenübermittlung, insbesondere zwischen dem rotierenden und dem stationären Teil einer Gasturbine

Info

Publication number: DE102005040794A1
Application number: DE102005040794A
Authority: DE
Inventors: Paolo Dr. Ruffino; Hanspeter Dr. Zinn
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2006-04-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Telemetriesystem für die Datenübermittlung, insbesondere zwischen einer stationären und einer rotierenden Komponente einer Gasturbine, das mehrere an der bewegten Komponente angeordnete Transmitter (6) zur drahtlosen Übertragung von an der bewegten Komponente erfassten Daten an eine an der stationären Komponente angeordnete Empfangseinrichtung (9, 10, 11) und zumindest eine an der stationären Komponente angeordnete induktive Energieübertragungseinheit (16) aufweist, die mit einer Wechselstromquelle (2) verbunden ist. Beim vorliegenden Telemetriesystem sind an der bewegten Komponente mehrere Strom- oder Spannungsquellen (17) zur Energieversorgung der Transmitter (6) angeordnet, die Energie auf induktivem Wege von der induktiven Energieübertragungseinheit (16) aufnehmen und von denen jede Strom- oder Spannungsquelle (17) andere Transmitter (6) und/oder Gruppen von Transmittern (6) mit Strom bzw. Spannung versorgt. Das vorliegende Telemetriesystem ist weniger anfällig gegenüber einem Kurzschluss in der Stromversorgung ander rotierenden Komponente.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Telemetriesystem für die Datenübermittlung zwischen einer stationären und einer in geringem Abstand zur stationären bewegten Komponente, insbesondere einer stationären und einer rotierenden Komponente einer Gasturbine, das mehrere an der bewegten Komponente angeordnete Transmitter zur drahtlosen Übertragung von an der bewegten Komponente erfassten Daten an eine an der stationären Komponente angeordnete Empfangseinrichtung und zumindest eine an der stationären Komponente angeordnete induktive Energieübertragungseinheit aufweist, die mit einer Wechselstromquelle verbunden ist.
Eine drahtlose Datenübertragung durch ein Telemetriesystem ist beispielsweise bei der Übertragung zwischen einer rotierenden und einer stationären Komponente einer Gasturbine, dem Hauptanwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung, erforderlich. An der rotierenden Komponente, beispielsweise den Turbinenschaufeln, den Kompressorschaufeln oder dem Maschinenschaft, müssen während des Betriebes über geeignete Sensoren Betriebsbedingungen erfasst und drahtlos an den stationären Teil der Gasturbine übermittelt werden. Diese Messungen sind für die Kontrolle der Lebensdauer der Komponenten sowie die Überwachung der Leistung der Maschine unerlässlich.

Bei den derzeit bei der Anmelderin eingesetzten Telemetriesystemen in Gasturbinen wird die Energie für den Betrieb der an der rotierenden Komponente angeordneten Mess- und Datenübertragungseinrichtungen auf induktivem Wege von der stationären zur rotierenden Komponente übertragen. 1 zeigt ein Beispiel für eine derartige Ausgestaltung eines Telemetriesystems. Bei dieser Ausgestaltung ist der Stator mit einer Statorspule 1 mit bspw. zehn Windungen umwickelt. Die Statorspule 1 ist mit einem Wechselstromgenerator 2 verbunden, der von einer Gleichspannungsquelle 3 gespeist wird. Am Innenumfang des Rotors ist der Statorspule 1 gegenüberliegend eine Rotorspule 4 mit bspw. fünf Windungen angeordnet, in der aufgrund des Wechselstromflusses in der Statorspule 1 ein Wechselstrom induziert wird. Diese Rotorspule 4 dient als Stromquelle für die auf dem Rotor angeordneten Mess- und Datenübertragungseinrichtungen, von denen in der 1 einige schematisch angedeutet sind. Der in der Rotorspule 4 induzierte Wechselstrom bzw. die induzierte Wechselspannung wird über einen isolierenden Transformer 5 in einen Strom bzw. eine Spannung geeigneter Größe gewandelt. Mit diesem Strom werden die jeweiligen Transmitter 6 sowie die diesen zugeordneten Messsensoren 7 versorgt. Die von den Messsensoren 7 erfassten Daten, beispielsweise Temperatur-, Druck-, Vibrationsdaten oder andere Betriebsparameter, werden durch den jeweiligen Transmitter 6 über einen Rotorantennenring 8 durch kapazitive Kopplung auf einen Statorantennenring 9 übertragen. Die vom Statorantennenring 9 empfangenen Signale werden von einem HF-Signal-Splitter 10 in unterschiedliche Frequenzbereiche aufgeteilt und entsprechenden Empfängern 11 zugeleitet. Zusätzlich kann auch ein Hochfrequenz-Spektrum-Analysator 12 vorgesehen sein. Die empfangenen Signale können beispielsweise einem Bandrekorder 13 für die Aufzeichnung der Vibrations- und Betriebsdaten zugeführt werden, der mit einer Vibrationsüberwachungseinrichtung 14 verbunden ist. Von Temperatur- und Drucksensoren erfasste Daten werden einem separaten Datenaquisitionssystem 15 zugeführt. Die Weiterverarbeitung bzw. Überwachung dieser Daten kann in bekannter Weise erfolgen, ist jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung.

Bei einem derartigen Telemetriesystem kann die vollständige Messdatenerfassung und – übertragung ausfallen, wenn ein Kurzschluss innerhalb der als Stromquelle dienenden Rotorspule 4 auftritt. Durch einen derartigen Kurzschluss oder anderen Defekt werden sämtliche Mess- und Datenübertragungseinrichtungen des Rotors nicht mehr mit Energie versorgt. Der damit verbundene Schaden, insbesondere der Investitionsverlust in ein derartiges Mess- und Übertragungssystem sowie der nicht bezifferbare Verlust aufgrund fehlender Messdaten, kann erheblich sein.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Telemetriesystem für die Datenübermittlung zwischen einer stationären und einer in geringem Abstand zur stationären bewegten Komponente, insbesondere einer stationären und einer rotierenden Komponente einer Gasturbine, anzugeben, das bei derartigen Defekten einen geringeren Schaden verursacht.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Telemetriesystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Telemetriesystems sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Unteransprüchen entnehmen.

Das vorliegende Telemetriesystem weist in bekannter Weise mehrere an der bewegten Komponente angeordnete Transmitter zur drahtlosen Übertragung von an der bewegten Komponente erfassten Daten an eine an der stationären Komponente angeordnete Empfangseinrichtung sowie zumindest eine an der stationären Komponente angeordnete induktive Energieübertragungseinheit auf, die mit einer Wechselstromquelle verbunden ist. Das vorliegende Telemetriesystem zeichnet sich dadurch aus, dass an der bewegten Komponente mehrere Strom- oder Spannungsquellen zur Energieversorgung der Transmitter angeordnet sind, die Energie auf induktivem Wege von der induktiven Energieübertragungseinheit aufnehmen und von denen jede Strom- oder Spannungsquelle andere Transmitter und/oder Gruppen von Transmittern mit Strom bzw. Spannung versorgt.

Durch diese getrennten Strom- bzw. Spannungsquellen an der bewegten, insbesondere rotierenden Komponente für unterschiedliche Transmitter oder Gruppen von Transmittern wird der Schaden bei einem Kurzschluss oder ähnlichem Defekt auf die betroffenen Strom- oder Spannungsquellen bzw. Transmitter oder Gruppen von Transmittern begrenzt. Die nicht von dieser Strom- oder Spannungsquelle versorgten elektronischen Komponenten sind von dem Defekt nicht betroffen und arbeiten unverändert weiter. Dies erhöht die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems beträchtlich. Im Falle eines Kurzschlusses in einem der Transmitter oder einer der Strom- oder Spannungsquellen sind die verbleibenden Teilsysteme nicht betroffen.

Die Übertragung der Daten erfolgt in gleicher Weise, wie dies bereits bisher aus dem Stand der Technik bekannt ist, beispielsweise entsprechend der Darstellung der 1 über geeignete Antennen. Auch hier ist dann in der stationären Komponente ein geeignetes Empfängersystem und Datenverarbeitungssystem vorgesehen.

Vorzugsweise ist die induktive Energieübertragungseinheit am stationären Teil als Spulensystem mit ein oder mehreren Spulen ausgebildet, die beispielsweise im Falle einer Turbine um den Stator gewickelt sein können.

In der bevorzugten Ausgestaltung ist jeder Transmitter mit einer eigenen Strom- oder Spannungsquelle an der bewegten Komponente verbunden.

Die Strom- oder Spannungsquellen, die vorzugsweise eine Induktionsspule zur Energieaufnahme umfassen, können über einen Resonanzanpassungskreis mit dem jeweiligen Transmitter verbunden sein. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Transmittertypen einsetzen, ohne jeweils andere elektronische Komponenten einbauen zu müssen. Der Einsatz gleicher oder ähnlicher elektronischer Komponenten erhöht die Flexibilität des Systems.

Bei Anwendung des vorliegenden Telemetriesystems zwischen dem Rotor und dem Stator einer Turbine oder eines Kompressors ist die induktive Energieübertragungseinheit vorzugsweise als Statorspule ausgebildet, die um den Rotor gewickelt ist. Die Induktionsspulen für die einzelnen Strom- oder Spannungsquellen sind dabei um den Innenumfang des Rotors verteilt gegenüber der Statorspule angeordnet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Energieübertragung relativ unabhängig vom Spalt zwischen Rotor und Stator sowie der Exzentrizität und der Neigung des Rotors gegenüber dem Stator ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
Das vorliegende Telemetriesystem wird nachfolgend ohne Einschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereiches anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für ein Telemetriesystem gemäß dem Stand der Technik;
2 in schematischer Darstellung wesentliche Komponenten eines Telemetriesystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 eine Schaltkreisdarstellung des vorliegenden Telemetriesystems;
4 Beispiele für eingesetzte Resonanzanpassungskreise; und
5 ein Beispiel für eine Anordnung des Telemetriesystems zwischen einer rotierenden und einer stationären Komponente in Schnittdarstellung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Ein bekanntes Telemetriesystem zur Datenübertragung zwischen dem Rotor und dem Stator einer Gasturbine wurde bereits in der Beschreibungseinleitung in Verbindung mit der 1 näher erläutert. Bei dem gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Telemetriesystem unterscheidet sich die Energieversorgung der einzelnen Transmitter sowie diesen zugeordneten Messeinrichtungen am Rotor von dem System der 1. Dies ist in stark schematisierter Darstellung in der 2 veranschaulicht. Hierbei wird in diesem Beispiel eine Spule 16 am Stator für eine induktive Energieübertragung über eine Gleichspannungsquelle 3 und einen Wechselstromgenerator 2 mit einem Wechselstrom beaufschlagt. Am Rotor sind der Statorspule 16 gegenüber liegend mehrere Induktionsspulen 17 angeordnet. Jede Induktionsspule 17 bildet eine Stromquelle für die Energieversorgung eines einzelnen Transmitters 6 sowie der mit diesem verbundenen Messelektronik, die in der Figur nicht dargestellt ist. Zwischen die Stromquelle und den Transmitter 6 ist zusätzlich ein Transformator 18 zur Bereitstellung der für den jeweiligen Transmitter erforderlichen Strom- bzw. Spannungswerte geschaltet. Im Gegensatz zur Ausgestaltung der 1 ist bei dem vorliegenden Telemetriesystem somit jeder Transmitter 6 mit einer eigenen Stromquelle (Induktionsspule 17) verbunden.
Dies ist anhand eines weiteren Beispiels nochmals in 3 als elektronische Schaltung dargestellt. Die Statorspule 16 stellt hierbei die Primärspule dar, die vorzugsweise um den Umfang des Stators gewickelt ist. Am Innenumfang des Rotors sind mehrere Induktionsspulen 17 als Sekundärspulen angeordnet, in denen durch die in der Primärspule fließenden Wechselströme ebenfalls ein Wechselstrom induziert wird. Jede dieser Induktionsspulen 17 ist über einen Resonanzanpassungskreis 19 mit dem jeweiligen Transmitter 6 verbunden. Unterschiedliche Transmitter 6 sind mit unterschiedlichen Induktionsspulen 17 verbunden. Der Resonanzanpassungskreis, der in 4 nochmals anhand von zwei Beispielen dargestellt ist, besteht aus einfachen passiven Komponenten, wie Kapazitäten, Spulen und Sicherungen. Je nach eingesetztem Transmitter können unterschiedliche Resonanzanpassungskreise verwendet werden. So ist im vorliegenden Beispiel in 4a ein Resonanzanpassungskreis 19 mit einer Kapazität, einer Spule und einer Sicherung für einen WDC-Transmitter dargestellt, während 4b einen Resonanzanpassungskreis mit zwei Kondensatoren und einer Sicherung für einen Rolls-Royce-Transmitter zeigt. Die einzelnen Resonanzanpassungskreise sind in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Transmittertypen ausgebildet und an diese angepasst.
5 zeigt schließlich in einer Schnittdarstellung beispielhaft einen Ausschnitt aus dem vorliegenden Telemetriesystem, beispielsweise zur Erfassung und Übermittlung von Temperaturdaten in einer Gasturbine. Am Stator 20 ist hierbei eine umlaufende Spule 16 zur induktiven Energieübertragung in einem U-förmigen Eisenkern 21 angeordnet. Dieser gegenüberliegend ist am Rotor 22 lokal eine als Sekundärspule dienende Induktionsspule 17 ausgebildet, die der Energieaufnahme von der Primärspule und Stromversorgung des Transmitters 6 zur Übermittlung der Temperaturdaten dient. Auch die Messelektronik 23 zur Erfassung der Temperaturdaten ist in dieser Figur schematisch angedeutet. Die Pfeile geben den Verlauf des durch die Gasturbine strömenden Heißgases an. Bei Untersuchungen an einer derartigen Anlage zeigt sich, dass eine seitliche Verschiebung der Primär- bzw. Statorspule 16 gegenüber der Sekundär- bzw. Induktionsspule 17 kaum Einfluss auf die Effizienz der Energieübertragung hat. Eine Abweichung von der genauen Überlagerung um ± 11 mm ist hierbei ohne weiteres tolerierbar. Die Länge der Sekundärspule beträgt in diesem Beispiel in Umfangsrichtung lediglich 55 mm, die Breite Ausnehmung des U-förmigen Eisenkernes 22 mm.

1: Statorspule
2: Wechselstromgenerator
3: Gleichspannungsquelle
4: Rotorspule
5: Isolierender Transformer
6: Transmitter
7: Messsensoren
8: Rotorantennenring
9: Statorantennenring
10: HF-Signal-Splitter
11: Empfänger
12: HF-Spektrum-Analysator
13: Bandrekorder für Vibrations- und Betriebsdaten
14: Vibrationsüberwachungseinrichtung
15: Datenaquisitionssystem für Temperatur- und Druck-Daten
16: Statorspule
17: Induktionsspule
18: Transformator
19: Resonanzanpassungskreis
20: Stator
21: U-förmiger Eisenkern
22: Rotor
23: Temperatur-Messelektronik
24: Sicherung

Claims

Telemetriesystem für die Datenübermittlung zwischen einer statonären und einer in geringem Abstand zur statonären bewegten Komponente, insbesondere einer statonären und einer rotierenden Komponente einer Gasturbine, das mehrere an der bewegten Komponente angeordnete Transmitter (6) zur drahtlosen Übertragung von an der bewegten Komponente erfassten Daten an eine an der statonären Komponente angeordnete Empfangseinrichtung (9, 10, 11) und zumindest eine an der statonären Komponente angeordnete induktive Energieübertragungseinheit (16) aufweist, die mit einer Wechselstromquelle (2) verbunden ist, wobei an der bewegten Komponente mehrere Strom- oder Spannungsquellen (17) zur Energieversorgung der Transmitter (6) angeordnet sind, die Energie auf induktivem Wege von der induktiven Energieübertragungseinheit (16) aufnehmen und von denen jede Strom- oder Spannungsquelle (17) andere Transmitter (6) und/oder Gruppen von Transmittern (6) mit Strom bzw. Spannung versorgt.
Telemetriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Energieübertragungseinheit (16) ein Spulensystem aus ein oder mehreren Spulen (16) ist.
Telemetriesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Transmitter (6) eine eigene Strom- oder Spannungsquelle (17) vorgesehen ist.
Telemetriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom- oder Spannungsquellen (17) eine Induktionsspule (17) umfassen.
Telemetriesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Induktionsspule (17) und dem jeweiligen Transmitter (6) ein Resonanzanpassungskreis (19) geschaltet ist.
Telemetriesystem nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die stationäre Komponente ein Stator (20) und die bewegte Komponente ein Rotor (22) einer Turbine oder eines Kompressors ist, wobei die induktive Energieübertragungseinheit (16) durch zumindest eine um einen Umfang des Stators (20) gewickelte Spule (16) gebildet ist und die Induktionsspulen (17) der Stromquellen über einen gegenüber dem Umfang des Stators (20) liegenden Umfang des Rotors (22) verteilt angeordnet sind.