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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Anwendung betrifft im Wesentlichen Verfahren und Systeme
zum Überwachen der
Verschiebung von Turbinenlaufschaufeln, die während des Betriebs der Turbine
auftritt. Insbesondere, jedoch keinesfalls im Sinne einer Einschränkung, betrifft
die vorliegende Erfindung Verfahren und Systeme zum Überwachen
der Verschiebung von Turbinenlaufschaufeln durch Anbringen von Sensordrähten.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Turbinenlaufschaufeln von industriellen Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken
arbeiten in einer Hochtemperaturumgebung, in der die Temperaturen
regelmäßig zwischen
600°C und
1500°C erreichen.
Ferner besteht ein allgemeiner Trend zur Erhöhung der Turbinenbetriebstemperaturen,
um Ausgangsleistung und Triebwerkswirkungsgrade zu erhöhen. Die
in Verbindung mit diesen Bedingungen auf die Turbinenlaufschaufeln
ausgeübten
thermischen Belastungen sind schwer.
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Im
Wesentlichen unterliegen Turbinenlaufschaufeln einem hohen Maß mechanischer
Belastung aufgrund der durch die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine
ausgeübten
Kräfte.
Diese Belastungen wurden in dem Bemühen, eine Turbinenlaufschaufelkonstruktion
zu erhalten, die höhere
Ringraumflächen
enthält, die
ein höheres
Ausgangsdrehmoment während
des Betriebs ergeben, auf immer höhere Werte getrieben. Zusätzlich hat
der Wunsch, Deckbänder
für Turbinenlaufschaufelspitzen
mit größerer Oberfläche zu konstruieren,
zusätzliches
Gewicht dem Ende der Turbinenlaufschaufel hinzugefügt, was
die auf die Laufschaufel während des
Betriebs ausgeübten
Belastungen weiter erhöht hat.
Wenn diese mechanischen Belastungen mit den schweren thermischen
Belastungen gekoppelt werden, besteht das Ergebnis darin, dass die
Turbinenlaufschaufeln an ihren oder in der Nähe ihrer Auslegungsgrenzen
des Materials arbeiten. Unter derartigen Bedingungen unterliegen
die Turbinenlaufschaufeln im Allgemeinen einer langsamen Verformung, welche
oft als "Metallkriechen" bezeichnet wird.
Metallkriechen bezeichnet einen Zustand, in welchem sich ein Metallteil
langsam aufgrund einer längeren Aussetzung
an Belastung und hohe Temperaturen seine Form ändert. Turbinenlaufschaufeln
können sich
in der radialen oder axialen Richtung verformen.
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Demzufolge
ist der Turbinenlaufschaufel-Ausfallmodus von primärer Bedeutung
in den hinteren Endstufen einer Gasturbine das Metallkriechen und
insbesondere radiales Metallkriechen (das heißt, eine Verlängerung
der Turbinenlaufschaufel). Unbeachtet gelassen kann das Metallkriechen
schließlich einen
Bruch der Turbinenlaufschaufel bewirken, was eine extreme Beschädigung an
der Turbineneinheit und zu einer erheblichen Reparaturausfallzeit
führen kann.
Im Allgemeinen umfassen herkömmliche
Verfahren zum Überwachen
von Metallkriechen in Turbinenlaufschaufeln entweder: (1) den Versuch,
die akkumulierte Kriechverlängerung
von Turbinenlaufschaufeln als eine Funktion der Zeit unter Verwendung
analytischer Werkzeuge wie zum Beispiel Finite Elemente Analyseprogrammen
vorherzusagen, welche die Kriechdehnung aus Algorithmen berechnen, die
auf Kriechdehnungstests beruht, die in einem Labor an isothermen Kriechteststangen
durchgeführt wurden;
oder (2) visuelle Inspektionen und/oder Handmessungen, die während der
Stillstandszeit der Einheit durchgeführt werden. Jedoch erweisen
sich die vorhersagenden analytischen Werkzeuge oft als ungenau.
Und die visuellen Inspektionen und/oder Handmessungen sind arbeitsaufwendig,
teuer und ergeben oft ebenfalls ungenaue Ergebnisse.
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In
jedem Falle können
ungenaue Vorhersagen bezüglich
der Gesundheit der Turbinenlaufschaufel, sei es, dass sie unter
Verwendung analytischer Werkzeuge, visueller Inspektion oder durch Handmessungen
ausgeführt
werden, teuer sein. Einerseits können
ungenaue Vorhersagen einen Betrieb der Turbinenlaufschaufeln über ihre
Betriebslebensdauer hinaus ermöglichen
und zu einem Turbinenlaufschaufelausfall führen, welcher eine schwere Beschädigung an
der Turbineneinheit und Reparaturausfallzeit bewirken kann. Andererseits
können
ungenaue Vorhersagen eine Turbinenlaufschaufel zu früh (das heißt, bevor
ihre Betriebslebensdauer abgelaufen ist) außer Betrieb nehmen, was zu
Ineffizienz führt.
Demzufolge kann die Fähigkeit,
die Metallkriechverschiebung von Turbinenlaufschaufeln genau zu überwachen,
den Gesamtwirkungsgrad der Turbinentriebwerkseinheit vergrößern. Eine
derartige Überwachung
kann die Betriebslebensdauer von Turbinenlaufschaufeln maximieren,
während
gleichzeitig das Risiko eines Turbinenlaufschaufelausfalls vermieden
wird. Zusätzlich
würden,
wenn eine derartige Überwachung
ohne den Aufwand zeitaufwendiger und arbeitsintensiver visueller
Inspektionen oder Handmessungen ausgeführt werden könnte, weitere Nutzeffekte
realisiert. Somit besteht ein Bedarf nach verbesserten Systemen
für die Überwachung
oder Messung der Verschiebung von Turbinenlaufschaufeln durch Metallkriechen.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Anmeldung kann somit ein System zum Überwachen der Verschiebung
von Turbinenlaufschaufeln beschreiben, das eine Turbinenlaufschaufel
mit einem Schneidzahn und einen oder mehrere Sensordrähte enthält, wobei
jeder Sensordraht einen durchtrennbaren Bereich enthält, der durch
den Schneidzahn getrennt werden kann, sobald eine Turbinenlaufschaufelverschiebung
auftritt. Das System kann ferner eine Einrichtung zum Überwachen
des Status jedes Sensordrahtes aufweisen. Die Einrichtung zum Überwachen
des Status der Sensordrähte
kann eine Einrichtung, zur Ermittlung enthalten, welcher von den
Sensordrähten
durchtrennt worden ist.
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In
einigen Ausführungsformen
kann die Einrichtung zum Überwachen
des Status der Sensordrähte
eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung über jedem Sensordraht und eine
Einrichtung zum Ermitteln, wenn der in jeden Sensordraht gebildete
Schaltkreis offen ist, enthalten. In weiteren Ausführungsformen
kann die Einrichtung zum Überwachen
des Status der Sensordrähte
eine Einrichtung zum Überwachen
des elektrischen Widerstandes jedes Sensordrahtes und eine Einrichtung
zum Ermitteln, wann eine Änderung
in dem elektrischen Widerstand aufgetreten ist, enthalten.
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Der
eine oder die mehreren Sensordrähte können in
eine Wabenstruktur eingebettet sein. Die Wabenstruktur kann ein
Bereich eines an den Turbinendeckbändern angebrachten abreibbaren
Materials sein. Der eine oder die mehreren Sensordrähte können mehrere
radiale Sensordrähte
umfassen, die in die Wabenstruktur bei verschiedenen vorbestimmten
radialen Abständen
von einem Turbinenrotor angeordnet sind. Die vorbestimmten radialen
Abstände können in
regelmäßigen Intervallen
vor liegen. Wenigstens einer von den radialen Sensordrähten kann einen
radialen Indikator-Sensordraht enthalten. Der radiale Indikator-Sensordraht
kann in der Wabenstruktur bei einem vorbestimmten radialen Abstand von
dem Turbinenrotor so eingebettet sein, dass die Durchtrennung des
radialen Indikator-Sensordrahtes durch
den Schneidzahn anzeigt, dass das Turbinenschaufelblatt, aufgrund
der radialen Verlängerung, die
das Turbinenschaufelblatt erfahren hat, seine Betriebslebensdauer
maximiert hat. Das System kann ferner eine Einrichtung zum Senden
einer Meldung enthalten, wenn der radiale Indikator-Sensordraht durchtrennt
ist.
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In
einigen Ausführungsformen
können
der eine oder die mehreren Sensordrähte mehrere axiale Sensordrähte enthalten,
die in der Wabenstruktur bei variierenden vorbestimmten axialen
Stellen entlang der Länge
der Wabenstruktur angeordnet sind. Die vorbestimmten axialen Abstände liegen
in regelmäßigen Intervallen
vor.
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Die
vorliegende Erfindung kann ferner ein Verfahren zum Ermitteln der
Verschiebung von Turbinenlaufschaufeln in einem Turbinentriebwerk
beschreiben, das die Schritte enthält: (1) Überwachen eines oder mehrerer
Sensordrähte,
die durch einen Schneidzahn auf den Turbinenlaufschaufeln durchtrennt
werden, sobald die Verschiebung der Turbinenlaufschaufeln auftritt;
Quantifizieren des Verschiebungsbetrags, den die Turbinenlaufschaufeln erfahren
haben, auf der Basis, welcher von den mehreren Sensordrähten durchtrennt
wird. Das Verfahren kann ferner den Schritt der Anlegung einer Spannung über jeden
der Sensordrähte
beinhalten, so dass der Schritt der Überwachung der Sensordrähte die
Ermittlung beinhaltet, ob ein durch jeden der Sensordrähte gebildeter
Schaltkreis offen ist. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren
den Schritt der Überwachung
eines elektrischen Widerstandes über jedem
Sensordraht beinhalten, so dass der Schritt der Überwachung der Sensordrähte die
Ermittlung beinhaltet, ob sich der elektrische Widerstand über jedem
Sensordraht verändert
hat.
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Der
eine oder die mehreren Sensordrähte können mehrere
radiale Sensordrähte
enthalten, die in einer Wabenstruktur bei variierenden vorbestimmten
radialen Abständen
von dem Turbinenrotor angeordnet sind. In weiteren Ausführungsformen
können der
eine oder die mehreren Sensoren mehrere axiale Sensordrähte enthalten,
die in einer Wabenstruktur bei variierenden vorbestimmten axialen
Stellen entlang des Verlaufs der Wabenstruktur eingebettet sind.
In derartigen Ausführungsformen
kann das Verfahren die nachstehenden Schritte enthalten: (1) Ermitteln
der anfänglichen
axialen Lage des Schneidzahns durch Überwachen, welcher von den
axialen Sensordrähten
durch einen Anfangsschnitt durch einen Schneidzahn in der Wabenstruktur
durchtrennt wird; und (2) Ermitteln der Richtung und des Betrags der
axialen Verschiebung der Turbinenlaufschaufeln durch Überwachen,
welche von den restlichen mehreren Sensordrähten als nächste durchtrennt werden. Das
Verfahren kann ferner den Schritt der Sendung einer Meldung darüber beinhalten,
welcher von den Sensordrähten
durchtrennt worden ist.
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Diese
und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nach Betrachtung
der nachstehenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht des Endes einer exemplarischen Turbinenlaufschaufel gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
der vorliegenden Anmeldung.
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2 ist
eine Querschnittsansicht des Turbinenlaufschaufelverschiebungs-Überwachungssystems
gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform der
vorliegenden Anmeldung.
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3 ist
eine Querschnittsansicht des Turbinenlaufschaufelverschiebungs-Überwachungssystems
von 2, das dessen Betrieb demonstriert.
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4 ist
eine Querschnittsansicht eines Turbinenlaufschaufelverschiebungs-Überwachungssystems
gemäß einer
alternativen exemplarischen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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In
den Figuren, in welchen die verschiedenen Bezugszeichen gleiche
Teile durchgängig
durch die verschiedenen Ansichten bezeichnen, stellt 1 eine
Ansicht eines Endes einer Turbinenlaufschaufel 100 gemäß exemplarischen
Ausführungsformen
der vorliegenden Anmeldung dar. Die Turbinenlaufschaufel 100 kann
ein Schaufelblatt 102 enthalten, welches sich aus einem
(nicht dargestellten) Fuß des
Turbinenschaufelblattes 1 zu einem Spitzendeckband 104 erstreckt,
welches an dem Ende der Turbinenlaufschaufel 100 angebracht
ist. Im Betrieb dient das Schaufelblatt 102 zum Umwandeln
der Energie der sich aus einer Brennkammer ausdehnenden Abgase in
mecha nische Energie. Das Spitzendeckband 104 kann einen
Oberflächenbereich
bereitstellen, der im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des
Schaufelblattes 102 verläuft. Die Oberfläche des
Spitzendeckbandes 104 kann dazu beitragen, die Turbinenabgase
auf dem Schaufelblatt 102 zu halten (das heißt, es erlaubt
den Abgasen nicht über
das Ende des Schaufelblattes hinaus zu strömen), so dass ein größerer Prozentsatz
an Energie aus den Abgasen in mechanische Energie durch die Turbine
umgewandelt werden kann. Diese Deckbänder können somit die Leistung des
Gasturbinentriebwerks verbessern.
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Die
Turbinenschaufel 100 kann auch einen Schneidzahn 106 auf
einer Oberseite des Spitzendeckbandes 104 enthalten. Der
Schneidzahn 106 kann einen scharfen Grat ausbilden, der
aus der Außenoberfläche des
Spitzendeckbandes 104 hervorsteht. Wie es nachstehend detaillierter
diskutiert wird, kann der Schneidzahn 106 während der
Drehung der Turbinenlaufschaufel 100 eine Vertiefung in
einen Bereich eines weichen Metalls schneiden, welches aufgrund
seines Aussehens oft als "Wabenstruktur" bezeichnet wird.
Wie der Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet erkennen wird, kann
sich die Auslegung des Schneidzahns 106 gemäß der vorliegenden
Anmeldung erheblich von der in 1 dargstellten
Auslegung, welche lediglich exemplarisch ist, unterscheiden. Im
Wesentlichen kann der Schneidzahn 106 jede Kante oder vorspringende
Oberfläche
auf der Turbinenlaufschaufel 100 sein. Die durch den Schneidzahn 106 in
das weiche Metall geschnittene Vertiefung kann eine nützliche
Labyrinthdichtung zwischen der Turbinenlaufschaufel 100 und
einem mit dem Gehäuse
der Turbine verbundenen Turbinendeckband ausbilden.
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2 stellt
eine Querschnittsansicht eines Turbinenlaufschaufelverschiebungs-Überwachungssystems 200 dar,
welche die entlang einem Turbinendeckband 202 eingebaute
Turbinenlaufschaufel 100 enthalten kann. Der Turbinendeckband 202 ist
ein stationäres
Deckband, das mit einem Turbinengehäuse 204 verbunden
ist. Das Turbinengehäuse 204 ist
ein Gehäuse,
das den (nicht dargstellten) Turbinenrotor und die darauf eingebauten
Turbinenlaufschaufeln 100 umgibt. Das Turbinendeckband 202 kann
den Wirkungsgrad der Turbine erhöhen,
indem es die Turbinenabgase auf das Schaufelblatt 104 der Turbinenschaufel 100 lenkt,
und somit die aus den Abgasen entzogene mechanische Energie vergrößert.
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Das
Turbinendeckband 200 enthält eine Wabenstruktur 206.
Gemäß Darstellung
in 2 kann die Wabenstruktur 206 an dem Turbinendeckband 202 an
einer Stelle direkt über
der Turbinenschaufel 100 angebracht sein. Wie beschrieben,
kann die Wabenstruktur 206 ein relativ weiches oder abreibbares Material
sein. Beispielsweise kann die Wabenstruktur 206 aus Haynes 214 bestehen.
Zusätzlich
kann die Wabenstruktur auch aus Graphit, Filzmetall, einem porösen Keramikmaterial
oder anderen ähnlichen
relativ weichen Metallen oder anderen porösen Materialien bestehen. So
wie hierin verwendet, ist die Wabenstruktur 206 so definiert,
dass sie einen Bereich von abreibbarem Material enthält, in welchem
die rotierende Turbinenlaufschaufel 100 während der
Drehung einschneidet. Im Wesentlichen bildet das Einschneiden in
die Wabenstruktur 206 durch die Turbinenlaufschaufel 100 eine
nützliche
Labyrinthdichtung zwischen der Turbinenschaufel 100 und
dem Turbinendeckband 202 oder dem Turbinengehäuse 204 aus.
Die Wabenstruktur 206 kann an dem Turbinendeckband mittels
herkömmlicher
Verfahren befestigt sein. Direkt über der Turbinenschaufel 100 liegend kann
die Wabenstruktur 206 direkt über dem Schneidzahn 106 der
Turbinenschaufel 100 positioniert sein, welcher gemäß Darstellung
angenähert
an dem Mittelpunkt der Turbinenschaufel 100 angeordnet
sein kann.
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Das
Turbinenschaufelverschiebungs-Überwachungssystem 200 kann
ferner einen oder mehrere radiale Sensordrähte 208 enthalten.
Die radialen Sensordrähte 208 können von
einer elektrischen Quelle 210 ausgehen, die in dem Turbinendeckband 202 (gemäß Darstellung)
oder dem Turbinengehäuse 204 angeordnet
ist. Mittels herkömmlicher
Einrichtungen kann die elektrische Quelle 210 den Zustand der
radialen Sensordrähte 208 überwachen,
und den Zustand der Sensordrähte 208 an
ein (nicht dargstelltes) Steuersystem melden.
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Das
Steuersystem kann eine beliebige geeignete leistungsfähige Festkörperschaltvorrichtung aufweisen.
Das Steuersystem kann ein Computer sein; jedoch ist dieses lediglich
für ein
geeignetes leistungsfähige
Steuersystem exemplarisch, welches innerhalb des Schutzumfangs der
Anmeldung liegt. Beispielsweise kann, jedoch keinesfalls im Sinne
einer Einschränkung,
das Steuersystem wenigstens einen gesteuerten Siliziumgleichrichter
(SCR), einen Thyristor, einen MOS-gesteuerten Thyristor (MCT) und
einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate aufweisen. Das Steuersystem
kann auch als eine einzige integrierte Schaltung für einen
speziellen Zweck (wie zum Beispiel als ein ASIC mit einem Haupt-
oder Zentralprozessorabschnitt für
eine gesamte Systemebenen-Steuerung und als getrennte Abschnitte implementiert
sein, welche spezielle verschiedene spezifische Kombinationen, Funktionen
und andere Prozesse unter der Steuerung des zentralen Prozessabschnittes
ausführen.
Es wird für
den Fachmann auf diesem Gebiet ferner ersichtlich sein, dass das Steuersystem
unter Verwendung einer Vielfalt getrennter spezieller oder programmierbarer
integrierter oder anderer elektronischer Schaltungen oder Gerä te, wie
zum Beispiel mittels verdrahteter Elektronik oder Logikschaltungen,
die Schaltkreise mit diskreten Elementen oder programmierbare Logikelementen,
wie zum Beispiel PLDs, PALs, PLAs oder dergleichen umfassen, implementiert
sein können. Das
Steuersystem kann auch unter Verwendung eines geeignet programmierten
Allzweckcomputers, wie zum Beispiel eines Mikroprozessors oder einer Mikrosteuerung
oder anderen Prozessorvorrichtungen, wie zum Beispiel einer CPU
oder MPU entweder alleine oder in Verbindung mit einer oder mehreren peripheren
Daten und Signalverarbeitungsvorrichtungen implementiert werden.
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Gemäß der Überblicksansicht
von 2 können
sich die radialen Sensordrähte 208 aus
der elektrischen Quelle 210 durch das Turbinendeckband 202 hindurch
in die Wabenstruktur 206 erstrecken. Die radialen Sensordrähte 208 können innerhalb
der Wabenstruktur 206 bei verschiedenen radialen Abständen oder
Tiefen von der Rotationsachse des Turbinenrotors angeordnet sein.
Diese radialen Tiefen können
vorbestimmt sein, und somit kann die Position von jedem der radialen
Sensordrähte 208 einem
Turbinenbetreiber bekannt sein. Der Turbinenbetreiber, so wie hierin
verwendet wird, kann eine Person oder ein automatisiertes Betriebssystem
umfassen, das den Betrieb der Turbine verwaltet. Beispielsweise
kann ein erster radialer Sensordraht 212 in der Nähe der Oberfläche der
Wabenstruktur 206 angeordnet sein. Ein zweiter radialer
Sensordraht 214 kann tiefer innerhalb der Wabenstruktur 206 als der
erste radiale Sensordraht 212 vergraben sein, und somit
eine Position einnehmen, die sich ein einem größeren Abstand von dem Sägezahn 106 als der
erste radiale Sensordraht 212 befindet. Ein dritter radialer
Sensordraht 216 kann tiefer in der Wabenstruktur 206 als
der zweite radiale Sensordraht 214 vergraben sein und somit
eine Position einnehmen, die sich in einem größeren Abstand von dem Schneidzahn 106 als
der zweite radiale Sensordraht 214 befindet. Ein vierter
radialer Sensordraht 218 kann tiefer in der Wabenstruktur 206 als
der dritte radiale Sensordraht 216 vergraben sein und somit
eine Position einnehmen, die sich in einem größeren Abstand von dem Schneidzahn 106 als
der zweite radiale Sensordraht 214 befindet.
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Der
Abstand der radialen Sensordrähte 208 kann
regelmäßig sein.
In einigen Ausführungsformen können die
radialen Sensordrähte 208 in
regelmäßigen Intervallen
angeordnet sein, die etwa 10 bis 20 Millimeter betragen, obwohl
dieser Abstand signifikant abhängig
von der Anwendung variieren kann. Der Fachmann auf diesem Gebiet
wird erkennen, dass mehr oder weniger radiale Sensordrähte 208 verwendet
werden können,
und dass die Beschreibung von vier Sensordrähten lediglich exemplarisch ist.
In einigen Ausführungsformen
kann nur ein einziger radialer Sensordraht 208 verwendet
werden.
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Im
Betrieb können
die mechanischen und thermischen Belastungen in Verbindung mit der
Turbinenumgebung eine langsame Verformung der Turbinenschaufelblätter 100 bewirken.
Diese langsame Verformung oder das Metallkriechen, kann eine Verlängerung
der Turbinenlaufschaufel 100 bewirken, das heißt, eine
Zunahme des Radius von dem Ende der Turbinenlaufschaufel 100 zu
dem Turbinenrotor. Mit der Zeit kann die Turbinenlaufschaufel 100 so "kriechen", dass der Schneidzahn 106 eine
immer tiefer werdende radiale Vertiefung in die Wabenstruktur 206 schneidet,
wie es in 3 durch die Überlappung des Schneidzahns 106 und
der Wabenstruktur 206 dargestellt ist. Wie beschrieben,
kann diese radiale Vertiefung eine Labyrinthdichtung zwischen der Turbinenlaufschaufel 100 und
dem Turbinendeckband 202 ausbilden. Man beachte, dass die
hierin offenbarte Erfindung eine Verschiebung der Turbinenschaufel 100 überwachen
kann, welche durch jedes Mittel verursacht wird, einschließlich, jedoch
nicht darauf beschränkt,
Metallkriechen. Die Beschreibung von Metallkriechen als Anlass für die Verschiebung ist
lediglich exemplarisch.
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Das
radiale Kriechen (das heißt,
die radiale Verlängerung)
der Turbinenlaufschaufel 100 kann auch beginnen, die in
der Wabenstruktur 206 eingebetteten radialen Sensordrähte 208 zu
durchtrennen. Insbesondere kann, wenn der Schneidzahn 106 der Turbinenlaufschaufel 100 in
die Wabenstruktur 206 schneidet, der Schneidzahn 106 die
in der Wabenstruktur 206 eingebetteten radialen Sensordrähte 208 einen
nach dem anderen durchtrennen. Gemäß Darstellung in 3 hat
sich die Turbinenlaufschaufel 100 in dem Maße verlängert, dass
der Schneidzahn 106 der Turbinenlaufschaufel 100 den
ersten Sensordraht 212 durchtrennt hat.
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Das
radiale Kriechen oder die Verlängerung der
Turbinenlaufschaufel 100 können dann überwacht und durch Überwachung
des Status der radialen Sensordrähte 208 (das
heißt,
welcher von den radialen Sensordrähten 208 durchtrennt
worden ist) quantifiziert werden. Dieses kann auf unterschiedliche
Arten erreicht werden. Beispielsweise kann die elektrische Quelle 210 eine
Spannung über
jedem radialen Sensordraht 208 anlegen. Wenn einer von
den Sensordrähten 208 durchtrennt
wird, kann eine Änderung
in der Belastung (zum Beispiel ein offener Schaltkreis) durch das
Steuersystem in diesem speziellen radialen Sensordraht 208 registriert
werden. Alternativ kann ein elektrischer Widerstand in jedem radialen
Sensordraht 208 überwacht
werden, so dass, wenn einer von den radialen Sensordrähten 208 durchtrennt
wird, eine Änderung
in dem Wider stand (zum Beispiel ein im Wesentlichen unendlich elektrischer
Widerstand) durch das Steuersystem registriert werden.
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Unter
Verwendung von einem dieser Verfahren (oder anderen ähnlichen
Systemen) kann das Steuersystem den Zustand der mehreren radialen Sensordrähte verfolgen,
(d.h., ermitteln und verfolgen, welcher von den radialen Sensordrähten 208 durchschnitten
worden ist). Da die radialen Sensordrähte 208 bei variierenden
bekannten Tiefen eingebettet sind, kann die Kenntnis, welcher von
den radialen Sensordrähten 208 von
dem Schneidzahn 106 der Turbinenlaufschaufel durchschnitten
worden ist, dem Turbinenbetreiber ermöglichen, die aktuelle radiale
Position des Schneidzahns 106 (das heißt, die Länge des Radius von dem Schneidzahn 106 bis
zu dem Turbinenrotor) zu erkennen. Die aktuelle Position des Schneidzahns 106 kann
dann mit einer bekannten Startposition des Schneidzahns 106 (das heißt, der
radialen Position des Schneidzahns 106 bei dem Einbau der
Turbinenlaufschaufel) verglichen werden, um die Verlängerung
(das heißt,
die radiale Zunahme aufgrund von Metallkriechen) zu bestimmen, das
die Turbinenlaufschaufel 100 während ihres Betriebs in der
Turbine durchgemacht hat.
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Auf
diese Weise kann das radiale Metallkriechen der Turbinenlaufschaufel 100 während des
Turbinenbetriebs automatisch quantifiziert und verfolgt werden.
Einer von den radialen Sensordrähten 208 kann
in einer Tiefe vergraben sein, dass er, wenn er durchtrennt wird,
anzeigt, dass die Betriebslebensdauer der Turbinenlaufschaufel nahe
an der Erschöpfung
liegt und/oder das Risiko eines Turbinenlaufschaufelausfalls aufgrund
des radialen Metallkriechens, das die Turbinenlaufschaufel 100 durchgemacht
hat, außergewöhnlich hoch
ist. Wenn dieser spezielle radiale Sensordraht 208 durchtrennt
ist, kann das Steuersystem Hinweise bezüglich dieses Zustands mittels
E-Mail, Computeralarm oder einer ähnlichen Einrichtung dem Turbinenbetreiber
geben, so dass die Turbinenlaufschaufel 100 oder Turbinenlaufschaufelsatz
weiter inspiziert und/oder ersetzt werden kann. Auf diese Weise
kann die Betriebslebensdauer der Turbinenlaufschaufel 100 maximiert werden,
ohne ein außerordentlich
hohes Risiko eines Turbinenlaufschaufelausfalls aufgrund von radialem Metallkriechen
einzugehen.
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Ein ähnliches
Verfahren und System kann auch zum Verfolgen von Metallkriechen
der Turbinenlaufschaufel 100 in der axialen Richtung verwendet
werden. 4 stellt eine Querschnittsansicht
einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Anmeldung, ein Turbinenlaufschaufelverschiebungs-Überwachungssystem 400 dar.
Wie festgestellt, kann zusätzlich
zum Durchmachen einer Deformation in der radialen Richtung die Turbinenlaufschaufel 100 in
der axialen Richtung kriechen. Die axiale Richtung wird in 4 durch
die Pfeile 401, 402 dargestellt. Daher können anstelle
einer (oder zusätzlich
zu einer) Einbettung radialer Sensordrähte 208 in variierenden
radialen Tiefen in der Wabenstruktur 206, einer oder mehrere
axiale Sensordrähte 403 entlang
dem Längsverlauf
der Wabenstruktur 206 eingebettet sein. Die axialen Sensordrähte 403 können sich
von der elektrischen Quelle 210 (durch das Turbinendeckband 202 und
die Wabenstruktur 206) zu einer Stelle kurz vor der Oberfläche der
Wabenstruktur 2076 erstrecken. Die Schleife, die der axiale
Sensordraht 403 in der Wabenstruktur 206 ausbildet,
kann im Wesentlichen senkrecht zu der Außenoberfläche der Wabenstruktur 206 sein.
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Gemäß Darstellung
können
die axialen Sensordrähte 403 einen
ersten axialen Sensordraht 404, einen zweiten axialen Sensordraht 406,
einen dritten axialen Sensordraht 408, einen vierten axialen Sensordraht 410 und
einen fünften
axialen Sensordraht 412 umfassen. Der Abstand der axialen
Sensordrähte 403 kann
regelmäßig sein.
In einigen Ausführungsformen
können
die axialen Sensordrähte 208 in
regelmäßigen Abstandsintervallen,
die angenähert
10 bis 20 Millimeter betragen, angeordnet sein, obwohl diese Strecke
signifikant abhängig
von der Anwendung variieren kann. Der Durchschnittsfachmann auf
diesem Gebiet wird erkennen, dass mehr oder weniger axiale Sensordrähte 403 verwendet
werden können,
und dass der Einschluss von fünf axialen
Sensordrähten 403 in 4 nur
exexemplarisch ist.
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Im
Betrieb kann die Turbine 100 einen Anfangsschnitt in die
Wabenstruktur 206 während
des Betriebs machen. In der Ausrichtung von 4 kann der
Anfangsschnitt den dritten axialen Sensordraht 408 durchtrennen.
Die axialen Sensordrähte 403 können durch
das Steuersystem in derselben Weise wie vorstehend für die radialen
Sensordrähte 208 beschrieben, überwacht
werden. Das Steuersystem kann somit registrieren, dass der dritte
axiale Sensordraht 408 durchtrennt worden ist. Dieses anfängliche Durchschneiden
des axialen Sensordrahtes 403 kann dem Steuersystem und
Turbinenbetreiber die Information bezüglich der anfänglichen
axialen Lage des Schneidzahns 106 der Turbinenlaufschaufel 100 geben.
Während
des Betriebs kann die Turbinenlaufschaufel 100 axial kriechen,
und somit den anfänglichen
Schnitt erweitern. Beispielsweise kann die Turbinenschaufel 100 in
der Richtung des Pfeils 402 kriechen. In diesem Falle kann
nach einer ausreichenden Zeit eines Turbinenbetriebs (und des zugehörigen durch
den Turbinenbetrieb verursachten axialen Kriechens) der Schneidzahn 106 den
vierten axialen Sensordraht 410 durchschneiden. Durch den gegebenen
Anfangsschnitt des dritten Sensordrahtes 408 und den anschließenden Schnitt
des vierten Sensordrahtes 410 hat der Turbinenbetreiber
eine genaue Information bezüglich
der Richtung und des Betrags des axialen Kriechens der Turbinenlaufschaufel 100.
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An
einem bestimmten Punkt, zum Beispiel nach dem Durchtrennen eines
zusätzlichen
axialen Sensordrahtes 403 oder mehrerer weiterer axialer Sensordrähte 403 kann
auf der Basis des Betrags des von der Turbinenlaufschaufel 1 durchgemachten axialen
Kriechens, festgestellt werden, dass die Betriebslebensdauer der
Turbinenlaufschaufel 100 sich nahe an ihrer Erschöpfung befindet
und/oder das Risiko eines Ausfalls außerordentlich hoch ist. Das Steuersystem
kann dem Turbinenbetreiber Hinweise bezüglich dieses Zustands mittels
E-Mail, Computeralarm oder einer ähnlichen Einrichtung geben,
so dass die Turbinenlaufschaufel 100 ersetzt werden kann.
Auf diese Weise kann die Betriebslebensdauer der Turbinenlaufschaufel 100 maximiert
werden, ohne ein außerordentlich
hohes Risiko eines Turbinenlaufschaufelausfalls aufgrund von axialem
Metallkriechen einzugehen.
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Es
dürfte
offensichtlich sein, dass Vorstehendes nur die beschriebenen Ausführungsformen
der vorliegenden Anmeldung betrifft, und dass zahlreiche Änderungen
und Modifikationen hierin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken
und dem Schutzumfang der Anwendung gemäß Definition durch die nachstehenden
Ansprüche
und deren Äquivalente ausgeführt werden
können.
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FREMDTEILELISTE
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- 100
- Turbinenlaufschaufel
- 102
- Schaufelblatt
- 104
- Spitzendeckband
- 106
- Schneidzahn
- 200
- Turbinenlaufschaufelverschiebungs-Überwachungssystem
- 202
- Turbinendeckband
- 204
- Turbinengehäuse
- 206
- Wabenstruktur
- 208
- radiale
Sensordrähte
- 210
- elektrische
Quelle
- 212
- erster
radialer Sensordraht
- 214
- zweiter
radialer Sensordraht
- 216
- dritter
radialer Sensordraht
- 218
- vierter
radialer Sensordraht
- 403
- axiale
Sensordrähte
- 404
- erster
axialer Sensordraht
- 406
- zweiter
axialer Sensordraht
- 408
- dritter
axialer Sensordraht
- 410
- vierter
axialer Sensordraht
- 412
- fünfter axialer
Sensordraht