-
Technisches Gebiet
-
Diese
vorliegende Anmeldung betrifft im Wesentlichen Verfahren und Systeme
zum Ermitteln einer Turbinenschaufelverformung. Insbesondere, jedoch
nicht im Sinne einer Einschränkung,
betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren und Systeme zum Messen
von Turbinenschaufelverformung während des
Betriebs der Turbine.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Die
Turbinenschaufeln von industriellen Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken
arbeiten in einer Hochtemperaturumgebung, in welcher die Temperaturen
regelmäßig zwischen
600°C und
1500°C erreichen.
Des Weiteren besteht der allgemeine Trend darin, die Turbinenbetriebstemperaturen
zu erhöhen, um
die Ausgangsleistung und die Triebwerkswirkungsgrade zu erhöhen. Die
in Verbindung mit diesen Bedingungen auf die Turbinenschaufeln ausgeübten thermischen
Belastungen sind schwer.
-
Im
Allgemeinen unterliegen Turbinenschaufeln einem hohen Grad an mechanischer
Belastung aufgrund der über
die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine aufgebrachten Kräfte. Diese
Belastungen wurden auf noch höhere
Werte in dem Bemühen
getrieben, Turbinenschaufelkonstruktionen einzusetzen, die höhere Ringflächen enthalten,
die noch ein höheres
Ausgangsdrehmoment während
des Betriebs ergeben. Zusätzlich
hat der Wunsch, Turbinenschaufelspitzen-Deckbänder mit größerer Oberfläche auszulegen,
zusätzliches
Gewicht dem Ende der Turbinenschaufel hin zugefügt, welches die auf die Schaufeln
während
des Betriebs ausgeübte
Belastung weiter erhöht,
hat. Wenn diese mechanischen Belastungen mit den schweren thermischen
Belastungen gekoppelt sind, besteht das Ergebnis darin, dass die
Turbinenschaufeln an den oder nahe an den Auslegungsgrenzen des
Materials arbeiten. Unter derartigen Bedingungen unterliegen die
Turbinenschaufeln im Allgemeinen einer langsamen Verformung, welche
oft als "Metallkriechen" bezeichnet wird.
Metallkriechen bezeichnet einen Zustand, in welchem ein Metallteil
seine Form aufgrund längerer Aussetzung
an Belastung und hohe Temperaturen langsam verändert. Turbinenschaufeln können sich in
der radialen oder axialen Richtung verformen.
-
In ähnlicher
Weise unterliegen Verdichterschaufeln einem hohen Grad an mechanischer
Belastung aufgrund der über
die Rotationsgeschwindigkeit des Verdichters aufgebrachten Kräfte. Demzufolge
können
Verdichterschaufeln ebenfalls einer langsamen Verformung in Verbindung
mit Metallkriechen unterliegen.
-
Demzufolge
ist der Turbinenschaufel- und Verdichterschaufel-Ausfallmodus von
primärer
Bedeutung in einer Turbine Metallkriechen, und insbesondere radiales
Metallkriechen (d. h., eine Verlängerung
der Turbinen- oder Verdichterschaufel). Unbeachtet gelassen, kann
das Metallkriechen schließlich
zu einem Bruch der Turbinen- oder Verdichterschaufel führen, was
einen extremen Schaden an der Turbineneinheit verursachen und zu
einer erheblichen Reparaturausfallzeit führen kann. Im Allgemeinen umfassen
herkömmliche
Verfahren zum Überwachen
von Metallkriechen entweder: (1) den Versuch, die akkumulierte Kriechformänderung
der Schaufeln als eine Funktion der Zeit unter Einsatz von analytischen
Werkzeugen wie z. B. Finite Elemente Analyseprogrammen vorherzusagen,
welche die Kriechformänderung
aus Algorithmen auf der Basis von Kriechformänderungstests berechnen, die
in einem Labor an isothermen Kriech teststangen durchgeführt wurden;
oder (2) visuelle Inspektionen und/oder Handmessungen, welche während einer Abschaltzeit
der Einheit durchgeführt
werden. Die prädiktiven
analytischen Werkzeuge sind jedoch oft ungenau. Und die visuellen
Inspektionen und/oder Handmessungen sind arbeitsaufwändig, teuer
und liefern oft ebenfalls ungenaue Ergebnisse.
-
In
jedem Falle können
ungenaue Vorhersagen bezüglich
des Zustands der Turbinen- oder Verdichterschaufel, sei es, dass
sie unter Anwendung analytischer Werkzeuge, visueller Inspektion
oder Handmessungen erfolgen, teuer sein. Einerseits können, ungenaue
Vorhersagen einen Betrieb der Schaufeln über ihre Betriebslebensdauer
hinaus zulassen und zu einem Schaufelausfall führen, welcher einen schweren
Schaden an der Turbineneinheit und eine Reparaturausfallzeit bewirken
kann. Andererseits können
ungenaue Vorhersagen eine zu frühe Außerbetriebnahme
einer Turbinen- oder Verdichterschaufel (d. h., bevor deren Betriebslebensdauer
abgelaufen ist) bewirken, was zu Ineffizienz führt. Demzufolge kann die Fähigkeit,
die Metallkriechverformung von Turbinen- und/oder Verdichterschaufeln genau
zu überwachen,
den Gesamtwirkungsgrad der Turbinentriebwerkseinheit erhöhen. Eine
derartige Überwachung
kann die Betriebslebensdauer der Schaufel maximieren, während gleichzeitig
das Risiko eines Schaufelbruches vermieden wird. Zusätzlich würden, wenn
eine derartige Überwachung
ohne den Aufwand zeitaufwändiger
und laborintensiver visueller Inspektionen oder Handmessungen durchgeführt werden
könnte,
weitere Effizienzen realisiert werden. Somit besteht ein Bedarf
nach verbesserten Systemen für
die Überwachung
oder Messung der Metallkriechverformung von Turbinen- oder Verdichterschaufeln.
-
Kurzbeschreibung der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung beschreibt somit ein Verfahren zum Ermitteln
der radialen Verformung einer Schaufel in einer Turbine, das die
Schritte enthält:
1) Ausführen
einer anfänglichen
Messung der Schaufel mit einem oder mehreren um den Umfang einer
Stufe der Schaufeln angeordneten Annäherungssensoren; 2) nach der
anfänglichen
Messung, Ausführen
einer zweiten Messung der Schaufel mit dem einen oder den mehreren
Annäherungssensoren;
3) Ausführen
einer Ermittlung der radialen Verformung der Schaufel durch Vergleichen
der anfänglichen
Messung und der zweiten Messung. Die anfängliche Messung und die zweite
Messung können jeweils
den Abstand von einer Spitze der Schaufel zu dem einen oder mehreren
Annäherungssensoren
anzeigen. Die anfängliche
Messung und die zweite Messung können
während
des Betriebs der Turbine durchgeführt werden.
-
In
einigen Ausführungsformen
kann das Verfahren auch den Schritt beinhalten, einen Alarm an einen
Turbinenbetreiber zu senden, wenn ein vorbestimmter Grad radialer
Verformung ermittelt wird. In weiteren Ausführungsformen kann das Verfahren auch
die Schritte beinhalten: 1) Messen eines radialen Temperaturprofils
der Schaufel; und 2) Ermitteln des Umfangs, bis zu welchem die radiale
Verformung gleichmäßig oder
konzentriert ist, aus dem radialen Temperaturprofil.
-
In
einigen Ausführungsformen
kann die Anzahl der Annäherungssensoren
zwei oder mehr sein, und das Verfahren kann ferner die Schritte
beinhalten: 1) Ermitteln einer Rotorauslenkung aus den durch die
zwei oder mehr Annäherungssensoren
erfassten Messungen; und 2) Berücksichtigen
der Rotorauslenkung, wenn die Ermittlung der radialen Verformung
der Schaufel ausgeführt
wird. In weiteren Ausführungsformen
kann die Anzahl der Annäherungssensoren
Eins sein, und das Verfahren kann ferner die Schritte beinhalten:
1) Messen einer Rotorauslenkung mit der einen oder mehreren Rotorsonden;
und 2) Berücksichti gen
der Rotorauslenkung, wenn die Ermittlung der radialen Verformung der
Schaufel erfolgt.
-
Die
vorliegende Erfindung kann ferner ein System zur Ermittlung der
radialen Verformung einer Schaufel in einer Turbine beschreiben,
das enthält:
1) einen oder mehrere Annäherungssensoren,
die um den Umfang einer Stufe von Schaufeln herum angeordnet sind;
und 2) ein Steuerungssystem, das Messdaten aus den Annäherungssensoren
empfängt.
Das Steuerungssystem kann so konfiguriert sein, dass es eine radiale
Verformung der Schaufel ermittelt, indem es eine anfängliche
Messung mit einer zweiten Messung der Schaufel vergleicht, die durch
den einen oder die mehreren Annäherungssensoren
erfasst wurden. Die anfängliche
Messung und die zweite Messung können
jeweils den Abstand von einer Spitze der Schaufel zu dem einen oder
mehreren Annäherungssensoren
anzeigen. Die anfängliche
Messung und die zweite Messung können
während
des Betriebs der Turbine ausgeführt
werden.
-
In
einigen Ausführungsformen
kann das System ein Infrarot-Pyrometer
enthalten. In derartigen Ausführungsformen
kann das Infrarot-Pyrometer das radiale Temperaturprofil der Schaufel
messen und die Daten des radialen Temperaturprofils an das Steuerungssystem
liefern. Das Steuerungssystem kann dann aus den Daten des radialen
Temperaturprofils das Ausmaß ermitteln,
in welchem die radiale Verformung gleichmäßig oder konzentriert ist.
In einigen Ausführungsformen
kann das Steuerungssystem so konfiguriert sein, dass es einen Alarm
erzeugt und an einen Turbinenbetreiber sendet, wenn ein vorbestimmter
Grad einer radialen Verformung ermittelt worden ist.
-
In
einigen Ausführungsformen
kann die Anzahl der Annäherungssensoren
Zwei oder mehr sein. In derartigen Ausführungsformen kann das Steuerungssystem
eine Rotorauslenkung aus den von den zwei oder mehr Annäherungssensoren
erfassten Messungen ermitteln. Das Steuerungssystem kann ferner
die Rotorauslenkung berücksichtigen,
wenn die Ermittlung der radialen Verformung der Schaufel erfolgt.
-
In
weiteren Ausführungsformen
kann die Anzahl der Annäherungssensoren
Eins sein. In derartigen Ausführungsformen
kann das Steuerungssystem eine Rotorauslenkung mit einem oder mehreren Rotorsonden
messen. Das Steuerungssystem kann ferner die Rotorauslenkung berücksichtigen,
wenn die Ermittlung für
die radiale Verformung der Schaufel erfolgt.
-
Die
vorliegende Erfindung kann ferner ein Verfahren zum Ermitteln der
axialen Verformung einer Schaufel in einer Turbine beschreiben,
das umfasst: 1) Erfassen einer anfänglichen Messung eines Abstandes
von festen Stellen auf einem Turbinengehäuse zu der Schaufel mit einem
oder mehreren Annäherungssensoren,
die um den Umfang einer Stufe der Schaufeln herum angeordnet sind,
wobei die festen Stellen eine von einer stromaufwärts von
der axialen Stelle der Stufe der Schaufeln, stromabwärts von
der axialen Stelle der Stufe der Schaufeln und sowohl stromaufwärts als
auch stromabwärts
von der axialen Stelle der Stufe der Schaufeln sind; 2) nach der
anfänglichen
Messung, Durchführen
einer zweiten Messung des Abstands mit dem einen oder mehreren Annäherungssensoren;
und 3) Durchführen
einer Ermittlung der axialen Verformung der Schaufeln durch Vergleichen
der anfänglichen
Messung mit der zweiten Messung. Die anfängliche Messung und die zweite
Messung können
jeweils den Abstand von einer Seite der Schaufel zu dem einen oder
den mehreren Annäherungssensoren
anzeigen. Die anfängliche
Messung und die zweite Messung können
während
des Betriebs der Turbine ausgeführt
werden.
-
In
einigen Ausführungsformen
kann das Verfahren ferner die Schritte beinhalten: 1) Messen eines
radialen Temperaturprofils der Schaufel; und 2) Ermitteln des Umfangs,
bis zu welchem die axiale Verformung gleichmäßig oder konzentriert ist,
aus dem radialen Temperaturprofil.
-
Die
vorliegende Anmeldung beschreibt ferner ein System zum Ermitteln
der axialen Verformung einer Schaufel in einer Turbine, das enthält: 1) einen oder
mehrere Annäherungssensoren,
die an festen Stellen um den Umfang einer Stufe von Schaufeln herum
angeordnet sind, wobei die festen Stellen eine von einer stromaufwärts von
der axialen Stelle der Stufe der Schaufeln, stromabwärts von
der axialen Stelle der Stufe der Schaufeln und sowohl stromaufwärts als
auch stromabwärts
von der axialen Stelle der Stufe der Schaufeln sind; und 2) ein
Steuerungssystem, das Messdaten aus den Annäherungssensoren empfängt. Das
Steuerungssystem kann dafür konfiguriert
sein, eine axiale Verformung der Schaufel zu ermitteln, indem eine
anfängliche
Messung mit einer zweiten Messung der Schaufel, die von dem einen
oder den mehreren Annäherungssensoren
ausgeführt
werden, verglichen wird. Die anfängliche Messung
und die zweite Messung können
jeweils den Abstand von einer Seite der Schaufel zu dem einen oder
mehreren Annäherungssensoren
anzeigen. Die anfängliche
Messung und die zweite Messung können
während
des Betriebs der Turbine erfolgen.
-
In
einigen Ausführungsformen
kann das System ein Infrarot-Pyrometer
enthalten. Das Infrarot-Pyrometer kann das radiale Temperaturprofil
der Schaufel messen liefert und die Daten des radialen Temperaturprofils
an das Steuerungssystem. Das Steuerungssystem kann dann aus den
Daten des radialen Temperaturprofils das Ausmaß ermitteln, in welchem die
radiale Verformung gleichmäßig oder konzentriert
ist.
-
Diese
und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei genauerer
Betrachtung der nachstehenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
in Verbindung mit den Zeichnungen und beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 ist
eine perspektivische aufgeschnittene Ansicht einer Gasturbine, welche
eine exemplarische Turbine darstellt, in welcher eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann.
-
2 ist
eine Querschnittsansicht der Gasturbine von 1, die eine
exemplarische Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung demonstriert.
-
3 ist
eine Querschnittsansicht der Gasturbine von 1, die die
Umfangsplatzierung der Annäherungssensoren
gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung demonstriert.
-
4 ist
eine Querschnittsansicht der Gasturbine von 1, die eine
exemplarische Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung demonstriert.
-
5 ist
eine Querschnittsansicht der Gasturbine von 1, die eine
exemplarische Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung demonstriert.
-
Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
-
Es
wurde eine Technik entwickelt, um genau, zuverlässig und mit relativ geringen
Kosten die Verformung von Turbinenschaufeln in Echtzeit, d. h., während des
Betriebs der Gastur bine zu messen. In 1 ist eine
typische Gasturbine 2 dargestellt, in welcher exemplarische
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Obwohl 1 eine
Gasturbine darstellt, dürfte
es sich verstehen, dass die vorliegende Erfindung auch in Dampfturbinen
angewendet werden kann. Wie dargestellt, kann die Gasturbine 2 einen
Verdichter 4 enthalten, welcher mehrere Stufen mit Verdichterschaufeln 5 enthält, die
ein Arbeitsfluid, wie z. B. Luft, verdichten. Die Gasturbine 2 kann
eine Brennkammer 6 enthalten, die einen Brennstoff mit
der verdichteten Luft verbrennt. Die Gasturbine 2 kann
ferner eine Turbine 8 enthalten, die mehrere Stufen mit
Schaufelblättern oder
Turbinenschaufeln 9 enthält, welche die Energie aus
den sich ausdehnenden heißen
Gasen in eine mechanische Rotationsenergie umwandeln. So wie hierin
verwendet, wird der Begriff "Schaufeln" verwendet, um entweder
Verdichterschaufeln oder Turbinenschaufeln zu bezeichnen. Die Turbine 8 kann auch,
wie in 2 dargestellt, Zwischenböden 10 enthalten,
welche feststehende Komponenten sind, die den Strom der heißen Gase
auf die Turbinenschaufeln 9 lenken. Die Gasturbine 2 kann
einen Rotor 11 enthalten, auf welchem die Verdichterschaufeln 5 und
Turbinenschaufeln 9 befestigt sind. Ein Turbinengehäuse 12 kann
die Gasturbine 2 einschließen.
-
Gemäß Darstellung
in 2 kann ein Schaufel-Radialverformungs-Überwachungssystem 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung einen oder mehrere Annäherungssensoren 22 enthalten,
die um den Umfang einer einzelnen Stufe der Verdichterschaufeln 5 oder
Turbinenschaufeln 9 herum in Abstand angeordnet sind. Insbesondere
können
die Annäherungssensoren 22 in
dem Turbinengehäuse 10 so
montiert sein, dass die Annäherungssensoren 22 einer
Stufe von Verdichterschaufeln 5 oder, wie dargestellt,
einer Stufe von Turbinenschaufeln 9 aus einer radial äußeren Position
gegenüberliegen.
Auf diese Weise können
die Annäherungssensoren 22,
je nachdem was zutrifft, den Abstand von dem Annäherungssensor 22 zu
der Spitze der Verdichterschaufel 5 oder Turbinenschaufel 9 messen.
In einigen Ausführungsformen
kann der Annäherungssensor 22 ein Wirbelstromsensor,
ein kapazitiver Sensor, ein Mikrowellensensor, Lasersensor oder
irgendein anderer ähnlicher
Vorrichtungstyp sein.
-
Über herkömmliche
Mittel können
die Sensoren, mit einem (nicht dargestellten) Steuerungssystem verbunden
sein, welches durch die Annäherungssensoren 22 erfasste
Daten aufnehmen, speichern und Berechnungen auf deren Basis ausführen kann.
Das Steuerungssystem kann irgendeine beliebige geeignete Hochleistungs-Festkörper-Schaltvorrichtung
sein. Das Steuerungssystem kann ein Computer sein; wobei dieser
jedoch lediglich exemplarisch für
ein Hochleistungs-Steuerungssystem ist, welches innerhalb des Schutzumfangs
der Anmeldung liegt. Beispielsweise, jedoch keinesfalls im Sinne
einer Einschränkung,
kann das Steuerungssystem wenigstens einen gesteuerten Siliziumgleichrichter
(SCR), einen Thyristor, einen MOS-gesteuerten Thyristor (MCD) und
einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate enthalten. Das Steuerungssystem
kann auch als eine integrierte Schaltung für nur einen Spezialzweck, wie
z. B. eine ASIC sein, die einen Haupt- oder Zentralprozessorabschnitt
für eine
Gesamt-System-Ebenensteuerung und getrennte Abschnitte aufweist,
die für
die Durchführung
verschiedener unterschiedlicher spezifischer Kombinationen, Funktionen und
anderer Prozesse unter der Steuerung des zentralen Prozessorabschnittes
ausgelegt sind. Der Fachmann auf diesem Gebiet wird auch erkennen, dass
das Steuerungssystem unter Anwendung einer Vielfalt getrennter spezieller
oder programmierbarer integrierter oder anderer elektronischer Schaltungen oder
Vorrichtungen, wie z. B. verdrahteter Elektronik oder Logikschaltungen
implementiert werden kann, welche diskrete Elementschaltkreise oder
programmierbare Logikvorrichtungen, wie z. B. PLDs, PALs, PLAs oder
dergleichen enthalten. Das Steuerungssystem kann auch un ter Verwendung
eines geeignet programmierten Allzweckcomputers, wie z. B. eines Mikroprozessors
oder eines Mikrocontrollers oder einer anderen Prozessorvorrichtung,
wie z. B. einer CPU oder MPU entweder alleine oder in Verbindung mit
einem oder mehreren peripheren Daten- und Signalverarbeitungsvorrichtungen
implementiert sein.
-
Im
Einsatz kann das Schaufel-Radialverformungs-Überwachungssystem 20 wie
folgt arbeiten. Obwohl dieses Betriebsbeispiel die Messung der Verformung
von Turbinenschaufeln 9 betrifft, wird der Fachmann erkennen,
dass dieselbe allgemeine Betriebsmethodik auch auf Verdichterschaufeln 5 angewendet
werden kann. Die Annäherungssensoren 22 können eine
anfängliche
Messung von jeder Turbinenschaufel 9 während des Startvorgangs der
Gasturbine 2 ausführen.
Wie ein Fachmann auf diesem Gebiet erkennen wird, können Oberflächenunterschiede
jeder Schaufel jede einzelne Schaufel gegenüber dem Steuerungssystem durch
das durch die Annäherungssensoren 22 gemessene
Profil identifizieren. Insbesondere können die winzigen Oberflächenunterschiede
jeder Schaufel dem Steuerungssystem ermöglichen, die einzelne Schaufel
zu identifizieren, und somit die Verformung jeder einzelnen Schaufel
zu verfolgen. Die anfängliche
Messung kann die Anfangslänge
jeder Turbinenschaufel 9 anzeigen. Diese kann durch die
bekannte Größe und Position
des Rotors 11 und den von dem Annäherungssensor 22 zu
der Spitze jeder Turbinenschaufel 9 gemessenen Abstand
ermittelt werden. D. h., aus diesen zwei Werten kann die Länge der
Turbinenschaufel 9 berechnet werden. Die Daten der anfänglichen
Messung können
durch das Steuerungssystem gespeichert werden.
-
Sobald
die Gasturbine 2 arbeitet, kann eine spätere oder zweite Messung ausgeführt werden. Diese
Messungen können
periodisch ausgeführt werden,
beispielsweise können
sie jede Sekunde oder jede Minute oder jede Stunde oder in einer
längeren Periode
ausgeführt
werden. Die zweite Messung kann die Länge von jeder Turbinenschaufel 9 zu dem
Zeitpunkt der Messung anzeigen. Wiederum kann diese Länge durch
die bekannte Abmessung und Position des Rotors und den durch die
Annäherungssensor 22 bis
zu der Spitze der Turbinenschaufel 9 gemessenen Abstand
bestimmt werden. Aus diesen zwei Werten kann die Länge der
Turbinenschaufel 9 berechnet werden. Die Daten der zweiten Messung
können
durch das Steuerungssystem gespeichert werden.
-
Das
Steuerungssystem kann die Messdaten verarbeiten, um zu ermitteln,
ob die Turbinenschaufel 9 sich in der radialen Richtung
verformt hat, d. h., ob sich die Turbinenschaufel während des
Einsatzes "gestreckt" hat. Insbesondere
kann das Steuerungssystem den zweiten Messwert mit dem Anfangsmesswert
vergleichen, um den Betrag der Verformung oder des Kriechvorgangs,
der ausgetreten ist, festzustellen. Das Steuerungssystem kann so
programmiert sein, dass es einen Turbinenbetreiber alarmiert, sobald
die Verformung einen bestimmten Wert erreicht. Beispielsweise kann
das Steuerungssystem einen blinkenden Alarm an einen bestimmten Computerterminal
erzeugen, eine E-Mail oder eine Seite an einen Turbinenbetreiber
senden oder irgendein anderes Verfahren nutzen, um den Turbinenbetreiber
aufmerksam zu machen. Dieser Alarm kann gesendet werden, wenn der
Verformungsgrad anzeigt, dass die Turbinenschaufel 9 sich
dem Ende ihrer Betriebslebensdauer annähert. Zu diesem Zeitpunkt kann
die Turbinenschaufel 9 aus der Gasturbine 2 entnommen
und repariert oder ersetzt werden.
-
Wie
festgestellt, kann das Schaufel-Radialverformungs-Überwachungssystem 20 einen
oder mehrere Annäherungssensoren 22 enthalten.
Gemäß Darstellung
in 3 kann das Schaufel-Radialverformungs-Überwachungssystem 20 drei
gleichmäßig um den
Umfang der Schaufel herum angeordnete Annäherungssensoren 22 enthalten;
trotzdem wird der Fachmann auf diesem Gebiet er kennen, dass mehr
oder weniger Annäherungssensoren 22 verwendet
werden können.
Der Vorteil mehrerer Sensoren besteht darin, dass die relative Position des
Rotors 11 in dem Gehäuse
ermittelt und in der Berechnung der tatsächlichen Verformung oder des Kriechvorgangs
der Schaufeln berücksichtigt
werden kann. Der Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass Änderungen
in der relativen Position des Rotors in Bezug auf das Turbinengehäuse 12 aufgrund
von Rotordurchbiegung, Lagerbewegung, Gehäuseunrundheit und andern Problemen
auftreten können.
Diese Auslenkung kann für
eine Schaufelverformung gehalten werden, wenn sie nicht durch die
mehreren Annäherungssensoren 22 berücksichtigt
wird. Somit kann die Auslenkung der Schaufeln, die einer Rotorbewegung
zugeordnet werden kann, so berücksichtigt
werden, dass die tatsächliche Schaufelverformung
ermittelt wird. Beispielsweise können
in dem Falle von drei Sensoren, wie in 3 dargestellt,
Messdaten anzeigen, dass sich für
einen der Annäherungssensoren 22 eine
von den Schaufeln gestreckt hat und für die anderen zwei Annäherungssensoren 22 die
Schaufel geschrumpft ist. Diese Ergebnisse zeigen an, dass sich
der Rotor innerhalb des Gehäuses
zu dem Annäherungssensor 22 hin,
der die Streckung anzeigt, verlagert hat. Mittels herkömmlicher
Verfahren kann das Steuerungssystem einen Algorithmus nutzen, um
die Rotorauslenkung mittels der drei gegebenen Messwerte zu ermitteln.
Dann kann das Steuerungssystem die Rotorauslenkung eliminieren,
um die tatsächliche
Radialverformung von jeder Schaufel zu ermitteln.
-
Wie
in einigen Ausführungsformen
festgestellt, kann nur ein einziger Annäherungssensor 22 verwendet
werden. In einem derartigen System kann es vorteilhaft sein, herkömmliche
Rotorsonden, wie z. B. eine Bently-Sonde zu verwenden, um die Rotorposition
zu bestimmen. Die Rotorsonden können
an jedem beliebigen Punkt auf dem Rotor positioniert sein, und können die
tatsächliche
radiale Position des Rotors in Echtzeit messen. Wie festgestellt,
dürfte
es sich für
den Fachmann auf diesem Gebiet verstehen, dass sich der Rotor während des
Betriebs radial verlagern kann. Diese Verlagerung kann als eine Verformung
der Schaufel erscheinen, wenn die tatsächliche Rotorposition nicht
berücksichtigt
wird. Wenn andererseits die tatsächliche
Rotorauslenkung durch die Rotorsonden berechnet wird, kann das Steuerungssystem
die tatsächliche
Verformung der Schaufeln berechnen.
-
In
einigen Ausführungsformen
können
die Annäherungssensoren 22 so
angeordnet sein, dass sie die axiale Verformung messen. Gemäß Darstellung
in 4 kann dieses erreicht werden, indem die Annäherungssensoren 22 in
einer solchen Position platziert werden, dass sie die Schaufeln
von einer Position aus beobachten, die sich stromaufwärts oder
vor der axialen Position der Schaufel befindet oder aus einer Position,
die sich stromabwärts
oder hinter der axialen Position der Schaufel befindet (d. h., die
Annäherungssensoren
blicken nicht auf die Stufe hinab, sondern aus einer Winkelposition).
Somit kann ein Schaufel-Axialverformungs-Überwachungssystem 30 einen
stromaufwärts
befindlichen Annäherungssensor 32,
einen stromabwärts
befindlichen Annäherungssensor 34 oder
beide an einer oder mehreren Stellen um den Umfang der Stufe herum
umfassen. Der stromaufwärts
befindliche Annäherungssensor 32 kann
den Abstand von einer festen stromaufwärts befindlichen Stelle in
dem Turbinengehäuse 12 bis
zu der Seite der Schaufel messen. Ebenso kann der stromabwärts befindliche
Annäherungssensor 34 den
Abstand von einer festen stromabwärts befindlichen Stelle in
dem Turbinengehäuse 12 bis
zu der Seite der Schaufel messen. Somit kann jede axiale Verformung
in der Stromaufwärts- und Stromabwärts-Richtung
der Schaufel ermittelt werden, indem die durch den stromaufwärts befindlichen Annäherungssensor 32,
den stromabwärts
befindlichen Annäherungssensor 34 oder
beide durchgeführten
aufeinander folgenden Messungen geprüft werden.
-
Ähnlich zu
dem Schaufel-Radialverformungs-Überwachungssystem 20 kann
es für
das Schaufel-Axialverformungs-Überwachungssystem 30 vorteilhaft
sein, mehrere Annäherungssensoren 20 im
Abstand um den Umfang der Stufe zu haben. Der Vorteil mehrerer Sensoren
besteht darin, dass die relative Position des Rotors ermittelt und
in der Ermittlung des tatsächlichen
axialen Kriechvorgangs der Schaufeln berücksichtigt werden kann.
-
Gemäß Darstellung
in 5 können
in einigen Ausführungsformen
das Schaufel-Radialverformungs-Überwachungssystem 20 und/oder
das Schaufel-Axialverformungs-Überwachungssystem 30 mittels
herkömmlicher
Infrarot-Pyrometer 40 ergänzt werden, die ein radiales
Temperaturprofil von jeder Schaufel liefern. Die in derartigen Ausführungsformen
eingesetzten Infrarot-Pyrometer
können
irgendwelche herkömmliche
Infrarot-Pyrometer oder ähnliche
Vorrichtungen sein. Im Einsatz können
die Infrarot-Pyrometer 40 das radiale Temperaturprofil von
jeder Schaufel während
des Betriebs messen. Das Steuerungssystem kann das durch die Annäherungssensoren 22 gemessene
radiale Kriechen und/oder das durch einen stromaufwärts befindlichen Annäherungssensor 32 gemessene
axiale Kriechen und das radiale Temperaturprofil für jede Schaufel verfolgen.
Das radiale Temperaturprofil ermöglicht
es dem Steuerungssystem während
des Betriebs zu ermitteln, ob irgendeine von den Schaufeln einen
kritischen Belastungspunkt bzw. "Hot
Spot" entwickelt
(d. h., einen Bereich erhöhter
Temperatur). Mit dieser Information kann das Steuerungssystem ermitteln,
ob ein größerer Prozentsatz
entweder des gemessenen axialen oder radialen Kriechvorgangs dem
Bereich der Schaufel zugeordnet werden kann, der mit dem Hot Spot übereinstimmt,
da Bereiche mit erhöhter Temperatur
einer höherer
Verformungs- oder Kriech-Geschwindigkeit unterliegen. Wie der Fachmann
auf diesem Gebiet erkennen wird, beeinflusst der Umstand, ob der
Kriechvorgang über
die gesamte Schaufel gleichmäßig oder
konzentriert ist, die angenommene Lebensdauer des Teils. Somit wird, wenn
ermittelt wird, dass wegen eines gemessenen Hot Spots die Schaufel
wahrscheinlich einem konzentrierten Kriechvorgang oder einer Verformung
unterliegt, die angenommene Lebensdauer des Teils verringert. Andererseits
wird, wenn ermittelt wird, dass wegen des Fehlens irgendwelcher
Hot Spots die Schaufel wahrscheinlich einem gleichmäßigen Kriechvorgang
unterlag, die angenommene Lebensdauer des Teils nicht verringert.
Auf diese Weise kann ein Ausfall aufgrund eines konzentrierten Kriechvorgangs
vermieden werden.
-
Aus
der vorstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
wird der Fachmann Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen
erkennen. Derartige Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen
innerhalb des Stands der Technik sollen durch die beigefügten Ansprüche abgedeckt
sein. Ferner dürfte
es ersichtlich sein, dass Vorstehendes nur die beschriebenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung betrifft, und dass zahlreiche Änderungen
und Modifikationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und
Schutzumfang der Anmeldung gemäß Definition durch
die nachstehenden Ansprüche
und deren Äquivalenten
ausgeführt
werden können.
-
Es
wird ein Verfahren zum Ermitteln der radialen Verformung einer Schaufel 4, 9 in
einer Gasturbine 2 bereitgestellt, das die Schritte umfasst:
Durchführen
einer anfänglichen
Messung der Schaufel 4, 9 mit einem oder mehreren
Annäherungssensoren 22, die
um den Umfang einer Stufe der Schaufeln 4, 9; 2 angeordnet
sind; nach der anfänglichen
Messung, Durchführen
einer zweiten Messung der Schaufeln 4, 9 mit dem
einen oder mehreren Annäherungssensoren;
Ausführen
einer Ermittlung der radialen Verformung der Schaufel 4, 9 durch
Vergleichen der anfänglichen
Messung mit der zweiten Messung. Die anfängliche Messung und die zweite
Messung können
während
des Betriebs der Turbine 2 durchgeführt werden.
-
- 2
- Gasturbine
- 4
- Verdichter
- 5
- Verdichterschaufeln
- 6
- Brennkammer
- 8
- Turbine
- 9
- Turbinenschaufeln
- 10
- Zwischenböden
- 11
- Rotor
- 12
- Turbinengehäuse
- 20
- Schaufel-Radialverformungs-Überwachungssystem
- 22
- Annäherungssensor
- 30
- Schaufel-Axialverformungs-Überwachungssystem
- 32
- Stromaufwärts befindlicher
Annäherungssensor
- 34
- Stromabwärts befindlicher
Annäherungssensor
- 40
- Infrarot-Pyrometer