-
HINTERGRUND
-
Die
Erfindung betrifft im Wesentlichen Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerke,
und insbesondere ein Verfahren und ein System zum Erkennen von Schaufelproblemen
in Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken in Echtzeit.
-
Gasturbinen
arbeiten bei relativ hohen Temperaturen. Das Leistungsvermögen einer
derartigen Maschine ist in hohem Maße durch die Fähigkeit
des Materials beschränkt,
aus welchem die Turbinenlaufschaufeln (manchmal hierin als Schaufeln
bezeichnet) hergestellt sind, den thermischen Beanspruchungen zu
widerstehen, welche sich bei derart hohen Betriebstemperaturen entwickeln.
Das Problem kann insbesondere in industriellen Gasturbinen wegen
der relativ großen
Abmessung der Turbinenschaufeln erheblich sein.
-
Hohle
konvektionsgekühlte
Turbinenschaufeln werden häufig
verwendet, um höhere
Betriebstemperaturen und einen gesteigerten Maschinenwirkungsgrad
ohne Risiko eines Schaufelausfalls zu ermöglichen. Derartige Schaufeln
haben im Wesentlichen interne Verbindungswege, welche Strömungskanäle bereitstellen,
um eine effiziente Kühlung
zu ermöglichen,
wobei alle Abschnitte der Schaufeln auf relativ gleichmäßigen Temperaturen
gehalten werden können.
-
Wärmebarrierenbeschichtungen
auf den Gasturbinenschaufeln schützen
das Schaufelbasismaterial vor sehr hohen Temperatu ren, die die Schaufeln
aufgrund des Hochtemperaturexpansionsgases in dem Heißgaspfad
der Turbine erfahren. Die Schaufeln erfahren verschiedene Ausfälle, wie
z. B. Abplatzrisse der Wärmebarrierenbeschichtung
auf den Vorder- und Hinterkanten der Turbinenschaufel und Plattformrissbildung
aufgrund der rauen Umgebung in dem Heißgaspfad der Turbine. Weitere
unerwünschte
Schaufelausfälle
können
ohne Einschränkung
Kühlkanalblockierungen
umfassen. Diese Ausfallmodi haben das Potential, eine ungeplante
Wartung zu verursachen, wenn sie zu einem katastrophalen Ausfall,
wie z. B. einem Schaufelbruch führen.
Sie können
auch einen erheblichen Schaden aufgrund des Verlustes von ausgefallenen
Teilen bewirken, die nicht mehr reparierbar sind. Der sekundäre Schaden, und
der Ertragsverlust aufgrund des Leistungsverlustes der Anlage können für die Energieversorgungsanlagenbetreiber
erheblich sein.
-
Angesichts
des Vorstehenden wäre
es sowohl vorteilhaft als auch gewinnbringend, ein System und ein
Verfahren zum Implementieren einer zuverlässigen Echtzeit-Erkennung von
Schaufelproblemen von Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken bereitzustellen.
-
KURZBESCHREIBUNG
-
Kurz
zusammengefasst ist gemäß einer
Ausführungsform
ein Gasturbinen- oder Flugzeugtriebwerksschaufel-Ausfallmodus-Erkennungssystem
dafür konfiguriert, Änderungen
zwischen gemessenen relativen oder absoluten Schaufeltemperaturen
und Bezugslinientemperaturen zu erkennen.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform weist
ein Gasturbinen- oder Flugzeugtriebwerksschaufel-Ausfallmodus-Erkennungssystem
auf:
ein erstes Pyrometer und wenigstens eine Einsatzort-Überwachungseinrichtung,
die zusammen dafür konfiguriert
sind, Gasturbinen- oder Flugzeugtriebwerks-Betriebsparameter zu
erzeugen;
ein erstes Modell-basierendes Filter, das dafür konfiguriert
ist, Variationen in Pyrometersignalen auf der Basis von Variationen
in den Betriebsparametern zu reduzieren und ein erstes korrigiertes
Pyrometersignal daraus zu erzeugen;
einen ersten Physik-basierenden
Signalprozessor, der dafür
konfiguriert ist, eine normierte Gasturbinen- oder Flugzeugtriebwerksschaufel-Temperatursignatur
als Antwort auf das korrigierte Pyrometersignal zu erzeugen;
eine
Schaufelausfallmodus-Signaturdatenbank; und
einen ersten Komparator,
der dafür
konfiguriert ist, die normierte Gasturbinen- oder Flugzeugtriebwerksschaufel-Temperatursignatur
mit Schaufelausfallmodus-Signaturdaten in der Datenbank zu vergleichen, um
einen einer ausgefallen Schaufel zugeordneten Ausfallmodus zu identifizieren.
-
Gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform
weist ein Verfahren zum Erkennen des Schaufelausfallmodus von Gasturbinen
oder Flugzeugtriebwerken die Schritte auf:
Überwachen der Betriebsparamenter
von Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken in Echtzeit mittels eines
Pyrometers und wenigstens einer Einsatzort-Überwachungseinrichtung;
Filtern
von Pyrometersignalen auf der Basis von Variationen in den Betriebsparametern
und Erzeugen eines korrigierten Pyrometersignals daraus;
Erzeugen
einer normierten Gasturbinen- oder Flugzeugtriebwerksschaufel-Temperatursignatur
in Antwort auf das korrigierte Pyrometersignal; und
Offline-Erzeugen
einer Schaufelausfallmodus-Signaturdatenbank; und
Vergleichen
der normierten Gasturbinen- oder Flugzeugtriebwerksschaufel-Temperatursignatur
mit Schaufelausfallmodus-Signaturdaten in der Datenbank, um einen
einer ausgefallenen Schaufel zugeordneten Ausfallmodus zu identifizieren.
-
ZEICHNUNGEN
-
Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser verständlich,
wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen
gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch
die Zeichnungen bezeichnen, in welchen:
-
1 eine
ein Verfahren und System zum Erkennen von Schaufelproblemen von
Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken in Echtzeit gemäß einer Ausführungsform
veranschaulichende Übersicht
ist;
-
2 eine
bildliche Darstellung ist, die ein System und Verfahren zum Erkennen
von Schaufelproblemen von Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung veranschaulicht;
-
3 eine
graphische Darstellung ist, die eine große Variation in den Betriebsrohdaten
darstellt, die im Wesentlichen einem Betriebspyrometersignal von
Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken in Echtzeit zugeordnet sind;
-
4 eine
graphische Darstellung ist, welche die in 3 dargestellten
Rohdaten veranschaulich, die durch das in 1 veranschaulichte Überwachungssystem
korrigiert worden sind; und
-
5 eine
graphische Darstellung ist, die mehreren Schaufeln zugeordnete Pyrometermesswerte
von Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken veranschaulicht, die in
Echtzeit durch das in 1 veranschaulichte Überwachungssystem
erzeugt werden.
-
Obwohl
die vorstehend angegebenen Zeichnungsfiguren alternative Ausführungsformen
darstellen, werden auch weitere Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung wie in der Diskussion angemerkt in Betracht gezogen. In
allen Fällen
präsentiert diese
Offenbarung veranschaulichte Ausführungsformen der Erfindung
nur im Rahmen einer Darstellung und nicht einer Einschränkung. Zahlreiche
weitere Modifikationen und Ausführungsformen
können
von dem Fachmann auf diesem Gebiet erdacht werden, welche in den
Schutzumfang und Erfindungsgedanken der Prinzipien dieser Erfindung
fallen.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
1 ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren und System 10 zum
Erkennen von Schaufelproblemen von Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken
in Echtzeit gemäß einer
Ausführungsform
darstellt. Das System 10 stellt Mittel zur Echtzeit-Erkennung
von Schaufelproblemen von Gasturbinen und Fugzeugtriebwerken bereit,
welche ohne Einschränkung Wärmebarrierenbeschichtungsabplatzen,
Risse und Kühlkanalblockierungen
in Schaufeln von Gasturbinen und Fugzeugtriebwerken umfassen, während sich
die Turbine oder das Flugzeugtriebwerk in Betrieb befindet, indem
Gasturbinen- oder Flugzeugtriebwerks-Betriebsdaten und Daten eines
optischen Pyrometers verwendet werden.
-
Gemäß einem
Aspekt verwendet das System 10 wenigstens ein optisches
Pyrometer 12, um die Daten des optischen Pyrometers zu
erzeugen. Ein Überwachungssystem
auf der Basis Daten des optischen Pyrometers ist jedoch aufgrund
der Notwendigkeit einer Kenntnis des absoluten Temperaturwertes
der Schaufel schwierig zu entwickeln. Das von dem optischen Pyrometer 12 erfasste
Signal kann schwierig zu einer absoluten Temperatur beispielsweise
aufgrund von Emissivitätsvariationen und/oder
Blockierungen in den optischen Pfaden in Bezug gesetzt werden.
-
Die
vorgenannten Schwierigkeiten werden durch das System 10 zum
Erkennen von Schaufelproblemen von Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken
in Echtzeit behoben. Das System 10 verwendet relative Temperaturänderungen,
um die gewünschte Diagnose
zu implementieren. Eine Bezugslinie von Schaufeln im neuen Zustand
wird erzeugt und in Echtzeit mit neueren Pyrometermesswerten verglichen,
um Abweichungen zu identifizieren, die Schaufelausfälle anzeigen
könnten.
-
Das
System 10 löst
zwei Probleme, die mit dem Relativtemperatur-Lösungsansatz entstehen. Die
zwei Probleme, die gelöst
werden, umfassen: 1) die Schwierigkeit einer Identifizierung einer
anomalen Abweichung bei Vorliegen von signifikanten Variationen
in Bezugslinienmesswerten normaler Schaufeln aufgrund von Betriebsbedingungen
wie z. B. Umgebungstemperaturen, Belastungen, usw., und 2) die Schwierigkeit
der Erstellung einer Bibliothek von Signaturen für ausgefallene Schaufeln, die
verwendet werden können,
um bekannte Signaturwerte spezifischen Ausfallmodi zuzuordnen.
-
Die
vorgenannte zwei Probleme werden durch das System 10 gelöst, das
einen Prozess zur Verringerung von Variationen in den Pyrometermesswerten
bei Vorliegen von Variationen in den Betriebsbedingungen unter Verwendung
eines Physik-basierenden Signalprozessors 18 bereitstellt,
um Signaturen für
ausgefallene Schaufeln zu erzeugen. Das System 10 wird
nun nachstehend detaillierter unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
-
Gemäß nochmaligem
Blick auf 1 enthält das System 10 zum
Erkennen von Schaufelproblemen von Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken
in Echtzeit wenigstens ein Pyrometer 12, das in Echtzeit
zur Überwachung
und Erzeugung von Pyrometer-Temperatursignalen arbeitet. Wenigstens
eine Einsatzort-Überwachungseinrichtung 14 wird
ebenfalls von dem System 10 verwendet. Diese wenigstens
eine Einsatzort-Überwachungseinrichtung 14 arbeitet
in einem Aspekt so, dass sie zusätzliche Temperaturdaten,
Druckdaten, Last-, Verbrennungsdynamik-Daten und weitere gewünschte Betriebsparameter überwacht
und erzeugt.
-
Die
vorgenannten Pyrometer-Temperaturdaten und die Daten der Einsatzort-Überwachungseinrichtung
werden zusammen über
ein Filter 16 verarbeitet, in welchem Modell-basierende
Korrekturen an den Pyrometerdaten vorgenommen werden und die Variationen
in dem Pyrometersignal aufgrund von Betriebsbedingungsvariationen
reduzieren. Die vorliegenden Erfinder fanden heraus, dass dieser
Lösungsansatz
Variationen in Schaufelsignaturen um etwa 70% bis 80% verringert,
wenn die Standardabweichung als ein Maß für die Variation verwendet wird.
Das Filter 16 erzeugt dann ein korrigiertes Pyrometer-Temperatursignal,
das als eine Grenzbedingung für
einen Signalprozessor verwendet wird, der als ein Physik-basierendes
Normierungsmodell 18 arbeitet.
-
Das
Physik-basierende Normierungsmodell 18 führt dann
unter Verwendung der korrigierten Pyrometer-Temperatursignatur als
Grenzbedingung eine Extrapolation durch, um zu der(n) erforderlichen Gesamtschaufeltemperatur(en)
zu gelangen.
-
Eine
Datenbank von Schaufelausfallmodus-Signaturen wird unabhängig offline
unter Verwendung eines entsprechenden Filters 28 und eines entsprechenden
Physik-basierenden Normierungsmodells 30 erzeugt. Das Filter 28 erzeugt
Modell-basierende Korrekturen an den Pyrometerdaten 24 und reduziert
die Variationen in dem zugeordneten Pyrometersignal aufgrund induzierter
Betriebsbedingungsvariationen. Das Filter 28 erzeugt dann
eine korrigierte Pyrometer-Temperatursignatur, die als eine Grenzbedingung
für einen
Signalprozessor verwendet wird, der als Physik-basierendes Normierungsmodell 30 arbeitet,
um Gesamtschaufeltemperaturprofile zu erzeugen. Sobald die Gesamtschaufeltemperaturen
bestimmt sind, wird die von optischen Pyrometer gesehene Pyrometersignatur
aus dem Physik-basierenden Modell 30 extrahiert und in einer
Bibliothek normaler und anormaler ausgefallene Schaufeln repräsentierender
Signaturen 32 gespeichert.
-
Die
Bibliothek normaler und anormaler ausgefallene Schaufeln repräsentierender
Signaturen 32 wird dann mittels eines Komparators 22 mit
den in Echtzeit mittels des Physik-basierenden Normierungsmodells 18 bestimmten
Schaufelsignaturen verglichen. Die Echtzeitsignatur, die am besten
mit einer der in der Bibliothek (Datenbank) gespeicherten Signaturen 32 von
ausgefallenen Schaufeln übereinstimmt,
wird dann als diesen Ausfallmodus habend identifiziert.
-
Die
Bibliothek (Datenbank) normaler und anormaler ausgefallene Schaufeln
repräsentierender Signaturen
kann weiter unter Verwendung von Daten verfeinert werden, welche
aus Offli ne-Validierungstechniken unter Verwendung von Felddaten
gewonnen werden, die während
einer individuellen Schaufelinspektion bzw. Inspektionen erfasst
werden. Diese Felddaten können
dazu genutzt werden, Vorhersagen aus dem System 10 zu validieren
und deren Aussagekraft zu verbessern.
-
Zusammengefasst
bietet ein Verfahren und System 10 zum Erkennen von Schaufelproblemen von
Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken in Echtzeit genauere Vorhersagemöglichkeiten
als bekannte Techniken aufgrund des Einschlusses Physik-basierender
Korrektur- und Temperaturmodellierungsverfahren für die Heißgaspfad-Teilelebensdauer.
Das System 10 verwendet Pyrometerdaten und Betriebsdaten,
um Physik-basierende Korrekturen der Pyrometerdaten und Physik-basierende
Schaufeltemperaturschätzwerte
und Ausfallsignaturen zu erzeugen.
-
Der
Fachmann auf dem Gebiet von Flugzeugtriebwerken wird sofort erkennen,
dass die hierin beschriebenen Verfahren leicht sowohl auf Gasturbinen
als auch Flugzeugtriebwerke neben anderen Anwendungen angewendet
werden können.
-
In 2 veranschaulicht
eine vereinfachte bildliche Darstellung ein Verfahren und ein System 100 zum
Erkennen von Schaufelproblemen von Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken
gemäß einem weiteren
Aspekt der Erfindung. Echtzeitdaten 102 einschließlich, ohne
Einschränkung,
Pyrometerdaten, Einsatzort-Überwachungseinrichtungsdaten
und Verbrennungsdynamikdaten in Verbindung mit induzierten Ausfallmodi
werden wie im Block 104 dargestellt überwacht und wie im Block 106 dargestellt
verarbeitet, um eine Datenbank von Schaufelausfall- oder anderen
Arten von Ausfallmodus-Signaturen unabhängig offline in Halbechtzeit
gemäß Darstellung
im Block 106 zu erzeugen.
-
Das
System 100 arbeitet dann in Echtzeit, um Schaufelausfall-
oder andere Arten von Ausfallmodi einschließlich, ohne Einschränkung, Wärmebarrierenbeschichtungsabplatzen,
VK-Rissbildung, HK-Rissbildung, Plattform-Rissbildung und Kühlkanalblockierung
gemäß Darstellung
im Block 108 zu überwachen.
Den verschiedenen Ausfallmodi zugeordnete Ausfallsignaturen werden
wie im Block 110 dargestellt, erzeugt. Den verschiedenen
Ausfallmodi entsprechende Ausfallsignaturen werden wie im Block 110 dargestellt
erzeugt.
-
Die
in Echtzeit erzeugten Ausfallmodussignaturen werden dann mit der
Datenbank von Schaufelausfallmodussignaturen oder anderen Arten
von Ausfallmodussignaturen, die unabhängig offline in Halbechtzeit
ermittelt wurden, verglichen, um die Echtzeitsignatur zu bestimmen,
die am besten mit einer von den Schaufelausfallsignaturen oder andere Arten
von Ausfallsignaturen übereinstimmt,
die in der Datenbank gespeichert sind, um diesen Ausfallmodus wie
es im Block 112 dargestellt, korrekt zu identifizieren.
-
Aus
Offline-Validierungstechniken erhaltene Daten, wie z. B. während einer
individuellen Schaufelinspektion bzw. während Schaufelinspektionen
erfasste Feldservicedaten und/oder Inspektionsberichte, können zur
Validierung von Vorhersagen aus dem System 100 verwendet
werden und dessen Aussagekraft gemäß Darstellung im Block 114 verbessern.
-
3 ist
eine graphische Darstellung, die die große Variation in Rohbetriebsdaten
in Verbindung mit einem in Echtzeit erzeugten Gasturbinenbetriebsparameter-Pyrometersignal
darstellt. Die graphische Darstellung zeigt, dass ein spezieller
Ausfallmodus schwierig unter Verwendung der Rohdaten zu identifizieren
ist, da die Variation groß ist.
-
4 ist
eine graphische Darstellung der in 3 dargestellten
Rohdaten, die durch das vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschriebene Überwachungssystem
korrigiert worden sind. Die graphische Darstellung zeigt, dass spezielle
Ausfallmodi wesentlich einfacher unter Verwendung der korrigierten
Rohdaten zu identifizieren sind, die nun eine erheblich verringerte
Variation in den Pyrometerdaten haben.
-
5 ist
eine graphische Darstellung, welche mehreren Schaufeln zugeordnete
in Echtzeit durch das Überwachungssystem 10 erzeugte
Gasturbinen-Pyrometermesswerte darstellt. Der Bereich von den Schaufeln
zugeordneten Werten, der durch das Überwachungssystem 10 erzeugt
wird, ist sehr klein, während
das Vertrauensintervall in Verbindung mit der Variation in den Pyrometerdaten
hoch ist, etwa 95%, was die Fähigkeiten
des Systems zeigt, ein Schaufelausfallmodus-Erkennungssystem für Gasturbinen
oder Flugzeugtriebwerke bereitzustellen, das dafür konfiguriert ist, Änderungen
zwischen gemessenen relativen oder absoluten Schaufeltemperaturen
und Bezugslinientemperaturen zu identifizieren.
-
Der
Fachmann auf dem Gebiet von Flugzeugtriebwerken wird erkennen, dass
die hierin beschriebenen Prinzipien in gleicher Weise sowohl auf Gasturbinen
als auch Flugzeugtriebwerke angewendet werden können, und dass Pyrometer ebenso
zur Überwachung
von Flugzeugtriebswerksbetriebsdaten gemäß den hierin vorstehend beschriebenen Prinzipien
verwendet werden können.
-
Obwohl
nur einige Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben
wurden, scheinen dem Fachmann auf diesem Gebiet viele Modifikationen
und Änderungen
möglich.
Es dürfte
sich daher verstehen, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen
und Änderungen,
soweit sie in den tatsächlichen
Erfindungsgedanken der Erfindung fallen, abdecken sollen.
-
Es
werden ein Verfahren und System 10 implementiert, um Gasturbinenschaufelprobleme
in Echtzeit zu erkennen und genauere Vorhersagemöglichkeiten als bekannte Techniken
aufgrund der Einbeziehung Physik-basierender Korrektur- und Temperaturmodellierungsverfahren
für die
Heißgaspfadteile-Lebensdauer
bereitzustellen. Das System und Verfahren 10 verwenden
Pyrometerdaten 12, 24 und Betriebsdaten 14, 26,
um Physik-basierende Korrekturen 18, 30 von Pyrometerdaten
und Physik-basierende Schaufeltemperaturabschätzungen 20 und Ausfallsignaturen 32 zu
erzeugen.
-
- 10
- Verfahren/System
zum Erkennen System zum Erkennen von Gasturbinen/Flugzeugtriebwerks-Schaufelproblemen
- 12
- Optisches
Pyrometer
- 14
- Einsatzort-Überwachungseinrichtung
- 16
- Filter
- 18
- Physik-basierender
Signalprozessor
- 22
- Komparator
- 24
- Pyrometerdaten
- 28
- Filter
- 30
- Physik-basierendes
Normierungsmodell
- 32
- Bibliothek
normaler und anormaler Signaturen
- 100
- Verfahren/System
zum Erkennen System zum Erkennen von Gasturbinen/Flugzeugtriebwerks-Schaufelproblemen
- 102
- Echtzeitdaten
- 104
- Datenmonitor
- 106
- Datenprozessor
- 108
- Ausfallmodusdaten
- 110
- Ausfallsignaturdaten
- 112
- Ausfallsignaturdatenbank
- 114
- Feldservicedaten/Inspektionsberichte