DE102009036624A1

DE102009036624A1 - Beschaufelung einer Turbinenstufe einer Turbine sowie Turbine

Info

Publication number: DE102009036624A1
Application number: DE200910036624
Authority: DE
Inventors: Christoph Ebert; Detlef Dr. Haje; Werner Prof. Hufenbach; Albert Dr. Langkamp; Markus Mantei
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2011-02-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschaufelung einer Turbinenstufe einer Turbine, insbesondere einer Dampfturbine, aufweisend eine Laufbeschaufelung mit einer Vielzahl von Laufschaufeln und eine Leitbeschaufelung mit einer Vielzahl von Leitschaufeln, wobei in einer oder mehreren Laufschaufel(n) der Laufbeschaufelung zumindest ein Sensorelement zur Feststellung des Zustandes der Laufschaufeln vorgesehen ist, bei der in der Laufbeschaufelung wenigstens ein Senderelement vorgesehen ist, welches zur Datenübertragung mit dem zumindest einen Sensorelement verbunden ist, und dass in einem feststehenden Bauteil der Turbine, insbesondere der Leitbeschaufelung, wenigstens ein Empfängerelement vorgesehen ist, wobei das wenigstens eine Senderelement und das wenigstens eine Empfängerelement zur induktiven Datenübertragung der von dem zumindest einen Sensorelement erfassten Daten ausgebildet sind. Ferner betrifft die Erfindung eine Turbine, insbesondere Dampfturbine, aufweisend eine oder mehrere Turbinenstufen, wobei jede Turbinenstufe eine derartige Beschaufelung mit einer Laufbeschaufelung und einer Leitbeschaufelung aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschaufelung einer Turbinenstufe einer Turbine, insbesondere einer Dampfturbine, aufweisend eine Laufbeschaufelung mit einer Vielzahl von Laufschaufeln und eine Leitbeschaufelung mit einer Vielzahl von Leitschaufeln, wobei in einer oder mehreren Laufschaufel(n) der Laufbeschaufelung zumindest ein Sensorelement zur Feststellung des Zustandes der Laufschaufeln vorgesehen ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, aufweisend eine oder mehrere Turbinenstufen, wobei jede Turbinenstufe eine Beschaufelung mit einer Laufbeschaufelung und einer Leitbeschaufelung aufweist.
Um beispielsweise die Leistung und den Wirkungsgrad zukünftiger Dampfturbinen zu steigern, wird angestrebt, die Durchströmfläche insbesondere der letzten Turbinenstufe beziehungsweise die Drehzahl der Turbine zu vergrößern. Herkömmliche Schaufelwerkstoffe, wie Stahl oder Titan, stoßen hier bereits an ihre physikalischen Grenzen, so dass derzeit der Einsatz von Faserverbundstoffen mit hohen spezifischen, insbesondere gewichtsbezogenen, Festigkeiten für die Turbinenstufen, insbesondere die hinteren, kühleren Turbinenstufen in Erwägung gezogen wird. Die größte Herausforderung ist dabei die zuverlässige Erosionsfestigkeit des neuen Werkstoffes. Dazu ist es nötig den Zustand, insbesondere den Erosionsfortschritt, der Beschaufelung zu überwachen, um frühzeitig eingreifen zu können, z. B. durch Ersatz oder Reparatur der Schaufeln der Beschaufelung. Neben dem Erosionsfortschritt können auch Schaufelschwingungen oder sonstige Beschädigungen durch Sensoren überwacht bzw. festgestellt und aus der Beschaufelung übertragen werden. Es ist erforderlich, dass die Datenübertragung vom rotierenden System, d. h. von der Laufbeschaufelung, in das stehende System, d. h. in die Leitbeschaufelung, zuverlässig ist und es dadurch zu keinem Wirkungsgradverlust kommt.
Bekannt bei Turbinen, insbesondere bei Dampfturbinen, ist, dass eine Datenübertragung von Sensordaten aus der Laufbeschaufelung zu der Leitbeschaufelung über Schleifringe oder Telemetriesysteme erfolgt. Das Anbringen von Schleifringen oder Telemetriesystemen an der Welle ist aber aufgrund des geringen Bauraums und der extremen Umgebungsbedingungen häufig schwierig. Des Weiteren ist die Zugänglichkeit des Schleifrings beziehungsweise des Telemetriesystems für den Stator sehr eingeschränkt. Schleifringe unterliegen ferner mechanischem Verschleiß und müssen regelmäßig gewartet werden. Die Zugänglichkeit ist allerdings nur bei Stillstand der Maschine und nach Öffnen, was mit erheblichem Aufwand verbunden ist, möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Beschaufelung einer Turbinenstufe einer Turbine, insbesondere einer Dampfturbine, bereitzustellen, die auf eine einfache und platzsparende Art und Weise eine Datenübertragung von in der Laufbeschaufelung ermittelten Sensordaten zu feststehenden Bauteilen der Turbine, insbesondere zu der Leitbeschaufelung einer Turbinenstufe, ermöglicht. Ferner soll eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, mit einer oder mehreren Turbinenstufen, wobei jede Turbinenstufe eine Beschaufelung mit einer Laufbeschaufelung und einer Leitbeschaufelung aufweist, geschaffen werden, die eine einfache und zuverlässige Überwachung der Funktionsfähigkeit der Laufbeschaufelung einer, mehrerer oder jeder Turbinenstufe ermöglicht.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Beschaufelung einer Turbinenstufe einer Turbine, insbesondere einer Dampfturbine, mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie durch eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 11 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Beschaufelung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Turbine, und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden kann.
Die Aufgaben werden bei einer Beschaufelung einer Turbinenstufe einer Turbine, insbesondere einer Dampfturbine, der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass in der Laufbeschaufelung wenigstens ein Senderelement vorgesehen ist, welches zur Datenübertragung mit dem zumindest einen Sensorelement verbunden ist, und dass in einem feststehenden Bauteil der Turbine, insbesondere der Leitbeschaufelung, wenigstens ein Empfängerelement vorgesehen ist, wobei das wenigstens eine Senderelement und das wenigstens eine Empfängerelement zur induktiven Datenübertragung der von dem zumindest einen Sensorelement erfassten Daten ausgebildet sind.
Eine derartige Beschaufelung einer Turbinenstufe einer Turbine, insbesondere einer Dampfturbine, ermöglicht auf eine kostengünstige, einfache und platzsparende Art und Weise eine Datenübertragung von in der Laufbeschaufelung ermittelten Sensordaten zu einem feststehenden Bauteil der Turbine, insbesondere der Leitbeschaufelung. Als feststehendes Bauteil kann neben der Leitbeschaufelung beispielsweise der die Leitbeschaufelung umgebende Leitschaufelträger, das die Beschaufelung umgebende Innengehäuse der Turbine oder das Turbinengehäuse dienen.
In der Laufbeschaufelung, d. h. in den Laufschaufeln, einer Turbinenstufe ist wenigstens ein Senderelement vorgesehen. Dieses wenigstens eine Senderelement ist mit dem zumindest einen Sensorelement, das in einer oder mehreren Laufschaufel(n) der Laufbeschaufelung angeordnet ist, derart verbunden, dass die von dem Sensorelement ermittelten Daten bzgl. des Zustandes der Laufschaufel(n) von dem Sensorelement zu dem Senderelement übertragen werden können. Vorzugsweise ist das Sensorelement über eine elektrische oder optische Leitung mit dem Senderelement verbunden. Vorteilhafterweise sind das Sensorelement und das Senderelement in ein und derselben Laufschaufel der Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe angeordnet. In einem feststehenden Bauteil der Turbine, insbesondere in der Leitbeschaufelung, d. h. in den Leitschaufeln, derselben Turbinenstufe ist ferner wenigstens ein Empfängerelement vorgesehen. Bevorzugt ist das feststehende Bauteil der Turbine ein Teil der Turbinenstufe, zu der die Laufbeschaufelung gehört.
Im Weiteren ist vornehmlich von einem Empfängerelement in der Leitbeschaufelung die Rede. Selbstverständlich gelten die vorherigen und nachfolgenden Ausführungen gleichermaßen für ein Empfängerelement in einem feststehenden Bauteil der Turbine, insbesondere einem feststehenden Bauteil der Turbinenstufe der Laufbeschaufelung.
Das wenigstens eine Senderelement und das wenigstens eine Empfängerelement einer Turbinenstufe sind dabei zur induktiven Datenübertragung ausgebildet. D. h., die von dem zumindest einen Sensorelement erfassten Daten können induktiv von dem wenigstens einen Senderelement der Laufbeschaufelung zu dem wenigstens einen Empfängerelement der Leitbeschaufelung der Turbinenstufe übertragen werden. Die erfassten Daten des Sensorelementes werden mit Hilfe der elektromagnetischen Induktion von dem Senderelement kontaktlos zu dem Empfängerelement übertragen.
Da die induktive Verbindung zwischen dem Senderelement und dem Empfängerelement kontaktlos ist, kann im Bereich der Schnittstelle zwischen dem Senderelement und dem Empfängerelement kein Verschleiß infolge von Reibung oder eine Beeinträchtigung der Übertragung durch eine Verschmutzung auftreten. Dadurch, dass das Senderelement und das Empfängerelement in der Laufbeschaufelung bzw. der Leitbeschaufelung bzw. einem anderen feststehenden Bauteil der Turbine vorgesehen sind, sind diese hermetisch eingeschlossen. Sie sind dadurch optimal gegen umgebende Flüssigkeiten oder Gase, insbesondere Heißdampf, geschützt.
Die Datenübertragung kann von dem Senderelement zu dem Empfängerelement, aber auch bidirektional, d. h. in beide Richtungen, erfolgen. So kann vorgesehen sein, dass Daten oder Signale auch von einem Empfängerelement zu einem Senderelement übertragen werden.
Vorteilhafterweise sind die ein oder mehreren Senderelemente an der der Leitbeschaufelung zugewandten Seite der Laufbeschaufelung bzw. der Laufschaufeln angeordnet. Gleichzeitig ist es vorteilhaft, wenn die ein oder mehreren Empfängerelemente an der der Laufbeschaufelung zugewandten Seite der Leitbeschaufelung bzw. der Leitschaufeln angeordnet sind. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Daten über eine möglichst geringe Entfernung kontaktlos übertragen werden können. Sind die ein oder mehreren Empfängerelemente in einem anderen feststehenden Bauteil der Turbine vorgesehen, ist auch hier vorteilhaft, dass die ein oder mehreren Empfängerelemente derart in dem feststehenden Bauteil und die ein oder mehreren Senderelemente derart in der Laufbeschaufelung angeordnet sind, dass die Distanz zwischen dem zumindest einen Senderelement und dem zumindest einem Empfängerelement möglichst gering ist.
Gemäß einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung kann bei der Beschaufelung vorgesehen sein, dass wenigstens ein Senderelement und wenigstens ein Empfängerelement zur induktiven Energieübertragung ausgebildet sind. Ist nur ein Senderelement in der gesamten Laufbeschaufelung und nur ein Empfängerelement in dem feststehenden Bauteil der Turbine, insbesondere in der gesamten Leitbeschaufelung der Turbinenstufe, vorgesehen, sind diese vorteilhafterweise sowohl zur induktiven Datenübertragung, als auch zur induktiven Energieübertragung ausgebildet. Sind mehrere Senderelemente und mehrere Empfängerelemente vorgesehen, sind zumindest ein Senderelement und ein Empfängerelement zur induktiven Energieübertragung ausgebildet. Die Senderelemente können untereinander durch elektrische Leitungen miteinander verbunden sein. Gleiches gilt für die Empfängerelemente. Auch diese können durch elektrische Leitungen miteinander verbunden sein. Durch die induktive Energieübertragung kann elektrische Energie von wenigen mW bis zu einigen kW übertragen werden. Hierdurch können die elektrischen Schaltkreise der Sensorelemente und der Senderelemente mit Energie versorgt werden.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn jeweils ein Senderelement mit einem Empfängerelement ein Paar bildet. Diese können aufeinander abgestimmt werden, so dass ein Empfängerelement nur die Signale eines bestimmten Senderelementes empfangen kann. Hierdurch kann der Zustand für jede Laufschaufel gesondert festgestellt werden.
Durch die kontaktlose induktive Energieübertragung kann das wenigstens eine Senderelement und das zumindest eine Sensorelement in der Laufbeschaufelung mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Energiezuführung verbessern sich, beispielsweise im Vergleich zu Schleifringen, deutlich, da keine mechanischen Kontakte notwendig sind. D. h., die Vermeidung von Kontaktübergangswiderständen und von Funkenbildungen ist vorteilhaft.
Die kontaktlose Daten- und Energieübertragung basiert auf einer transformatorischen Magnetanordnung, allerdings ohne dass ein geschlossener Eisenkern vorhanden ist. Sowohl das wenigstens eine Senderelement, als auch das wenigstens eine Empfängerelement weisen jeweils eine Spule auf, die durch einen Luftspalt, d. h. durch den Spalt zwischen den Laufschaufeln und dem feststehenden Bauteil der Turbine, insbesondere den Leitschaufeln, getrennt sind. Es ist denkbar, dass Spulensysteme mit oder ohne Ferritkern zum Einsatz kommen. Bei der induktiven Daten- bzw. Energieübertragung macht man sich die Bewegung der Laufschaufeln bzw. der Spule in dem wenigstens einen Senderelement vorbei an den Leitschaufeln bzw. an der Spule des wenigstens einen Empfängerelementes in den Leitschaufeln zu nutze. Der Abstand zwischen dem wenigstens einen Senderelement und dem wenigstens einen Empfängerelement ist dabei bekannt. Bei einer Drehung der Laufbeschaufelung werden die Spulen der ein oder mehreren Senderelemente durch das Magnetfeld der Spulen der ein oder mehreren Empfängerelemente bewegt.
Die von dem zumindest einen Sensorelement ermittelten Sensordaten zur Feststellung des Zustandes der Laufschaufeln werden bei dem Vorbeibewegen eines Senderelementes an dem entsprechenden Empfängerelement zu diesem übertragen.
Das zumindest eine Sensorelement zur Feststellung des Zustandes einer Laufschaufel kann verschiedene Messdaten ermitteln. So kann das zumindest eine Sensorelement den Erosionsfortschritt einer Laufschaufel während des Betriebes der Beschaufelung ermitteln. Das Sensorelement ist in der Laufschaufel bzw. in dem Laufschaufelwerkstoff integriert. D. h., das Sensorelement wird beim Herstellungsvorgang direkt in den Werkstoff einer Laufschaufel implementiert, so dass dieses allseitig durch den Werkstoff umgeben ist. Dies kann beispielsweise durch ein Gießverfahren erfolgen. Hierbei wird das Sensorelement in der Gießform platziert und von dem einfließenden Laufschaufelwerkstoff vollständig umgeben. Selbstverständlich können auch mehrere Sensorelemente in einer Laufschaufel integriert sein.
Aus den durch das Sensorelement gewonnenen Messwerten können Rückschlüsse auf den Erosionszustand oder die Schwingungen einer Laufschaufel gezogen werden.
Das wenigstens eine Sensorelement kann verschiedenartig ausgebildet sein und entsprechend können unterschiedliche Messgrößen erfasst werden.
Das Sensorelement kann beispielsweise zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Leiters des Sensorelementes ausgebildet sein. Als Sensorelement kann beispielsweise ein Dehnmessstreifen eingesetzt werden. Das Sensorelement kann auch leitende Drähte, wie Kupferdrähte, deren elektrische Widerstände sich bei geringer Verformung ändern, aufweisen. Ferner kann das Sensorelement zur Aussendung und zum Empfang von Schallwellen zur Bestimmung des Abstandes des Sensorelementes zur Oberfläche des Turbinenschaufelblattes ausgebildet sein. Alternativ kann das Sensorelement zur Bestimmung der Amplitude einer durch einen Tropfenschlag induzierten Stoßwelle ausgebildet sein. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Sensorelementes kann vorgesehen sein, dass dieses zur Bestimmung der aus der Zentrifugallast resultierenden Kraft und deren Richtung ausgebildet ist. Alternativ kann das Sensorelement auch einen Aktor und einen Sensor zur Bestimmung der Amplituden und der Frequenzen lokaler Schwingungsmodi bzw. ausgesendeter Schallwellen zwischen dem Aktor und dem Sensor aufweisen.
Ferner kann das Sensorelement zur Bestimmung der Eigenschwingungsfrequenzen einer Laufschaufel ausgebildet sein.
Das wenigstens eine Senderelement ist in der Laufbeschaufelung bzw. das wenigstens eine Empfängerelement ist bevorzugt in der Leitbeschaufelung einer Turbinenstufe vorgesehen. Dies bedeutet, dass das wenigstens eine Senderelement in dem Werkstoff der Laufbeschaufelung, insbesondere in dem Werkstoff der Laufschaufeln, und dass das wenigstens eine Empfängerelement in dem Werkstoff der Leitbeschaufelung, insbesondere in dem Werkstoff der Leitschaufeln, integriert sind. Das wenigstens eine Senderelement sowie das wenigstens eine Empfängerelement werden beim Herstellungsvorgang der Lauf- bzw. Leitbeschaufelung direkt in den Werkstoff der Laufschaufel(n) bzw. der Leitschaufel(n) implementiert, so dass dieses allseitig durch den entsprechenden Werkstoff umgeben ist. Dies kann, wie zuvor bereits erwähnt, beispielsweise durch ein Gießverfahren erfolgen. Alternativ kann das wenigstens eine Empfängerelement in dem Werkstoff eines anderen feststehenden Bauteils der Turbine, beispielsweise in einem Gehäuseteil der Turbine, integriert sein.
Bevorzugt sind das wenigstens eine Senderelement und das wenigstens eine Empfängerelement gleich weit beabstandet zu der Drehachse der Beschaufelung einer Turbinenstufe angeordnet. Hierdurch ist gewährleistet, dass das wenigstens eine Senderelement bei einer Drehung der Laufbeschaufelung an dem Empfängerelement in dem feststehenden Bauteil, insbesondere in der Leitbeschaufelung, vorbeigeführt wird. Der zu überbrückenden Abstand zwischen dem Senderelement und dem Empfängerelement wird dadurch so gering wie möglich gehalten.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung kann bei der Beschaufelung vorgesehen sein, dass die Laufbeschaufelung und die Leitbeschaufelung aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet sind. So kann der faserverstärkte Kunststoff der Laufbeschaufelung und der Leitbeschaufelung beispielsweise als ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff ausgebildet sein. Bei einem derartigen Werkstoff sind in den Kunststoff Kohlenstofffasern als Verstärkung eingebettet. Ferner kann der Werkstoff der Laufbeschaufelung und der Leitbeschaufelung als ein keramischer Faserverbundwerkstoff ausgebildet sein. Ein Faserverbundwerkstoff besteht aus Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix, wobei die Kunststoffmatrix die Fasern umgibt. Diese sind durch Adhäsiv- oder Kohäsivkräfte an die Kunststoffmatrix gebunden. Durch die Verwendung von Fasern weisen Verbundwerkstoffe ein richtungsunabhängiges Elastizitätsverhalten auf. Derartige Faserverbundwerkstoffe weisen hohe Steifigkeiten und Festigkeiten auf und sind daher für den Einsatz als Laufschaufeln, auch bei hohen Drehzahlen, und Leitschaufeln geeignet. Durch das zumindest eine integrierte Sensorelement kann die Haltbarkeit bzw. der Erosionsfortschritt einer Beschaufelung während des Betriebes in einer Turbine, insbesondere in einer Dampfturbine, einfach und sicher bestimmt werden.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Laufbeschaufelung aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist. Eine Laufbeschaufelung aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff ist besonders steif, fest und widerstandsfähig.
Da die Laufschaufel, insbesondere aufgrund ihrer Drehung, deutlich höheren Beanspruchungen ausgesetzt ist als die Leitbeschaufelung, ist ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff als Werkstoff der Laufbeschaufelung besonders geeignet.
Ferner ist bevorzugt, dass die Leitbeschaufelung aus glasfaserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist. Glasfaserverstärkter Kunststoff ist kostengünstiger, aber auch nicht so widerstandsfähig wie kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff. Da die Leitbeschaufelung beim Betrieb einer Turbine, insbesondere in einer Dampfturbine, geringeren Beanspruchungen als die stromaufwärts angeordnete Laufbeschaufelung ausgesetzt ist, kann die Leitbeschaufelung vorteilhafterweise aus dem kostengünstigeren glasfaserverstärkten Kunststoff ausgebildet sein.
Ferner kann gemäß einer weiteren zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung bei der Beschaufelung vorgesehen sein, dass ein Senderelement, das zur induktiven Energieübertragung ausgebildet ist, und ein Senderelement, das zur induktiven Datenübertragung ausgebildet ist, über einen elektrischen Leiter miteinander verbunden sind. D. h., die Energieversorgung eines elektrischen Schaltkreises in der Laufschaufel und die Datenübertragung können an verschiedenen Schaufelpaaren appliziert werden. Die ”Sender”-Laufschaufel und die „Spannungsversorgungs”-Laufschaufel sind dann über elektrische Leiter verbunden. Die elektrischen Leiter verlaufen dabei in der Laufbeschaufelung, d. h. insbesondere in dem kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff der Laufbeschaufelung.
Zusätzlich kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei der Beschaufelung vorgesehen sein, dass ein Empfängerelement, das zur induktiven Energieübertragung ausgebildet ist, und ein Empfängerelement, das zur induktiven Datenübertragung ausgebildet ist, über einen elektrischen Leiter miteinander verbunden sind. Hierdurch kann die „Empfänger”-Leitschaufel, die ggf. auch Daten senden kann, durch die „Energieübertragungs”-Leitschaufel mit elektrischer Energie versorgt werden.
Ferner kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei der Beschaufelung vorgesehen sein, dass die Sensorelemente und/oder die Senderelemente zur sequentiellen Datenübertragung ausgebildet sind. Bevorzugt sind ferner mehr Sensorelemente als Sendeelemente je Turbinenstufe vorgesehen.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung werden die Aufgaben bei einer Turbine, insbesondere bei einer Dampfturbine, der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Beschaufelung einer jeden Turbinenstufe wie zuvor beschrieben ausgebildet ist. D. h., eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, aufweisend eine oder mehrere Turbinenstufen, wobei jede Turbinenstufe eine Laufbeschaufelung mit einer Vielzahl von Laufschaufeln und eine Leitbeschaufelung mit einer Vielzahl von Leitschaufeln aufweist, wobei in einer oder mehreren Laufschaufel(n) der Laufbeschaufelung zumindest ein Sensorelement zur Feststellung des Zustandes der Laufschaufeln vorgesehen ist, und bei der in der Laufbeschaufelung wenigstens ein Senderelement vorgesehen ist, welches zur Datenübertragung mit dem zumindest einen Sensorelement verbunden ist, und in einem feststehenden Bauteil der Turbine, insbesondere in der Leitbeschaufelung, wenigstens ein Empfängerelement vorgesehen ist, und bei der das wenigstens eine Senderelement und das wenigstens eine Empfängerelement zur induktiven Datenübertragung der von dem zumindest einen Sensorelement erfassten Daten ausgebildet sind, ermöglicht eine einfache und zuverlässige Überwachung der Laufbeschaufelung einer jeden Turbinenstufe der Turbine.
Das eine oder die mehreren Sensorelement(e) in der Laufbeschaufelung überwachen den Zustand einer oder mehrerer Laufschaufel(n). Insbesondere überwacht ein Sensorelement den Erosionsfortschritt an einer Laufschaufel oder die Schwingung einer Laufschaufel. Das zumindest eine Sensorelement ist mit dem wenigstens einen Senderelement der Laufbeschaufelung, insbesondere über einen elektrischen Leiter, verbunden, so dass die ermittelten Sensordaten induktiv von dem wenigstens einen Senderelement zu wenigstens einem Empfängerelement, welches in einem feststehenden Bauteil der Turbine, insbesondere in der Leitbeschaufelung, angeordnet ist, übertragen werden können. D. h., die in dem drehenden System ermittelten Sensordaten werden kontaktlos auf das stehende System, beispielsweise die Leitbeschaufelung, übertragen. Da das stehende System, z. B. die Leitbeschaufelung, sich nicht dreht, können die empfangenen Sensordaten von dort leicht weiterverarbeitet bzw. weitergeleitet werden.
Eine derartige Turbine, insbesondere eine derartige Dampfturbine, ermöglicht auf eine einfache, saubere Art und Weise eine Überwachung der Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe während des Betriebes der Turbine. Insbesondere kann der Erosionsfortschritt an einer Laufschaufel oder die Schwingung einer Laufschaufel ermittelt werden. Hierdurch kann frühzeitig erkannt werden, dass eine oder mehrere Laufschaufeln beschädigt und somit nicht mehr funktionstüchtig sind. Die Überwachung ermöglicht, dass eine Laufschaufel bzw. eine Laufbeschaufelung frühzeitig repariert oder ersetzt werden kann.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung kann bei der Turbine, insbesondere der Dampfturbine, vorgesehen sein, dass ein oder mehrere Turbinenstufen Feststellungseinrichtungen zur Ermittlung des Druckes vor, in und/oder hinter einer Turbinenstufe, zur Messung der Temperaturen vor, in und/oder hinter einer Turbinenstufe sowie zur Ermittlung der Drehgeschwindigkeit der Laufschaufeln, insbesondere der Drehgeschwindigkeit des wenigstens einen Senderelementes, der Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe aufweist/aufweisen. Derartige Feststellungseinrichtungen können die Umgebungsbedingungen einer Turbinenstufe ermitteln. Die Kenntnis des Drucks, der Temperaturen und der Drehgeschwindigkeit ermöglicht es Rückschlüsse auf den Zustand der Beschaufelung der Turbinenstufe zu ziehen.
Gemäß einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung kann bei der Turbine, insbesondere der Dampfturbine, vorgesehen sein, dass eine Rechnereinheit der Turbine zugeordnet ist, die mit den Feststellungseinrichtungen einer Turbinenstufe verbunden ist und die aufgrund der Messergebnisse der Feststellungseinrichtungen einer Turbinenstufe sowie Signalen der Turbinensteuerung, wie beispielsweise der Drehzahl, die elektrische Leistung, Massenströmen, Enthalpiegefällen, Kondensatordrücken, Dampfzuständen an Dampfeinleitungs und – ausleitungsstellen der Turbine, Umgebungsbedingungen, einem vorgesehenen Lastpunktwechsel, dem Zustand der angetriebenen Maschine, vorgesehenen Betriebsartenwechseln, wie einem Turnbetrieb, einem Generatorsynchronisation, einem Schnellschluss, einem Lastaufbau oder einem Lastabbau, während des Betriebes der Turbine und anhand von charakteristischen Parametern der Lauf- und/oder Leitbeschaufelung einer Turbinenstufe die Veränderung des Abstandes des wenigstens einen Senderelementes der Laufbeschaufelung zu dem wenigstens einen Empfängerelement des stehenden Bauteils, insbesondere der Leitbeschaufelung, ermittelt, und dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die die von dem zumindest einen Sensorelement festgestellten Ergebnisse in Abhängigkeit der Veränderung des Abstandes des wenigstens einen Senderelementes der Laufbeschaufelung zu dem wenigstens einen Empfängerelement des stehenden Bauteils, insbesondere der Leitbeschaufelung, anpasst bzw. interpretiert.
Im Ruhezustand der Laufbeschaufelung ist der Abstand zwischen der Laufbeschaufelung und der Leitbeschaufelung einer Turbinenstufe bekannt. Durch die Kenntnis der Drücke, der Temperaturen, der Wärmekapazitäten des Werkstoffes der Laufbeschaufelung, bestimmter Zeitintegrale und/oder der Drehgeschwindigkeit der Laufbeschaufelung bzw. des Senderelementes in der Laufbeschaufelung ist es möglich die Änderung der Abstandes der Laufbeschaufelung zu der Leitbeschaufelung während des Betriebes festzustellen. D. h., beispielsweise kann durch die Messung der Drehzahl der Laufbeschaufelung und die Position des Senderelementes innerhalb der Laufbeschaufelung die Geschwindigkeit des Senderelementes bzw. der Spulen des Senderelementes, mit der diese durch das Magnetfeld der Spulen eines Empfängerelementes bewegt werden, ermittelt werden.
Die der Turbine zugeordnete Rechnereinheit erfasst während des Betriebes der Turbine die von den Feststellungseinrichtungen einer Turbinenstufe ermittelten Messergebnisse. Ferner erfasst die Rechnereinheit die von dem wenigstens einen Empfängerelement empfangenen Sensordaten des zumindest einen Sensorelementes der Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe. Die Messergebnisse der Feststellungseinrichtungen werden in der Rechnereinheit datentechnisch verarbeitet und die von dem wenigstens einen Empfängerelement zu der Rechnereinheit übertragenen Sensordaten des Sensorelementes werden entsprechend, insbesondere bei einer Änderung des Abstandes der Laufbeschaufelung zu der Leitbeschaufelung, angepasst bzw. interpretiert. Zur Anpassung bzw. Interpretation der von dem zumindest einen Sensorelement festgestellten Ergebnisse in Abhängigkeit der Veränderung des Abstandes des wenigstens einen Senderelementes der Laufbeschaufelung zu dem wenigstens einen Empfängerelement in dem stehenden Bauteil, insbesondere in der Leitbeschaufelung, ist der Turbine, insbesondere der Dampfturbine, eine Auswerteeinheit zugeordnet.
Eine derartige Turbine ermöglicht eine genaue Feststellung der Beschädigung an einer Laufschaufel während des Betriebes der Turbine. Beispielsweise bei einer Änderung des Abstandes der Laufbeschaufelung zu der Leitbeschaufelung verändert sich die Amplitude der Schwingungen mit der die Sensordaten von einem Senderelement zu einem Empfängerelement übertragen werden. Mit zunehmendem Abstand zwischen der Laufbeschaufelung und der Leitbeschaufelung wird die Intensität der Datenübertagung, d. h. die Amplitude der Schwingungen, schwächer, was die Messergebnisse des Sensorelementes verfälscht. Durch die Einbeziehung des veränderten Abstandes der Spule eines Senderelementes zu der Spule eines Empfängerelementes während des Betriebes der Turbine können in der Auswerteeinheit die von einem Empfängerelement empfangenen Sensordaten entsprechend angepasst bzw. interpretiert werden. D. h., die empfangenen Sensordaten werden derart verarbeitet, als hätte keine Abstandsänderung zwischen der Laufbeschaufelung und der Leitbeschaufelung stattgefunden. Die Einbeziehung der Abstandänderung ermöglicht daher eine sehr präzise Feststellung des Zustandes, insbesondere des Erosionsfortschrittes und/oder der Schwingungen, der Laufschaufeln einer Turbinenstufe. Es kann in jeder Laufschaufel der Beschaufelung einer Turbinenstufe ein Sensorelement vorgesehen sein. Um eine ausreichend gute Aussage über den Zustand der Laufschaufeln zu erhalten, ist es aber auch denkbar, dass nur in einigen Laufschaufeln Sensorelemente angeordnet sind. In einer Laufschaufel kann ein Sensorelement vorgesehen sein. Alternativ können zwei oder mehr Sensorelemente in einer Laufschaufel angeordnet sein. Hierdurch lässt sich der Zustand der Laufschaufel sehr gut feststellen.
Die Rechnereinheit ermittelt aufgrund der Messergebnisse der Feststellungseinrichtungen einer Turbinenstufe während des Betriebes der Turbine und anhand von charakteristischen Parametern der Lauf- und/oder Leitbeschaufelung einer Turbinenstufe die Veränderung des Abstandes des wenigstens einen Senderelementes der Laufbeschaufelung zu dem wenigstens einen Empfängerelement. Charakteristische Parametern der Lauf- und/oder Leitbeschaufelung sind beispielsweise die Wärmekapazitäten der Schaufeln bzw. des Werkstoffes der Schaufeln.
Eine derartige Turbine, insbesondere eine derartig ausgebildete Dampfturbine, ermöglicht eine drahtlose Übertragung von Sensordaten bzw. Sensorsignalen von Laufschaufeln auf ein stehendes Bauteil der Turbine, insbesondere auf Leitschaufeln einer Beschaufelung einer Turbinenstufe. Ferner kann eine drahtlose Energieübertragung von einem stehenden Bauteil, insbesondere der Leitschaufel, auf die Laufschaufel erfolgen. Durch eine derartige Turbine kann beispielsweise eine Überwachung der Schaufelschwingungen oder des aktuellen Erosionszustandes der Schaufeln einer Laufbeschaufelung einfach und präzise erfolgen. Für die Übertragung der Sensordaten bzw. der Sensorsignale ist in dem Faserverbundwerkstoff bzw. dem faserverstärkten Kunststoff der Laufschaufeln wenigstens ein Senderelement integriert, das elektromagnetische Wellen an ein oder mehrere Empfängerelemente in den Leitschaufeln überträgt. Die induktive Daten- und Energieübertragung zwischen der Leit- und der Laufbeschaufelung verbessert die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Energiezuführung, da keine mechanischen Kontakte erforderlich sind. D. h., die Übertragungstechnologie ist wartungsfrei, da kein Abrieb von Kontakten aufgrund von Kontaktübergangswiderständen erfolgt. Je nach Wunsch kann die Energieversorgung des elektrischen Schaltkreises in der Laufschaufel und die Datenübertragung an einem oder an verschiedenen Schaufelpaaren appliziert werden.
Durch eine derartige Beschaufelung einer Turbinenstufe einer Turbine bzw. durch eine derartige Turbine wird der vorteilhafte Einsatz von faserverstärktem Kunststoff für die Beschaufelung einer Turbinenstufe, insbesondere für die Endstufenbeschaufelung, ermöglicht. Wesentliche Zustandsgrößen der Schaufeln, insbesondere der Endstufenschaufeln, können überwacht werden, wodurch einerseits zu frühe und nicht notwendige und aufwendige Revisionen entfallen, andererseits katastrophale Schäden an der Beschaufelung vermieden werden. Die nicht bzw. nur schwer zu realisierende Übertragung durch berührende Elemente wie Schleifringe entfällt durch eine derartige Beschaufelung einer Turbinenstuf einer Turbine.

Claims

Beschaufelung einer Turbinenstufe einer Turbine, insbesondere einer Dampfturbine, aufweisend eine Laufbeschaufelung mit einer Vielzahl von Laufschaufeln und eine Leitbeschaufelung mit einer Vielzahl von Leitschaufeln, wobei in einer oder mehreren Laufschaufel(n) der Laufbeschaufelung zumindest ein Sensorelement zur Feststellung des Zustandes der Laufschaufeln vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Laufbeschaufelung wenigstens ein Senderelement vorgesehen ist, welches zur Datenübertragung mit dem zumindest einen Sensorelement verbunden ist, und dass in einem feststehenden Bauteil der Turbine, insbesondere der Leitbeschaufelung, wenigstens ein Empfängerelement vorgesehen ist, wobei das wenigstens eine Senderelement und das wenigstens eine Empfängerelement zur induktiven Datenübertragung der von dem zumindest einen Sensorelement erfassten Daten ausgebildet sind.
Beschaufelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Senderelement und wenigstens ein Empfängerelement zur induktiven Energieübertragung ausgebildet sind.
Beschaufelung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Senderelement in dem Werkstoff der Laufbeschaufelung, insbesondere in dem Werkstoff der Laufschaufeln, und dass das wenigstens eine Empfängerelement in dem Werkstoff des feststehenden Bauteils und/oder der Leitbeschaufelung, insbesondere in dem Werkstoff der Leitschaufeln, integriert sind.
Beschaufelung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Senderelement und das wenigstens eine Empfängerelement gleich weit beabstandet zu der Drehachse der Beschaufelung einer Turbinenstufe angeordnet sind.
Beschaufelung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbeschaufelung und die Leitbeschaufelung aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet sind.
Beschaufelung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbeschaufelung aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist.
Beschaufelung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitbeschaufelung aus glasfaserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist.
Beschaufelung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Senderelement, das zur induktiven Energieübertragung ausgebildet ist, und ein Senderelement, das zur induktiven Datenübertragung ausgebildet ist, über einen elektrischen Leiter miteinander verbunden sind.
Beschaufelung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Empfängerelement, das zur induktiven Energieübertragung ausgebildet ist, und ein Empfängerelement, das zur induktiven Datenübertragung ausgebildet ist, über einen elektrischen Leiter miteinander verbunden sind.
Beschaufelung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente und/oder die Senderelemente zur sequentiellen Datenübertragung ausgebildet sind.
Turbine, insbesondere Dampfturbine, aufweisend eine oder mehrere Turbinenstufen, wobei jede Turbinenstufe eine Beschaufelung mit einer Laufbeschaufelung und einer Leitbeschaufelung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaufelung einer oder mehrerer Turbinenstufen nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
Turbine, insbesondere Dampfturbine, nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Turbinenstufen Feststellungseinrichtungen zur Ermittlung des Druckes vor, in und/oder hinter einer Turbinenstufe, zur Messung der Temperaturen vor, in und/oder hinter einer Turbinenstufe sowie zur Ermittlung der Drehgeschwindigkeit der Laufschaufeln, insbesondere der Drehgeschwindigkeit des wenigstens einen Senderelementes, der Laufbeschaufelung einer Turbinenstufe aufweist/aufweisen.
Turbine, insbesondere Dampfturbine, nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rechnereinheit der Turbine zugeordnet ist, die mit den Feststellungseinrichtungen einer Turbinenstufe verbunden ist und die aufgrund der Messergebnisse der Feststellungseinrichtungen einer Turbinenstufe sowie Signalen der Turbinensteuerung während des Betriebes der Turbine und anhand von charakteristischen Parametern der Lauf- und/oder Leitbeschaufelung einer Turbinenstufe die Veränderung des Abstandes des wenigstens einen Senderelementes der Laufbeschaufelung zu dem wenigstens einen Empfängerelement des stehenden Bauteils, insbesondere der Leitbeschaufelung, ermittelt, und dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die die von dem zumindest einen Sensorelement festgestellten Ergebnisse in Abhängigkeit der Veränderung des Abstandes des wenigstens einen Senderelementes der Laufbeschaufelung zu dem wenigstens einen Empfängerelement des stehenden Bauteils, insbesondere der Leitbeschaufelung, anpasst bzw. interpretiert.