DE102009039693A1

DE102009039693A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Detektion einer Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse rotierender Turbinenschaufeln

Info

Publication number: DE102009039693A1
Application number: DE102009039693A
Authority: DE
Inventors: Bela Bechtold; Vojtech Ocelik; Uwe Pohl
Original assignee: Areva NP GmbH
Current assignee: Areva GmbH
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2010-09-16
Also published as: WO2010102876A3; WO2010102876A2

Abstract

Verfahren zur Detektion einer Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse der im Betrieb einer Turbine (2) rotierenden Turbinenschaufeln (6), die folgenden Schritte umfassend: Erfassen (16) und Filtern (20) eines Betriebsgeräusches (x(t)) der Turbine (2) zur Ermittlung eines von den rotierenden Turbinenschaufeln (6) hervorgerufenen Drehklangs (d(t)), Aufzeichnen (22) eines Wertes der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs (d(t)) für eine Vielzahl von aufeinander folgenden Zeitpunkten, Analysieren (22) der aufgezeichneten Werte, wobei eine Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse der rotierenden Turbinenschaufeln (6) anhand einer Differenz der Werte der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs (d(t)) vor und nach Eintreten der Veränderung detektiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Detektion einer Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse der im Betrieb einer Turbine rotierenden Turbinenschaufeln.
Moderne Turbinen, insbesondere Gasturbinen, welche zur Stromerzeugung in Spitzenzeiten eingesetzt werden, werden während des Betriebs fortlaufend überwacht, um auftretende Störungen möglichst rechtzeitig zu erkennen, und so schwerwiegenden Folgeschäden nach Möglichkeit vorzubeugen. Die Brennkammer einer Gasturbine ist zum Schutz vor Überhitzung mit hitzebeständigen Kacheln, beispielsweise Keramikkacheln, ausgekleidet. Diese Hitzekacheln werden durch in der Brennkammer der Gasturbine auftretende Druckwechselbelastungen dynamisch beansprucht, wodurch ein Teil oder eine komplette Kachel aus ihrer Halterung ausbrechen kann. Die Hitzekachel bzw. deren Bruchstücke werden von der Strömung des Abgases mitgerissen und bleiben in der Regel in den feststehenden Leitschaufeln der Turbine, welche einen die aerodynamischen Anströmverhältnisse der rotierenden Turbinenschaufeln bestimmendes Leitsystem bzw. einen Leitapparat bilden, hängen. Im Leitapparat führen die Bruchstücke zu einem sogenannten partiellen oder teilweisen Verschluss. Vom Leitapparat aus können die Bruchstücke der Hitzekachel weiter bis in den rotierenden Teil der Turbine gelangen und dort die mit hoher Umdrehungszahl rotierenden Turbinenschaufeln beschädigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Detektion einer Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse der im Betrieb einer Turbine rotierenden Turbinenschaufeln anzugeben, welche/welches gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 13. Vorteilteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion einer Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse der im Betrieb einer Turbine rotierenden Turbinenschaufeln umfasst die folgenden Schritte:
Ein Betriebsgeräusch der Turbine wird erfasst und zur Ermittlung eines von den rotierenden Turbinenschaufeln hervorrufenden Drehklangs gefiltert. Als Drehklang wird ein im Wesentlichen monofrequentes, von den rotierenden Turbinenschaufeln hervorgerufenes Geräusch bezeichnet. Andere Bezeichnungen für Drehklang sind beispielsweise: Blattfolgefrequenz oder Drehton. Ein Wert der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs wird für eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Zeitpunkten erfasst und aufgezeichnet. Die aufgezeichneten Werte werden analysiert, wobei eine Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse der rotierenden Turbinenschaufeln anhand einer Differenz der Werte der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs vor und nach Eintreten der Veränderung detektiert wird.
Mit Hilfe des oben genannten Verfahrens kann ein partieller Verschluss des Leitapparates einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine, allein anhand einer Analyse des Betriebsgeräuschs detektiert werden. Dabei ist das Verfahren nicht auf die Detektion eines partiellen Verschlusses des Leitsystems beschränkt, auch anderweitige, eine Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse der rotierenden Turbinenschaufeln hervorrufende Veränderung, beispielsweise ein die Aerodynamik des Leitsystems verändernder Defekt einer Leitschaufel, kann detektiert werden. Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Gasturbine eingesetzt werden. Ein bei dieser Turbinenart auftretender partieller Verschluss des Leitsystems rührt in der Regel von den Bruchstücken einer defekten Hitzekachel her, welche sich im Betrieb der Gasturbine in deren Brennraum gelöst hat. Die Detektion eines solchen Fehlers kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens während des Normalbetriebs der Gasturbine erfolgen. Zu diesem Zweck ist lediglich eine Überwachung und Analyse des Betriebsgeräuschs notwendig. Für den Fall, dass ein partieller Verschluss des Leitsystems festgestellt wird, kann beispielsweise im Rahmen routinemäßig durchzuführender Servicearbeiten die betreffende Hitzekachel oder deren Bruchstücke aus dem Leitsystem entfernt und die entsprechende Hitzekachel im Brennraum der Gasturbine ersetzt werden. Durch eine solche präventive Maßnahme kann einer gravierenderen Schädigung der Gasturbine vorgebeugt werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Differenz der Werte der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs vor und nach Ein treten der Veränderung größer als der Wert einer statistischen Streuung der entsprechenden Werte vor Eintritt der Veränderung. Vorzugsweise ist diese Differenz um zumindest das 2-fache größer als die statistische Streuung des Wertes der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs vor Eintritt der Veränderung. Die vorstehende Ausführungsform beruht auf der Erkenntnis, dass eine Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse der Turbinenschaufeln stets eine signifikante Abweichung des Wertes der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs hervorruft. Es hat sich herausgestellt, dass das Zwei- bis Dreifache des Wertes der statistischen Standardabweichung als signifikant angesehen werden kann. Durch die Anwendung der zuvor genannten Kriterien kann eine zuverlässige Detektion der in Rede stehenden Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse sichergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die statistische Streuung der Werte der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs in einem ersten, zeitlich vor dem Eintritt der Veränderung der aerodynamischen Verhältnisse gelegenen Zeitintervall ermittelt, welches im Vergleich zu einem zweiten Zeitintervall, innerhalb dessen die signifikante Abweichung des Wertes der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs stattfindet, länger ist. Mit anderen Worten wird eine Abweichung der Werte der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs gesucht, welche im Vergleich zum langfristigen Verlauf dieser Werte kurzfristig und abrupt ist. Vorzugsweise wird dabei das erste Zeitintervall um das 10-fache länger gewählt als das zweite Zeitintervall.
Die zuvor genannten Maßnahmen führen, für sich allein genommen oder in Kombination, zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit der Detektion einer Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Zuverlässigkeit des Verfahrens weiter verbessert, wenn als Wert der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs ein Mittelwert herangezogen wird, der in einer zeitlichen Umgebung des betreffenden Wertes der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs bestimmt wird. Wird diese zeitliche Umgebung vorgegebener Größe verhältnismäßig groß wählt, so ist das Detektionsverfahren verhältnismäßig träge, d. h. es reagiert auf kurzfristig eintretende Veränderungen eher langsam und spät. Im Gegenzug führen kurzfristig auftretende Veränderungen des Wertes der Amplitude und/oder Phase nur mit geringer Wahrscheinlichkeit zu einer Fehldetektion. Wird andererseits die zeitliche Umgebung klein d. h. kurz gewählt, so reagiert das Detektionsverfahren entsprechend schnell, büßt jedoch einen Teil seiner Fehlertoleranz ein. Bevorzugt handelt es sich bei dem Mittelwert um einen RMS-Mittelwert. Anhand empirischer Untersuchungen konnte herausgefunden werden, dass eine Mittelwertbildung in einer zeitlichen Umgebung von 0,1 bis 0,5 s zuverlässige Ergebnisse liefert.
Im Rahmen umfangreicher empirischer Untersuchungen konnte herausgefunden werden, dass eine Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse mit einem sprunghaften Anstieg oder Absinken des Wertes der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs von einem ersten auf ein zweites Niveau einhergeht. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird daher eine Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse der Turbinenschaufeln anhand einer solchen sprunghaften Veränderung des Wertes der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs detektiert. Es konnte insbesondere herausgefunden werden, dass die Amplitude des Drehklangs sprunghaft von dem ersten Niveau auf das zweite Niveau ansteigt oder absinkt und im Anschluss auf diesem zweiten Niveau verbleibt. Gemäß einer Weiterbildung wird, daher die besagte Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse anhand eines solchen Verlaufs der Werte für die Amplitude des Drehklangs detektiert. Mit anderen Worten liegen die Werte für die Amplitude des Drehklangs vor Eintritt der Veränderung verhältnismäßig konstant auf einem ersten Niveau und steigen bzw. sinken mit Eintritt der Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse, also beispielsweise mit Eintritt eines partiellen Verschlusses des Leitsystems, auf ein zweites Niveau. Die Werte für die Amplitude des Drehklangs verbleiben im Anschluss auf diesem zweiten Niveau. Es konnte außerdem herausgefunden werden, dass der Wert der Amplitude innerhalb eines Zeitintervalls von weniger als einer Sekunde von dem ersten auf das zweite Niveau ansteigt bzw. absinkt. Entsprechend wird die besagte Veränderung anhand eines solchen Verlaufs der Werte für die Amplitude des Drehklangs detektiert.
Alternativ oder zusätzlich zu der erwähnten Detektion einer Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse anhand einer Abweichung der Werte für die Amplitude des Drehklangs kann die besagte Veränderung, gemäß einer weiteren Ausführungsform, ebenso anhand eines U-förmigen Einbruchs der Werte für die Phase des Drehklangs detektiert werden.
Die Werte der Phase brechen bei Eintritt der in Rede stehenden Veränderung von einem ersten auf ein zweites Niveau sprunghaft ein, während einer sich anschließenden Erholungsphase nähern Sie sich wieder diesem ersten Niveau an. Anhand empirischer Untersuchungen konnte herausgefunden werden, dass ein solcher U-förmiger Einbruch der Phase in einem Zeitintervall zwischen 5 und 20 Sekunden erfolgt.
Gemäß den vorstehenden Ausführungsformen wird eine Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse anhand einer Abweichung der aktuellen Werte für die Amplitude und/oder Phase von einem langfristigen Mittelwert detektiert. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen Vergleich der gespeicherten Werte für die Amplitude und/oder Phase des Drehklangs mit einer bekannten Funktion durchzuführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, wird zunächst eine Korrelationsfunktion zwischen den aufgezeichneten Werten für die Amplitude und/oder Phase des Drehklangs und einer Treppenfunktion berechnet. Der Eintritt der besagten Veränderung wird anhand eines sprunghaften Anstiegs der Werte für diese Korrelationsfunktion detektiert. Die vorstehende Ausführungsform basiert auf der Erkenntnis, dass die in Folge einer Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse auftretende Differenz der Werte für die Amplitude und/oder Phase stets mehr oder weniger stufenförmig erfolgt. Da somit die prinzipielle Form der gesuchten Veränderung bekannt ist, kann durch die Berechnung der Korrelationsfunktion mit den gespeicherten Messwerten eine Änderung der aerodynamischen Verhältnisse sicher detektiert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion einer Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse der im Betrieb einer Turbine rotierenden Turbinenschaufeln umfasst zumindest einen Köperschallsensor zur Detektion eines Betriebsgeräuschs der Turbine und eine Auswerteeinheit zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Für die erfindungsgemäße Vorrichtung treffen gleiche oder ähnliche Vorteile zu, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erwähnt wurden.
Im Folgenden werden das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Gasturbine in einem stark schematisierten Längsschnitt,
2 ein Ablaufdiagram eines Verfahrens zur Detektion einer Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse rotierender Turbinenschaufeln,
3 einen zeitlichen Verlauf der Amplitude des Drehklangs sowie
4 einen zeitlichen Verlauf der Phase des Drehklangs, jeweils in einer zeitlichen Umgebung in der eine Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse der Turbinenschaufeln stattfindet.
Bei der in 1 gezeigten, in stark schematisiertem Längsschnitt dargestellten Turbine, handelt es sich beispielhaft um eine Gasturbine 2. Aus einer nicht dargestellten Brennkammer strömen heiße Abgase in Pfeilrichtung auf die Leitschaufeln 4 eines Leitapparates dieser Gasturbine 2. Der aus einer Vielzahl von Leitschaufeln und Kanälen aufgebaute Leitapparat definiert die aerodynamischen Anströmverhältnisse der Turbinenschaufeln 6. Diese sind auf einer Welle 8 montiert, welche im Betrieb der Gasturbine 2 durch das die Turbinenschaufeln 6 anströmende heiße Abgas in Rotation versetzt wird und mit welcher abtriebseitig ein nicht dargestellter Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden werden kann. An einem Gehäuse 10 der Gasturbine 2 befindet sich ein Beschleunigungsaufnehmer als Körperschallsensor 12 zur Detektion eines Betriebsgeräusches der Gasturbine 2. Der am Gehäuse 10 der Gasturbine 2 mittels des Körperschallsensors 12 aufgenommene zeitabhängige Wert für das Betriebsgeräusch x(t) der Turbine 2 wird einer mit dem Körperschallsensor 12 verbundenen Auswerte- und Verarbeitungseinheit 14 zugeführt.
Das gemessene Betriebsgeräusch x(t) der Gasturbine 2 ist ein Gemisch vieler verschiedener Frequenzen. Das Betriebsgeräusch x(t) enthält unter Anderem einen durch die rotierenden Turbinenschaufeln 6 verursachten Drehklang d(t). Dieser Drehklang d(t) entsteht durch den Druckunterschied zwischen der Vorder- und Rückseite der Turbinenschaufeln 6, d. h. durch den Druckunterschied zwischen dem Unterdruck auf der Schaufelsaugseite und einem Überdruck auf der Schaufeldruckseite. Gegenüber einem ortsfesten Beobachter führen diese mit hoher Geschwindigkeit an dem Beobachter vorbeiziehenden Druckvariationen zu einem im Wesentlichen monofrequenten Signal, welches als Drehklang, Drehton oder Blattfolgefrequenz d(t) bezeichnet wird. Die Frequenz des Drehklags d(t) ergibt sich aus der aktuellen Drehzahl Welle 8 der Gasturbine 2 multipliziert mit der Anzahl ihrer Turbinenschaufeln 6.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm (Flowchart), bei dem zunächst in einem Erfassungsschritt 16 ein Wert für das Betriebsgeräusch x(t) erfasst wird. In einem darauffolgenden Verstärkungsschritt 18 wird das Betriebsgeräusch x(t) zunächst verstärkt und anschließend einer Analog-Digitalwandlung (A/D-Wandlung) unterzogen. Das digitalisierte Betriebsgeräusch x1(t) wird anschließend in einem Filterschritt 20 mit einem Bandpassfilter gefiltert. Der Bandpassfilter wird zu diesem Zweck auf die Frequenz des Drehklangs d(t) eingestellt. Mit anderen Worten wird der Bandpassfilter auf diejenige Frequenz eingestellt, die sich aus der Multiplikation der Drehzahl der Welle 8 mit der Anzahl der Turbinenschaufeln 6 ergibt. Der Wert für den Drehklang d(t) wird schließlich in einem Analyseschritt 22 aufgezeichnet bzw. gespeichert und einer anschließenden Analyse unterzogen. Im Folgenden soll die Analyse des Drehklangs d(t) näher beschrieben werden:
Mit Hilfe des zuvor skizzierten Verfahrens wird während des Betriebs der Gasturbine 2 fortlaufend der Drehklang d(t) aufgenommen und analysiert. Mit anderen Worten wird also der Betrieb der Gasturbine 2 anhand des aus deren Betriebsgeräusch x(t) herausgefilterten Drehklangs d(t) überwacht. Verändert sich der Drehklang d(t), so ist dies ein Hinweis darauf, dass sich die aerodynamischen Anströmverhältnisse der Turbinenschaufeln 6, beispielsweise durch einen partiellen Verschluss des Leitapparates oder eine anderweitig Veränderung der aerodynamischen Eigenschaften der Leitschaufeln 4 verändert hat.
Bei der gesuchten Veränderung des Drehklangs d(t) handelt es sich um eine plötzlich auftretende Differenz zwischen den Werten der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs Ad(t)/Pd(t) vor und nach Eintritt des gesuchten Ereignisses, beispielsweise eines teilweisen Verschlusses des Leitsystems.
Im Folgenden sollen mehrere Möglichkeiten dargestellt werden, wie eine solche plötzliche Veränderung der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs Ad(t)/Pd(t) festgestellt werden kann. Es soll zunächst auf eine Analyse der Amplitude des Drehklangs Ad(t) und dem Anschluss auf die Analyse der Phase des Drehklangs Pd(t) eingegangen werden. Selbstverständlich können zur Überwachung der Gasturbine 2 sowohl eine Analyse der Amplitude als auch der Phase, wie auch eine kombinierte Analyse von Amplitude und Phase herangezogen werden.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird nicht das Signal der Amplitude des Drehklangs Ad(t) selbst, sondern ein über ein Zeitintervall T gemittelter Wert der Amplitude des Drehklangs Ad(t) betrachtet. Die Berechnung des Mittelwertes der Amplitude Ad(t) wird beispielhaft für den Zeitpunkt t₁ erläutert, wobei über ein Zeitintervall der Länge T gemittelt werden soll. Die Berechnung des Mittelwertes der Amplitude
zum Zeitpunkt t₁ erfolgt mit Hilfe der folgenden Formel:
Mit Hilfe der o. g. Formel wird ein gleitender RMS-Mittelwert (root mean square) in einer Zeitumgebung mit der Länge T um den Zeitpunkt t₁ berechnet.
Zur Überwachung der Gasturbine 2 wird der Mittelwert der Amplitude Ad(t) in Abhängigkeit von der Zeit t beobachtet, tritt ein signifikanter Abfall des Mittelwerts der Amplitude Ad(t) ein, so ist dies ein Hinweis auf einen partiellen Verschluss des Leitapparates der Gasturbine 2. Als signifikant wird eine Veränderung des Mittelwerts der Amplitude Ad(t) dann angesehen, wenn dieser Wert um ein Vielfaches seiner statistischen Schwankungsbreite von den bisherigen Werten abweicht.
Die Größe des Intervalls T, d. h. die zeitliche Dauer über die der Wert der Amplitude Ad(t) gemittelt wird, wird abhängig davon gewählt, ob Veränderungen auf kurzen oder langen Zeitskalen detektiert werden sollen. Wird der Wert von T klein, d. h. zeitlich kurz gewählt, so wird der mittlere Amplitudenwert Ad(t) anhand einer geringen Anzahl von Werten berechnet. Folglich können schnelle, d. h. kurzfristige Veränderungen der Amplitude Ad(t) des Drehklangs d(t) detektiert werden. Wird der Wert von T hingegen groß, d. h. zeitlich lang gewählt, so wird über eine große/größere Anzahl von Werten des Drehklangs d(t) gemittelt, entsprechend können lediglich Veränderungen auf größeren Zeitskalen detektiert werden. Durch eine Mittelung über eine größere Anzahl von Werten kann die Fluktuation des berechneten Mittelwertes verringert werden – die Fehleranfälligkeit des Verfahren sinkt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Wert der Drehklangamplitude Ad(t) über einen langen Zeitraum während des Betriebes der Turbine 2 aufgezeichnet. Aus den aufgezeichneten Werten wird ein Mittelwert ermittelt, welcher wiederum fortlaufend mit dem aktuellen Wert des Signals der Drehklangamplitude Ad(t) verglichen wird. Mit anderen Worten wird also eine Differenz Zwischen dem aktuellen Wert der Drehklangamplitude Ad(t) und einem langfristigen Mittelwert durchgeführt. Weicht der Wert der Drehklangamplitude Ad(t) plötzlich von diesem über eine lange Zeit berechneten Mittelwert ab, so ist dies ein Hinweis aus eine Veränderung der aerodynamischen Verhältnisse.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das nicht gefilterte Körperschallsignal x(t) einer gleitenden Fourier Transformation, insbesondere einer Fast Fourier Transformation (FFT) unterzogen. Das Körperschallsignal x(t) wird zunächst mit einer Fensterfunktion W(t) z. B. der Hamming Funktion im Zeitraum multipliziert. Auf diese Weise wird ein Zeitintervall extrahiert und der Einfluss von Parasit-Frequenzen minimiert. Die Fourier Transformation des mit der Fensterfunktion W(t) multiplizierten Körperschallsignals x(t) liefert ein komplexes Ergebnis, von dem lediglich der Betrag weiterverwendet wird. Das Ergebnis ist zunächst eine zeit- und frequenzabhängige Amplitude A(f, t) des Körperschallsignals x(t), welche wiederum beispielhaft für den Zeitpunkt t₁, mittels der folgenden Formel berechnet wird: A(f, t1) = |FFT(W(t – t1)·x(t))|
Von den errechneten frequenzabhängigen Amplitudenwerten A(f, t) wird nun lediglich die Amplitude mit der Frequenz des Drehklangs betrachtet. Es gilt also: Ad(t1) = A(Drehzahl·Schaufelzahl, t1).
3 zeig einen auf diese Weise berechneten zeitabhängigen Verlauf der Amplitude Ad(t). Zum Zeitpunkt t = +4 s kommt es zu einem Teilverschluss des Leitapparates der Gasturbine 2. Deut lich sichtbar sinkt das Signal der Amplitude Ad(t) zu diesem Zeitpunkt näherungsweise in der Form einer Treppenfunktion auf einen geringeren Amplitudenwert ab, und verbleibt auf diesem niedrigeren Niveau.
Es konnte festgestellt werden, dass die durch einen partiellen Verschluss des Leitsystems hervorgerufene Veränderung im zeitabhängigen Verlauf der Amplitude Ad(t) stets mehr oder weniger die Form einer Treppenfunktion aufweist. Es handelt sich dabei nicht um eine ideale Treppenfunktion, deren Flanke eine unendlich große Steigung aufweist, sondern um eine näherungsweise Treppenfunktion deren Flanke eine große aber nicht unendliche Steigung aufweist.
Da der bei einem partiellen Verschluss des Leitapparates auftretende Verlauf der Amplitude Ad(t) – die oben genannte Treppenfunktion – bekannt ist, bietet sich eine weitere Möglichkeit an, einen partiellen Verschluss des Leitapparates zu detektieren.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Korrelationsfunktion zwischen der Amplitude Ad(t) und einer Treppenfunktion berechnet. Mit anderen Worten wird ein laufender Mustervergleich zwischen dem Amplitudensignal Ad(t) und einer Treppenfunktion als Referenzmuster durchgeführt. Wird nun eine hohe Korrelation zwischen dem gemessenen Amplitudensignal Ad(t) und der Treppenfunktion gefunden, kann von einem partiellen Verschluss des Leitapparates ausgegangen werden.
Die Berechnung der Korrelationsfunktion zwischen dem aktuellen Amplitudensignal Ad(t) und einer Treppenfunktion ist vorteil haft, da in dem gemessenen Amplitudensignal Ad(t) nach einem bekannten Muster, in diesem Fall der Treppenfunktion, gesucht wird. Ist die genaue Art und Weise, in der sich das Amplituden- oder Phasensignale Ad(t), Pd(t) verändert nicht bekannt, so bietet sich eine der weiter oben genannten Methoden, beispielsweise ein Vergleich des aktuellen Messwertes der Amplitude Ad(t) mit einem langfristigen Mittelwert an.
Wie bereits erwähnt, besteht neben der Möglichkeit eine Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse der im Betrieb einer Turbine 2 rotierenden Turbinenschaufeln 6 anhand einer Veränderung der Amplitude des Drehklangs Ad(t) zu analysieren außerdem die Möglichkeit eine solche Veränderung anhand einer Veränderung der Phase des Drehklangs Pd(t) zu detektieren. Auf diese Möglichkeit soll im Folgenden eingegangen werden.
4 zeigt den Wert der Pd(t) in Abhängigkeit von der Zeit, wobei ebenfalls zum Zeitpunkt t = 4 s ein partieller Verschluss des Leitapparates auftritt.
Bevor auf den mit Eintritt der aerodynamischen Veränderung auftretenden Einbruch des Wertes für die Phase des Drehklangs Pd(t) eingegangen wird, soll zunächst erläutert werden, wie der Wert der Phase des Drehklangs Pd(t) aus dem Betriebsgeräusch x(t) gewonnen werden kann.
In bereits erwähnter Art und Weise wird zunächst das Drehklangsignal d(t) aus dem Betriebsgeräusch x(t) herausgefiltert. Eine erste Möglichkeit die aktuelle Phase Pd(t) aus dem Drehklangsignal d(t) zu berechnen, bietet die Verwendung der Hil bert-Huang-Transformation. Die Hilbert-Huang-Transformation liefert ausgehend von dem Drehklangsignal d(t) oder auch direkt aus dem Körperschallsignal x(t) unter anderem die aktuelle Phase Pd(t).
Eine weitere Möglichkeit die Phase des Drehklangsignals Pd(t) zu analysieren besteht darin den Abstand der Maxima, Nulldurchgänge oder auch der Minima der einzelnen Schwingungen des Drehklangsignals d(t) fortlaufend zu bestimmen. Ein zum Zeitpunkt t gemessener Abstand bzw. eine Differenz soll mit T_m(t) bezeichnet werden. Der Wert von T_m(t) wird nun mit dem theoretischen Wert T_d verglichen, der sich aus einer theoretischen Periodenlänge des Drehklangs ergibt. Konkret ergibt sich Wert für T_d als Kehrwert des Produktes aus der Drehzahl der Turbine 2 und der Anzahl ihrer Schaufeln 6.
Die Phasendifferenz Pd'(t) wird mittels der folgenden Formel berechnet: Pd'(t) = (Tm(t) – Td)/Td·2π
Die absolute Phase Pd(t) kann als Integral der Phasendifferenz berechnet werden:
Eine weitere Möglichkeit die Phase Pd(t) des Drehklangsignals d(t) zuberechnen besteht darin, zunächst das Körperschallsignal x(t) mit einer Fensterfunktion W(t), z. B. der Hamming Funktion zu multiplizieren, und das Produkt anschließend einer gleitenden Fourier Transformation, vorzugsweise einer Fast Fourier Transformation, zu unterziehen. Durch die Multiplikation des Körperschallsignals x(t) mit der Fensterfunktion W(t) wird ein Zeitintervall ausgewählt und der Einfluss von Parasit-Frequenzen minimiert. Aus dem komplexen Ergebnis der Fast Fourier Transformation wird anschließend lediglich die Phase φ(f, t₁) verwendet. Dies geschieht mit Hilfe der folgenden Formel: φ(f, t1) = arg(FFT(W(t – t1)·x(t)))
Die Funktion „arg” ist eine aus dem Programm Matlab allgemein bekannte Funktion. Diese verhindert ein Springen der üblicherweise lediglich im Bereich zwischen –90° und +90° angegebenen Phase.
Der zeit- und frequenzabhängige Wert der Phase φ(f, t) wird nun anschließend lediglich bei der Frequenz des Drehklangs ausgewertet. Dies geschieht mit Hilfe der folgenden Formel: Pdraw(t) = φ(Drehzahl·Schaufelzahl, t)
Die auf diese Weise berechnete Phase Pd_raw(t) ist mit dem Index „raw” versehen, da es sich um einen Rohwert handelt. Es ist vorteilhaft diesen Wert noch mit der ebenfalls aus dem Programm Matlab bekannten Funktion „unwrap” zu behandeln. Die Funktion „unwrap” entfernt unerwünschte Nebeneffekte der Fast Fourier Transformation. Die Phase Pd(t) des Drehklangs wird also aus Pd_raw(t) mittels der folgenden Formel berechnet: Pd(t) = unwrap(Pdraw(t))
Der in 4 gezeigte zeitliche Verlauf der Phase Pd(t) kann mit einer der o. g. Methoden berechnet werden. Zum Zeitpunkt t = 4 s tritt ein Teilverschluss des Leitapparates der Gasturbine 2 ein. Deutlich sichtbar bricht im Anschluss an dieses Ereignis der Wert der Phase Pd(t) ein. Nach Eintritt eine partiellen Verschlusses des Leitsystems der Gasturbine 2 greift deren Regelung ein, indem sie beispielsweise die Leistung der Gasturbine steigert. Der Wert der Phase Pd(t) nähert sich in dem in 4 nicht mehr dargestellten Bereich wieder seinem ursprünglichen Wert vor Eintritt des partiellen Verschlusses an.
Eine Vorrichtung zur Durchführung eines der vorgenannten Verfahren ist bereits teilweise im Zusammenhang mit 1 beschrieben, diese umfasst den Körperschallsensor 12, vorzugsweise einen Beschleunigungsaufnehmer, der am Gehäuse 10 der Turbine 2 angebracht ist. Wie bereits im Zusammenhang mit 2 erwähnt, wird das aufgenommene Betriebsgeräusch bzw. Körperschallsignal x(t) mit Hilfe der Auswerte- und Verarbeitungseinheit 14, beispielsweise einem Mikrocontroller oder Computer gespeichert und entsprechend eines oder mehrerer der oben beschriebenen Verfahren verarbeitet.
Sollte ein partieller Verschluss des Leitapparates der Gasturbine 2 detektiert werden, so kann die Vorrichtung außerdem ein entsprechendes Signal abgeben, so dass das Servicepersonal darauf hingewiesen ist, beispielsweise im Rahmen der nächsten routinemäßigen Wartungsarbeiten entsprechend Schritte zur Reparatur einzuleiten.

Claims

Verfahren zur Detektion einer Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse der im Betrieb einer Turbine (2) rotierenden Turbinenschaufeln (6), die folgenden Schritte umfassend: a) Erfassen (16) und Filtern (20) eines Betriebsgeräusches (x(t)) der Turbine (2) zur Ermittlung eines von den rotierenden Turbinenschaufeln (6) hervorgerufenen Drehklangs (d(t)), b) Aufzeichnen (22) eines Wertes der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs (d(t)) für eine Vielzahl von aufeinander folgenden Zeitpunkten, c) Analysieren (22) der aufgezeichneten Werte, wobei eine Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse der rotierenden Turbinenschaufeln (6) anhand einer Differenz der Werte der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs (d(t)) vor und nach Eintreten der Veränderung detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Differenz der Werte der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs (d(t)) vor und nach Eintreten der Veränderung größer ist als der entsprechende Wert einer statistischen Streuung der Werte vor Eintritt der Veränderung.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Differenz zumindest das 2-fache des Wertes der statistischen Streuung beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die statistische Streuung der Werte der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs (d(t)) in einem ersten zeitlich vor dem Eintritt der Veränderung gelegenen Zeitintervall ermittelt wird, welches im Vergleich zu einem zweiten Zeitintervall, innerhalb dessen die signifikante Abweichung des Wertes der Amplitude und/oder Phase des Drehklanges (d(t)) stattfindet, länger ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das erste Zeitintervall um das 10-fache länger ist als das zweite Zeitintervall.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem als Wert der Amplitude und/oder Phase des Drehklanges (d(t)) ein Mittelwert (Ad(t)) herangezogen wird, der in einer zeitlichen Umgebung T vorgegebener Größe des betreffenden Wertes der Amplitude und/oder Phase des Drehklanges (d(t)) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse anhand eines sprunghaften Ansteigens oder Absinkens der Werte der Amplitude und/oder der Phase des Drehklanges (d(t)) von einem ersten auf ein zweites Niveau detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Veränderung anhand eines sprunghaften Absinkens der Werte für die Amplitude des Drehklangs (Ad(t)) von dem ersten auf das zweite Niveau detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Werte der Amplitude (Ad(t)) innerhalb eines Zeitintervalls von weniger als einer Sekunde von dem ersten auf das zweite Niveau absinken.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem eine Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse anhand eines U-förmigen Einbruchs der Werte für die Phase des Drehklangs (Pd(t)) de tektiert wird, wobei die Werte der Phase (Pd(t)) von dem ersten auf das zweite Niveau sprunghaft einbrechen und sich in einer anschließenden Erholungsphase wieder dem ersten Niveau annähern.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der U-förmigen Einbruch der Phase (Pd(t)) in einem Zeitintervall zwischen 5 und 20 Sekunden Länge erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine Korrelationsfunktion zwischen den aufgezeichneten Werten der Amplitude und/oder Phase des Drehklangs (d(t)) und einer Treppenfunktion berechnet und eine Differenz der Werte vor und nach Eintreten der Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse anhand eines sprunghaften Anstiegs des Wertes dieser Korrelationsfunktion detektiert wird.
Vorrichtung zur Detektion einer Veränderung der aerodynamischen Anströmverhältnisse der im Betrieb einer Turbine (2) rotierenden Turbinenschaufeln (6), umfassend zumindest einen Körperschallsensor (12) zur Detektion eines Betriebsgeräusches (x(t)) der Turbine (2) und eine Auswerteeinheit (14) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.