DE102011057163B4

DE102011057163B4 - System zur Zuführung einer Kühl- und Spülluftströmung zu einem Online-Überwachungssystem einer Rotationsmaschine

Info

Publication number: DE102011057163B4
Application number: DE102011057163.9A
Authority: DE
Inventors: James Peter DeLancey; Jeremy Clyde Bailey; Nirm Velumylum Nirmalan; Guanghua Wang; Jason Randolph Allen; Lucy Joelle Summerville
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-01-04
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2022-10-27
Anticipated expiration: 2031-12-30
Also published as: FR2970041A1; CN102588116A; JP2012140956A; DE102011057163A1; FR2970041B1; CN102588116B; US8727706B2; JP5965636B2; US20120171015A1

Abstract

Anlage (10), die aufweist:ein Sichtrohr (101), das in eine Inspektionsöffnung (76) eingesetzt und für die optische Kommunikation mit dem Inneren einer Rotationsmaschine (18) eingerichtet ist;eine erste auswechselbare Düsenspitze (86), die abnehmbar an dem Sichtohr (101) befestigt ist, wobei die erste auswechselbare Düsenspitze (86) ein Fenster (88) und mehrere Öffnungen (96) aufweist, die dafür eingerichtet sind, Spülluft über das Fenster (88) zu leiten;ein Mantelrohr (82), das um das Sichtrohr (101) herum angeordnet und dafür eingerichtet ist, die Spülluft aus einer ersten Luftquelle zu den Öffnungen (96) zu leiten, und zwar über eine erste Passage (105), die zwischen einer Innenoberfläche (107) des Mantelrohrs (82) und einer Außenoberfläche (106) des Sichtrohrs (101) ausgebildet ist, undeine zweite auswechselbare Düsenspitze (84), die abnehmbar an dem Mantelrohr (82) befestigt ist, wobei die zweite auswechselbare Düsenspitze (84) mehrere Auslassöffnungen aufweist, die dafür eingerichtet sind, Spülluft um das Fenster (88) herum zu leiten,wobei das Mantelrohr (82) dafür eingerichtet ist, Luftschleierluft aus einer zweiten Luftquelle zu den Auslassöffnungen zu leiten, und zwar über eine zweite Passage (94), die zwischen einer Außenoberfläche (95) des Mantelrohrs (82) und einer Innenoberfläche der Inspektionsöffnung (76) ausgebildet ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der hier offenbarte Gegenstand betrifft eine Anlage zur Versorgung einer Online-Überwachungsanlage für eine Rotationsmaschine mit Kühl- und Spülluft.
Bestimmte Gasturbinen enthalten eine Turbine mit Inspektionsöffnungen, die dafür eingerichtet sind, die Überwachung verschiedener Komponenten innerhalb der Turbine zu vereinfachen. Zum Beispiel kann ein Pyrometriesystem mithilfe der Inspektionsöffnungen mit dem Inneren der Turbine optisch kommunizieren und dafür eingerichtet sein, die Temperatur bestimmter Komponenten in einem Heißgaspfad der Turbine zu messen. Typische Pyrometriesysteme umfassen ein Sichtrohr, das in die Inspektionsöffnung eingesetzt und dafür eingerichtet ist, emittierte und/oder reflektierte Strahlung von Turbinenkomponenten an einen Detektor zu übermitteln. Bei derartigen Pyrometriesystemen wird ein transparentes Fenster verwendet, das an der Spitze des Sichtrohrs angeordnet ist, um die empfindliche optische Komponente des Sichtrohrs vor dem durch die Turbine strömenden Heißgasstrom zu schützen. Beim Betrieb der Turbine kann dieses Fenster allerdings durch Verschmutzungen (z. B. unverbrannte Kohlenwasserstoffe in Verbrennungsprodukten und/oder Partikel aus einem Luftstrom) auf der Fensteroberfläche verdeckt werden. Außerdem können geschmolzene Metallpartikel beim Auftreffen auf dem Fenster in diesem eingeschlossen werden. Durch abnehmende Durchsichtigkeit des Fensters kann die Genauigkeit des Pyrometriesystems beeinträchtigt werden.
US 4 836 689 A offenbart einen Strahlungspyrometer zur Messung der Temperatur im Innern einer Gasturbine mit einem Sichtrohr, das in eine Inspektionsöffnung in dem Gehäuse der Gasturbine eingesetzt ist, einem in dem Sichtrohr gehalterten Pyrometerschaft, einer an dem proximalen Ende des Pyrometerschaftes befestigten Linse und einem Lichtwellenleiter innerhalb des Pyrometerschaftes, der die die Linse passierende Strahlung aus dem Inneren der Gasturbine zu einem Stahlungsdetektor überträgt. Ein Spülluftströmungssystem ist dazu eingerichtet, Spülluft über die Linse zu leiten, um sie sauber und von partikelförmigen Verunreinigungen frei zu halten. Das Spülluftströmungssystem umfasst Durchlässe in dem Sichtrohr zur Einleitung von Spülluft aus einem Verdichterbypassströungsweg und eine zu dem Sichtrohr konzentrische innere Hülse mit Durchlassöffnungen, die gestaltet sind, um die eingeleitete und entlang der Außenoberfläche der inneren Hülse strömende Spülluft zu veranlassen, in den inneren Durchgang der inneren Hülse hinein und quer über die Linsenoberfläche zu strömen, um diese mit der Spülluft zu schrubben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einer Ausführungsform umfasst eine Anlage ein Sichtrohr, das in eine Inspektionsöffnung eingesetzt wird und für die optische Kommunikation mit dem Inneren einer Rotationsmaschine eingerichtet ist. Die Anlage umfasst außerdem eine erste austauschbare Düsenspitze, die abnehmbar an dem Sichtrohr befestigt ist. Die erste austauschbare Düsenspitze verfügt über ein Fenster und mehrere Öffnungen, durch die Spülluft über das Fenster geleitet wird. Die Anlage umfasst weiter ein Mantelrohr, das um das Sichtrohr herum angeordnet und dafür eingerichtet ist, Spülluft aus einer ersten Luftquelle über eine erste Passage, die zwischen einer Innenoberfläche des Mantelrohrs und einer Außenoberfläche des Sichtrohrs ausgebildet ist, zu den Öffnungen zu leiten. Die Anlage umfasst außerdem eine zweite austauschbare Düsenspitze, die abnehmbar an dem Mantelrohr befestigt ist. Die zweite auswechselbare Düsenspitze verfügt über mehrere Auslassöffnungen, die dafür eingerichtet sind, Luft für einen Luftschleier um das Fenster herum zu leiten. Das Mantelrohr ist dafür eingerichtet, Luftschleierluft aus einer zweiten Luftquelle zu den Auslassöffnungen zu leiten, und zwar über eine zweite Passage, die zwischen einer Außenoberfläche des Mantelrohrs und einer Innenoberfläche der Inspektionsöffnung ausgebildet ist.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst eine Anlage ein Sichtrohr, das für die optische Kommunikation mit dem Inneren einer Rotationsmaschine (durch Einsetzen des Sichtrohrs in eine Inspektionsöffnung) eingerichtet ist. Das Sichtrohr umfasst ein Fenster und mehrere Öffnungen, durch die Spülluft über das Fenster geleitet wird. Die Anlage umfasst weiter ein Mantelrohr, das um das Sichtrohr herum angeordnet und dafür eingerichtet ist, Spülluft aus einer ersten Luftquelle zu den Öffnungen zu leiten, und zwar über eine erste Passage, die zwischen einer Innenoberfläche des Mantelrohrs und einer Außenoberfläche des Sichtrohrs ausgebildet ist. Das Mantelrohr verfügt über mehrere Auslassöffnungen, die dafür eingerichtet sind, Luftschleierluft um das Fenster herum zu leiten, und ist dafür eingerichtet, die Luftschleierluft aus einer zweiten Luftquelle zu den Auslassöffnungen zu leiten, und zwar über eine zweite Passage, die zwischen einer Außenoberfläche des Mantelrohrs und einer Innenoberfläche der Inspektionsöffnung ausgebildet ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Anlage ein Sichtrohr, das in eine Inspektionsöffnung eingesetzt und für die optische Kommunikation mit dem Inneren einer Rotationsmaschine eingerichtet ist. Die Anlage umfasst außerdem eine austauschbare Düsenspitze, die abnehmbar an dem Sichtrohr befestigt ist. Die erste austauschbare Düsenspitze verfügt über ein Fenster und mehrere Öffnungen, durch die Spülluft über das Fenster geleitet wird.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind besser verständlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen durchweg gleiche Teile bezeichnen.

1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Turbinenanlage mit einer optischen Überwachungsanlage, die dafür eingerichtet ist, einen Luftstrom über das Fenster eines Sichtrohrs zu leiten, um die Ansammlung von Verschmutzungen auf dem Fenster zu reduzieren;
2 ist eine Schnittdarstellung eines beispielhaften Turbinenabschnitts und zeigt verschiedene Turbinenkomponenten, die durch eine Ausführungsform der optischen Überwachungsanlage überwacht werden können;
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer optischen Messfühleranordnung, die in der optischen Überwachungsanlage aus 1 verwendet werden kann;
4 ist eine Schnittdarstellung der optischen Messfühleranordnung aus 3 entlang der Schnittlinie 4-4 und
5 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Sichtrohr-Düsenspitze, die in der optischen Messfühleranordnung aus 3 verwendet werden kann.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden eine oder mehrere spezifische Ausführungsformen beschrieben. Im Interesse einer kurz gefassten Beschreibung dieser Ausführungsformen sind eventuell nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung in der Beschreibung erfasst. Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass bei der Entwicklung einer derartigen tatsächlichen Implementierung - wie bei jedem Konstruktions- oder Planungsprojekt - zahlreiche implementierungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen; diese dienen dazu, die spezifischen Ziele der Entwickler zu erreichen, zum Beispiel, wenn Anlagen- oder geschäftsbezogene Beschränkungen zu berücksichtigen sind, die von Implementierung zu Implementierung variieren können. Es sollte ebenfalls zur Kenntnis genommen werden, dass derartige Entwicklungsanstrengungen zwar komplex und zeitaufwendig sein können, aber für Durchschnittsfachleute mithilfe dieser Offenbarung ein Routinevorhaben darstellen würden.
Bei der Einführung von Elementen verschiedener Ausführungsformen sollen die unbestimmten Artikel „ein, eine, eines“ und die bestimmten Artikel „der, die, das“ bedeuten, dass es sich um ein oder mehrere Elemente handelt. Die Begriffe „umfassen“, „einschließen“ und „aufweisen“ sind einschließend gemeint und besagen, dass abgesehen von den aufgeführten Elementen weitere Elemente vorhanden sein können.
In diesem Dokument offenbarte Ausführungsformen können für einen Luftstrom angrenzend an ein Fenster einer optischen Messfühleranordnung sorgen, um das Fenster vor einem Heißgasstrom in einer Turbine zu schützen. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die optische Messfühleranordnung dafür eingerichtet, mit dem Inneren einer Turbine optisch zu kommunizieren; zu diesem Zweck wird die Messfühleranordnung in eine Inspektionsöffnung eingesetzt. Die optische Messfühleranordnung umfasst ein Sichtrohr und eine Sichtrohr-Düsenspitze, die abnehmbar an dem Sichtrohr befestigt ist. Die Sichtrohr-Düsenspitze verfügt über ein Fenster und mehrere Öffnungen, durch die Spülluft über das Fenster geleitet wird. Ein um das Sichtrohr herum angeordnetes Mantelrohr ist dafür eingerichtet, Spülluft aus einer ersten Luftquelle zu den Öffnungen zu leiten, und zwar über eine erste Passage, die zwischen einer Innenoberfläche des Mantelrohrs und einer Außenoberfläche des Sichtrohrs ausgebildet ist. Die optische Messfühleranordnung umfasst außerdem eine Mantelrohr-Düsenspitze, die abnehmbar an dem Mantelrohr befestigt ist. Die Mantelrohr-Düsenspitze verfügt über mehrere Auslassöffnungen, die dafür eingerichtet sind, Luftschleierluft um das Fenster herum zu leiten. Das Mantelrohr ist dafür eingerichtet, die Luftschleierluft aus einer zweiten Luftquelle zu den Auslassöffnungen zu leiten, und zwar über eine zweite Passage, die zwischen einer Außenoberfläche des Mantelrohrs und einer Innenoberfläche der Inspektionsöffnung ausgebildet ist. Die Kombination von Luftschleierluft und Kühlluft kann dazu dienen, die Temperatur des Fensters in einem gewünschten Betriebstemperaturbereich zu halten und die Ansammlung von Verschmutzungen auf der Fensteroberfläche wesentlich zu reduzieren. Da die Spülluft und die Luftschleierluft aus unterschiedlichen Luftquellen stammen, ist das Fenster möglicherweise auch dann geschützt, wenn eine Luftquelle nicht ordnungsgemäß funktioniert. Da außerdem die Düsenspitzen austauschbar sind, können bestimmte Düsenspitzen mit einer gewünschten Anordnung von Öffnungen und/oder Auslässen für eine bestimmte Turbinenkonfiguration gewählt werden, wodurch das Fenster wirkungsvoll vor Hitze und Verschmutzung geschützt wird.
Im Folgenden werden die Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Turbinenanlage mit einer optischen Überwachungsanlage, die dafür eingerichtet ist, einen Luftstrom über ein Fenster eines Sichtrohrs zu leiten, um die Ansammlung von Verschmutzungen auf dem Fenster zu verringern. Obwohl im Folgenden eine Turbinenanlage beschrieben wird, sollte beachtet werden, dass die optische Überwachungsanlage zur Überwachung von Komponenten in anderen Rotationsmaschinen oder Turbomaschinen - beispielsweise Verdichtern, Strahltriebwerken, Pumpen und Dampfturbinen - eingesetzt werden kann. Die dargestellte Turbinenanlage 10 umfasst eine Kraftstoffeinspritzdüse 12, eine Kraftstoffzufuhr 14 und eine Brennkammer 16. Wie gezeigt, wird durch die Kraftstoffzufuhr 14 ein Flüssig- und/oder Gaskraftstoff, beispielsweise Erdgas, zu der Gasturbinenanlage 10, durch die Kraftstoffeinspritzdüse 12 und in die Brennkammer 16 geleitet. Wie nachfolgend erörtert, dient die Kraftstoffeinspritzdüse 12 dazu, den Kraftstoff einzuspritzen und mit verdichteter Luft zu mischen. In der Brennkammer 16 wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet und verbrannt, und anschließend werden heiße, unter Druck stehende Gase in eine Turbine 18 geleitet. Die Turbine 18 umfasst ein oder mehrere Leiträder mit feststehenden Leitschaufeln und ein oder mehrere Laufräder mit Laufschaufeln, die sich im Verhältnis zu den Leiträdern drehen. Die heißen Gase passieren die Laufschaufeln der Turbine und treiben so das Laufrad der Turbine an, sich zu drehen. Durch eine Kopplung des Turbinenlaufrads mit einer Welle 19 wird die Drehung der Welle 19 bewirkt, wobei die Welle auch mit mehreren Komponenten in der gesamten Gasturbinenanlage 10 verbunden ist, wie dargestellt. Schließlich können die Gase über einen Abgasauslass 20 aus der Gasturbinenanlage 10 austreten.
Ein Verdichter 22 enthält Laufschaufeln, die starr an einem Laufrad befestigt sind, das durch die Welle 19 dazu angetrieben wird, sich zu drehen. Wenn die Luft die sich drehenden Laufschaufeln durchströmt, steigt der Luftdruck, wodurch die Brennkammer 16 mit ausreichend Luft für eine ordnungsgemäße Verbrennung versorgt wird. Der Verdichter 22 kann über einen Lufteinlass 24 Luft in die Gasturbinenanlage 10 einführen. Die Welle 19 kann weiter mit einer Last 26 verbunden sein, die durch die Drehung der Welle 19 angetrieben werden kann. Die Last 26 kann jede geeignete Vorrichtung sein, die die Energie der Drehleistung der Gasturbinenanlage 10 nutzen kann, beispielsweise ein Kraftwerk oder eine externe mechanische Last. Die Last 26 kann zum Beispiel ein elektrischer Generator, ein Flugzeugpropeller usw. sein. Durch den Lufteinlass 24 wird Luft 30 mithilfe eines geeigneten Mechanismus, beispielsweise eines Luftansaugfilters, in die Gasturbinenanlage 10 gezogen. Die Luft 30 strömt dann durch die Laufschaufeln des Verdichters 22, der der Brennkammer 16 verdichtete Luft 32 zuführt. Die Kraftstoffeinspritzdüse 12 kann die verdichtete Luft 32 und den Kraftstoff 14 als Kraftstoff-Luft-Gemisch 34 in die Brennkammer 16 einspritzen. Alternativ können die verdichtete Luft 32 und der Kraftstoff 14 direkt in die Brennkammer eingespritzt werden, um dort gemischt und verbrannt zu werden.
Wie gezeigt, umfasst die Turbinenanlage 10 eine optische Überwachungsanlage 36, die mit der Turbine 18 optisch verbunden ist. Bei der dargestellten Ausführungsform umfasst die optische Überwachungsanlage 36 eine optische Messfühleranordnung 38, die in eine Inspektionsöffnung eingesetzt ist. Die optische Messfühleranordnung 38 ist dafür eingerichtet, emittierte und/oder reflektierte Strahlung von Turbinenkomponenten an einen Detektor 40 zu übermitteln. Wie im Folgenden ausführlich erläutert wird, verfügt die optische Messfühleranordnung 38 über ein Fenster und mehrere Öffnungen, durch die Spülluft über das Fenster geleitet wird. Die optische Messfühleranordnung umfasst außerdem ein Mantelrohr, das um das Sichtrohr herum angeordnet und dafür eingerichtet ist, Spülluft aus einer ersten Luftquelle zu den Öffnungen zu leiten und zwar über eine erste Passage, die zwischen einer Innenoberfläche des Mantelrohrs und einer Außenoberfläche des Sichtrohrs ausgebildet ist. Das Mantelrohr verfügt weiter über mehrere Auslassöffnungen, die dafür eingerichtet sind, Luftschleierluft um das Fenster herum zu leiten. Das Mantelrohr ist darüber hinaus dafür eingerichtet, die Luftschleierluft aus einer zweiten Luftquelle zu den Auslassöffnungen zu leiten, und zwar über eine zweite Passage, die zwischen einer Außenoberfläche des Mantelrohrs und einer Innenoberfläche der Inspektionsöffnung ausgebildet ist. Bei einer derartigen Gestaltung kann die über das Fenster strömende Spülluft als Sperre zwischen dem durch die Turbine 18 strömenden heißen Gas und dem Fenster dienen, wodurch das Fenster vor Verschmutzungen geschützt wird, die sich ansonsten auf der Fensteroberfläche ansammeln könnten. Die Spülluft kann auch eine kühlende Wirkung haben, um sicherzustellen, dass die Temperatur des Fensters in einem erwünschten Bereich bleibt. Die um das Fenster herumströmende Luftschleierluft kann außerdem in dem heißen Gas enthaltene Verschmutzungen (z. B. unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Schmutz, geschmolzene Metallpartikel usw.) ablenken, wodurch die Ansammlung von Verschmutzungen auf der Fensteroberfläche weiter reduziert wird.
Bei der gezeigten Ausführungsform, stellt der Verdichter 22 sowohl die erste als auch die zweite Luftquelle für die optische Messfühleranordnung 38 bereit. Die zweite Luftquelle enthält einen Abluftstrom 42 aus dem Verdichter 22. Bei der dargestellten Ausführungsform wird zwar Abluft 42 aus einer hinteren Stufe des Verdichters 22 verwendet, aber es sollte beachtet werden, dass bei alternativen Ausführungsformen Luft aus anderen Verdichterstufen genutzt werden könnte. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Druck der der optischen Messfühleranordnung 38 zugeführten Abluft 42 höher als der Druck des heißen Gases in der Turbine am Ort der optischen Messfühleranordnung 38. Folglich lenkt der Strom von Luftschleierluft aus der zweiten Luftquelle das heiße Gas von dem Fenster der optischen Messfühleranordnung 38 ab, wodurch die Ansammlung von Verschmutzungen auf der Fensteroberfläche wesentlich reduziert wird.
Die erste Luftquelle enthält außerdem auch einen Abluftstrom 44 aus dem Verdichter 22. Bei der dargestellten Ausführungsform wird zwar Abluft 44 aus einer mittleren Stufe des Verdichters verwendet, aber es sollte beachtet werden, dass bei alternativen Ausführungsformen Luft aus anderen Verdichterstufen genutzt werden könnte. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Druck der der optischen Messfühleranordnung 38 zugeführten Abluft 44 höher als der Druck des heißen Gases in der Turbine am Ort der optischen Messfühleranordnung 38. Wie gezeigt, strömt die Abluft 44 in einen Wärmetauscher 45, der dafür eingerichtet ist, die Temperatur der Abluft 44 zu senken. Die Temperatur der Abluft 44 kann bei bestimmten Verdichterkonfigurationen zwischen circa 427 und 482 Grad Celsius liegen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Wärmetauscher 45 dafür eingerichtet sein, die Temperatur der Abluft 44 auf zwischen circa 149 und 204 Grad Celsius zu senken, so dass die optische Messfühleranordnung stärker gekühlt wird. Die gekühlte Abluft 44 strömt in einen Filter 46, der dazu dient, Flüssigkeiten und Verunreinigungspartikel aus dem Luftstrom zu filtern. Die Abluft 44 kann zum Beispiel Öle (zum Schmieren des Verdichters 22), Metallpartikel aus dem Verdichter 22 und/oder Verschmutzungen enthalten, die aus der Umgebungsluft in den Verdichter 22 gezogen wurden. Durch Filtern derartigen Materials aus der Abluft 44 kann der Filter 46 für einen im Wesentlichen reinen Luftstrom 47 zu der optischen Messfühleranordnung 38 sorgen, wodurch die Ansammlung von Verschmutzungen auf der Fensteroberfläche wesentlich reduziert wird. Obwohl bei der gezeigten Ausführungsform der Verdichter 22 die erste Luftquelle 47 bereitstellt, sollte beachtet werden, dass bei alternativen Ausführungsformen ein Hilfsverdichter verwendet werden kann, um für den gewünschten Luftstrom zu der optischen Messfühleranordnung 38 zu sorgen.
2 ist eine Schnittdarstellung eines beispielhaften Turbinenabschnitts mit verschiedenen Turbinenkomponenten, die durch eine Ausführungsform der optischen Überwachungsanlage 36 überwacht werden können. Wie dargestellt, strömen heiße, unter Druck stehende Gase 48 aus der Brennkammer 16 in Axialrichtung 50 und/oder Umfangsrichtung 52 in die Turbine 18. Die gezeigte Turbine 18 umfasst zumindest zwei Stufen, wobei in 2 die ersten beiden Stufen dargestellt sind. Andere Turbinenkonfigurationen können mehr oder weniger Turbinenstufen umfassen. Eine Turbine kann zum Beispiel 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr Turbinenstufen umfassen. Die erste Turbinenstufe enthält Leitschaufeln 54 und Laufschaufeln 56, die in Umfangsrichtung 52 in der Turbine 18 im Wesentlichen gleichmäßig beabstandet sind. Die Leitschaufeln 54 der ersten Stufe sind starr an der Turbine 18 angebracht und so gestaltet, dass sie Verbrennungsgase zu den Laufschaufeln 56 leiten. Die Laufschaufeln 56 der ersten Stufe sind an einem Laufrad 58 angebracht, dessen Drehung durch die heißen Gase 48 bewirkt wird, die durch die Laufschaufeln 56 strömen. Das Laufrad 58 ist wiederum mit der Welle 19 verbunden, die den Verdichter 22 und die Last 26 antreibt. Die heißen Gase 48 strömen anschließend durch die Leitschaufeln 60 und Laufschaufeln 62 der zweiten Stufe. Die Laufschaufeln 62 der zweiten Stufe sind ebenfalls mit dem Laufrad 58 verbunden. Während die heißen Gase 48 durch jede Stufe strömen, wird Energie aus dem Gas in Rotationsenergie des Laufrads 58 umgewandelt. Nach dem Passieren aller Turbinenstufen treten die heißen Gase 48 in axialer Richtung 50 aus der Turbine 18 aus.
Bei der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich jede Leitschaufel 54 der ersten Stufe von einer Endwand 64 in radialer Richtung 66 auswärts. Die Endwand 64 ist so gestaltet, dass sie verhindert, dass heiße Gase 48 in das Laufrad 58 eindringen. Eine ähnliche Endwand kann an die Leitschaufeln 60 der zweiten Stufe und an darauf folgende stromab liegende Leitschaufeln (soweit vorhanden) angrenzen. Auf ähnliche Weise erstreckt sich jede Laufschaufel 56 der ersten Stufe von einer Plattform 68 in radialer Richtung 66 auswärts. Die Plattform 68 ist Teil eines Schafts 70, der die Laufschaufel 56 mit dem Laufrad 58 verbindet. Der Schaft 70 umfasst auch eine Schmetterlingsflügeldichtung 72, die dazu dient, zu verhindern, das heiße Gase 48 in das Laufrad 58 eindringen. Ähnliche Plattformen und Dichtungen können an die Laufschaufeln 62 der zweiten Stufe und darauf folgende Laufschaufeln (soweit vorhanden) angrenzen. Darüber hinaus ist ein Deckband 74 radial auswärts von den Laufschaufeln 56 der ersten Stufe angeordnet. Das Deckband 74 soll dafür sorgen, dass nur eine minimale Menge heißer Verbrennungsgase 48 den Weg durch die Laufschaufeln 56 umgeht. Dieses Umgehen ist unerwünscht, weil die Energie aus dem „ausweichenden“ Gas nicht von den Laufschaufeln 56 erfasst und in Rotationsenergie umgewandelt wird. Während Ausführungsformen der optischen Überwachungsanlage 36 im Folgenden in Bezug auf die Überwachung von Komponenten innerhalb der Turbine 18 einer Gasturbinenanlage 10 beschrieben werden, sollte beachtet werden, dass die optische Überwachungsanlage 36 zur Überwachung von Komponenten in anderen Rotationsmaschinen eingesetzt werden kann, beispielsweise in einem Strahltriebwerk, einer Dampfturbine oder einem Verdichter.
Wie gezeigt, erstreckt sich die optischen Messfühleranordnung 38 durch eine Inspektionsöffnung 76 in das Innere der Turbine 18. Inspektionsöffnungen können zur Erleichterung der Überprüfung von Turbinenkomponenten an verschiedenen Stellen des Turbinengehäuses platziert werden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die optische Überwachungsanlage 36 dafür eingerichtet, Turbinenkomponenten während des Betriebs der Turbine 18 zu überwachen, um es einem Bediener oder einem automatischen System zu ermöglichen, erhöhte Temperaturen von Turbinenkomponenten zu erkennen. Obwohl die gezeigte Ausführungsform nur eine einzige optische Messfühleranordnung 38 enthält, die auf die Laufschaufeln 56 der ersten Stufe gerichtet ist, sollte beachtet werden, dass bei alternativen Ausführungsformen mehr optische Messfühleranordnungen 38 eingesetzt werden können. Bei bestimmten Ausführungsformen können zum Beispiel 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder mehr optische Messfühleranordnungen 38 verwendet werden, um emittierte und/oder reflektierte Strahlung von jeder Laufschaufel 56 an den Detektor 40 zu übermitteln. Es ist nachvollziehbar, dass mehr Bereiche jeder Laufschaufel 56 überwacht werden können, wenn mehr optische Messfühleranordnungen 38 zur Überwachung der Laufschaufeln 56 der ersten Stufe eingesetzt werden.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist die optische Messfühleranordnung 38 zwar auf die Laufschaufeln 56 der ersten Stufe gerichtet, aber es sollte beachtet werden, dass die optische Messfühleranordnung 38 bei alternativen Ausführungsformen auf andere Turbinenkomponenten gerichtet sein kann. Zum Beispiel könnten eine oder mehrere optische Messfühleranordnungen 38 auf die Leitschaufeln 54 der ersten Stufe, die Leitschaufeln 60 der zweiten Stufe, die Laufschaufeln 62 der zweiten Stufe, die Endwände 64, die Plattformen 68, die Dichtungen 72, die Deckbänder 74 oder andere Komponenten in der Turbine 18 gerichtet sein. Weitere Ausführungsformen können optische Messfühleranordnungen 38 beinhalten, die auf mehrere Komponenten in der Turbine 18 gerichtet sind. Ähnlich wie bei den Laufschaufeln 56 der ersten Stufe, kann die optische Überwachungsanlage 36 die Temperatur jeder Komponente überwachen, um das Erkennen erhöhter Temperaturen von Turbinenkomponenten zu erleichtern.
Wie bereits erörtert, ist die optische Messfühleranordnung 38 dafür eingerichtet, emittierte und/oder reflektierte Strahlung von Turbinenkomponenten an einen Detektor 40 zu übermitteln. Der Detektor 40 kann dafür eingerichtet sein, über einen Zeitraum mehrere Bilder der Turbinenkomponenten zu erfassen. Bestimmte Turbinenkomponenten, wie die bereits beschriebenen Laufschaufeln 56 der ersten Stufe, können sich mit hoher Geschwindigkeit in Umfangsrichtung 52 der Turbine 18 drehen. Um ein Bild von derartigen Komponenten zu erhalten, kann der Detektor 40 dementsprechend dafür eingerichtet sein, mit einer Integrationszeit zu arbeiten, die ausreichend dafür ist, dass ein im Wesentlichen stillstehendes Bild jeder Komponente erfasst wird. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Detektor 40 zum Beispiel dafür eingerichtet sein, das Bild der Turbinenkomponente mit einer Integrationszeit zu erfassen, die unter circa 10, 5, 3, 2, 1, 0,5 oder weniger Mikrosekunden liegt.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist die optische Überwachungsanlage 36 dafür eingerichtet, die Temperatur der Turbinenkomponente auf der Basis der von der Komponente emittierten Strahlungsintensität zu ermitteln. Die Laufschaufel 56 emittiert zum Beispiel mit zunehmender Temperatur der Laufschaufel Strahlung in einem großen Wellenlängenbereich. Außerdem absorbieren und emittieren bestimmte Arten von Verbrennungsprodukten wie Wasserdampf und Kohlendioxid als Reaktion auf erhöhte Temperatur, erhöhten Druck und/oder erhöhte Konzentration des Produkts Strahlung in einem großen Wellenlängenbereich. Daher erreicht beim Betrieb der Gasturbinenanlage 10 nur ein Teil der von der Laufschaufel 56 emittierten Wellenlängen die optische Überwachungsanlage 36 mit ausreichender Intensität und vernachlässigbarer Interferenz, so dass eine genaue Intensitätsmessung möglich ist. Folglich kann die optische Überwachungsanlage 36 dafür eingerichtet sein, die Intensität bestimmter Wellenlängen zu messen, die die heißen Verbrennungsgase 48 mit größerer Wahrscheinlichkeit ohne wesentliche Absorption oder Interferenz passieren, um die Temperatur der Laufschaufel 56 zu ermitteln. Wellenlängen im roten Teil des sichtbaren Spektrums und/oder im Nahinfrarot-Spektrum können zum Beispiel die heißen Gase 48 mit weniger Absorption passieren als andere Frequenzbereiche. Derartige Frequenzbereiche können daher bei bestimmten Ausführungsformen zur Ermittlung der Temperatur der Laufschaufel 56 genutzt werden. Bestimmte optische Überwachungsanlagen 36 können zum Beispiel dafür eingerichtet sein, die Intensität von Wellenlängen in einem Bereich von circa 0,5 bis 1,4 Mikrometern, 1,5 bis 1,7 Mikrometern und/oder 2,1 bis 2,4 Mikrometern zu messen, um die Temperatur der Laufschaufel zu ermitteln. Es sollte allerdings beachtet werden, dass bei anderen Ausführungsformen die Intensität der elektromagnetischen Strahlung in anderen Bereichen des sichtbaren, Infrarot- und/oder Ultraviolettspektrums gemessen werden kann. Darüber hinaus kann bei bestimmten Ausführungsformen eine zweidimensionale Detektoranordnung verwendet werden, um zweidimensionale Bilder und/oder Emissionen zu erfassen, die einen Hinweis auf zweidimensionale Temperaturverteilungen der Turbinenkomponenten geben.
Wie bereits erörtert wurde, verfügt die optische Messfühleranordnung 38 über ein Sichtrohr mit einem Fenster und mehreren Öffnungen, durch die Spülluft über das Fenster geleitet wird. Die optische Messfühleranordnung umfasst außerdem ein Mantelrohr, das um das Sichtrohr herum angeordnet und dafür eingerichtet ist, Spülluft aus einer ersten Luftquelle zu den Öffnungen zu leiten, und zwar über eine erste Passage, die zwischen einer Innenoberfläche des Mantelrohrs und einer Außenoberfläche des Sichtrohrs ausgebildet ist. Das Mantelrohr verfügt weiter über mehrere Auslassöffnungen, die dafür eingerichtet sind, Luftschleierluft um das Fenster herum zu leiten. Das Mantelrohr ist darüber hinaus dafür eingerichtet, die Luftschleierluft aus einer zweiten Luftquelle zu den Auslassöffnungen zu leiten, und zwar über eine zweite Passage, die zwischen einer Außenoberfläche des Mantelrohrs und einer Innenoberfläche der Inspektionsöffnung ausgebildet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform ist eine Spitzenanordnung 78 mit einem entgegengesetzt zu dem Detektor 40 liegenden Ende der optischen Messfühleranordnung 38 verbunden. Wie im Folgenden ausführlich erörtert wird, ist die Spitzenanordnung 78 abnehmbar, wodurch Bediener Spitzenanordnungen 78 leicht je nach den gewünschten Betriebsbedingungen auswechseln können. Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst die Spitzenanordnung 78 beispielsweise eine erste austauschbare Düsenspitze (z.B. die Sichtrohr-Düsenspitze), die abnehmbar an dem Sichtrohr befestigt ist, und eine zweite austauschbare Düsenspitze (z.B. die Mantelrohr-Düsenspitze), die abnehmbar an dem Mantelrohr befestigt ist. Bei einer solchen Gestaltung verfügt die erste austauschbare Düsenspitze über das Fenster und die Öffnungen, während die zweite austauschbare Düsenspitze mit den Auslassöffnungen versehen ist. Dementsprechend kann das Strömungsmuster über das Fenster angepasst werden, indem die erste austauschbare Düsenspitze gegen eine andere Spitze mit einer anderen Gestaltung der Öffnungen (z.B. Veränderungen der Lochgröße, der Anzahl der Löcher, der Ausrichtung der Löcher usw.) ausgetauscht wird. In ähnlicher Weise kann das Strömungsmuster der Luftschleierluft um das Fenster herum angepasst werden, indem die zweite austauschbare Düsenspitze gegen eine andere Spitze mit einer anderen Gestaltung der Auslassöffnungen (z.B. Veränderungen der Form der Auslassöffnungen, der Anzahl der Auslassöffnungen, der Ausrichtung der Auslassöffnungen usw.) ausgetauscht wird. Auf diese Weise kann die Spitzenanordnung 78 speziell für eine gewünschte Turbinenkonfiguration gestaltet werden, wodurch eine standardisierte Sichtrohrkonstruktion bei verschiedenen Turbinenkonfigurationen eingesetzt werden kann.
Da das Fenster außerdem an der ersten auswechselbaren Düsenspitze angebracht ist, kann das Fenster ohne Rekalibrierung der optischen Messfühleranordnung 38 ausgetauscht werden. Wenn das Fenster zum Beispiel an der optischen Messfühleranordnung befestigt ist und aufgrund der Ansammlung von Verschmutzungen auf der Fensteroberfläche weniger durchsichtig wird, kann die optische Messfühleranordnung aus der Inspektionsöffnung entfernt und durch eine neue Anordnung ersetzt werden. Aufgrund von Veränderungen der Optik in dem Sichtrohr jeder optischen Messfühleranordnung wird die Anordnung allerdings im Allgemeinen nach der Installation rekalibriert. Es ist nachvollziehbar, dass das Rekalibrierungsverfahren zeitaufwendig sein kann, so dass die Verfügbarkeit der Turbinenanlage 10 dadurch eingeschränkt werden könnte. Um dagegen bei der dargestellten Konfiguration ein Fenster zu ersetzen, wird die optische Messfühleranordnung 38 aus der Inspektionsöffnung 76 entfernt und die erste austauschbare Düsenspitze durch eine neue Düsenspitze ersetzt. Da das ursprüngliche Sichtrohr verwendet wird, kann die Rekalibrierung der optischen Komponenten vermieden werden. Folglich kann der Zeitaufwand für das Ersetzen des Fensters deutlich reduziert werden, was die Verfügbarkeit der Turbinenanlage erhöht.
Bei der gezeigten Ausführungsform wird die erste Luftquelle 47 durch einen Hilfsverdichter 80 bereitgestellt. Der Hilfsverdichter 80 ist dafür eingerichtet, einen Druck zu liefern, der höher ist als der Druck des Heißgasstroms 48 an dem Ort der optischen Messfühleranordnung 30, wodurch die Spülluft leichter über das Fenster strömen kann. Bei der gezeigten Ausführungsform wird der Hilfsverdichter 80 unabhängig von dem Verdichter 22 angetrieben. Der Hilfsverdichter 80 kann zum Beispiel durch einen Elektromotor, eine Kolbenmaschine, eine Turbine oder andere Energiequellen angetrieben werden. Der Hilfsverdichter 80 ist dafür eingerichtet, die optische Messfühleranordnung 38 mit einem im Wesentlichen reinen Luftstrom mit einer Temperatur von unter circa 204 Grad Celsius zu versorgen; dadurch werden der bereits mit Bezug auf 1 beschriebene Wärmetauscher und Filter überflüssig. Indem der optischen Messfühleranordnung 38 ein im Wesentlichen reiner, kühler Luftstrom 47 zugeführt wird, kann das Fenster durch den Spülluftstrom gekühlt und die Ansammlung von Verschmutzungen auf der Fensteroberfläche wesentlich reduziert werden.
Da die optische Messfühleranordnung 38 außerdem aus zwei verschiedenen Quellen (z. B. Turbinenverdichter 22 und Hilfsverdichter 80) mit Luft versorgt wird, könnte das Fenster vor Verschmutzungen und erhöhten Temperaturen geschützt sein, selbst wenn eine Luftquelle nicht ordnungsgemäß funktioniert. Wenn zum Beispiel der Motor, der den Hilfsverdichter 80 antreibt, nur mit reduzierter Leistung arbeitet oder vollständig ausfällt, wird der Strom von Spülluft über das Fenster wesentlich reduziert oder sogar beendet. Da jedoch durch den Verdichter 22 die Luftschleierluft bereitgestellt wird, strömt, solange die Turbinenanlage 10 in Betrieb ist, auch Luftschleierluft um das Fenster herum. Da die Verdichterlaufschaufeln mit der Welle 19 verbunden sind, die von der Turbine 18 angetrieben wird, treibt der Heißgasstrom durch die Turbine 18 den Verdichter 22 an, wodurch die optische Messfühleranordnung 38 mit Abluft 42 versorgt wird. Bei bestimmten Ausführungsformen wird möglicherweise durch die Luftschleierluft für ausreichende Kühlung und ausreichenden Schutz vor Verschmutzungen gesorgt, um den fortgesetzten Betrieb der optischen Überwachungsanlage 36 zu ermöglichen. Wenn der Wärmetauscher 45 und/oder der Filter 46 aus der Ausführungsform, die im Vorangehenden mit Bezug auf 1 beschrieben wurde, nicht ordnungsgemäß funktionieren, kann der Luftstrom 47 zu der optischen Messfühleranordnung 38 sich verringern oder ganz aufhören. Allerdings wird möglicherweise durch die von dem Verdichter 22 gelieferte Luftschleierluft für ausreichende Kühlung und ausreichenden Schutz vor Verschmutzungen gesorgt, um den fortgesetzten Betrieb der optischen Überwachungsanlage 36 zu ermöglichen.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer optischen Messfühleranordnung 38, die in der optischen Überwachungsanlage 36 aus 1 eingesetzt werden kann. Wie gezeigt, umfasst die optische Messfühleranordnung 38 ein Mantelrohr 82, und die Spitzenanordnung 78 umfasst eine austauschbare Mantelrohr-Düsenspitze 84 und eine austauschbare Sichtrohr-Düsenspitze 86. Außerdem ist in der Sichtrohr-Düsenspitze 86 das Fenster 88 untergebracht, das zum Schutz der optischen Komponenten des Sichtrohrs vor dem heißen Gas in der Turbine 18 dient. Wie bereits erörtert, kann das Fenster 88 mit der austauschbaren Sichtrohr-Düsenspitze 86 verbunden sein, wodurch ein Austausch des Fensters 88 ohne Rekalibrierung der optischen Komponenten des Sichtrohrs erleichtert wird. Wie im Folgenden ausführlich erörtert wird, verfügt die Sichtrohr-Düsenspitze 86 über einen ringförmigen Vorsprung, der dazu dient, die Bewegung des Fensters 88 in Richtung auf das Innere der Turbine 18 zu verhindern, und die Mantelrohr-Düsenspitze 84 verfügt über einen ringförmigen Vorsprung, der dazu dient, eine Bewegung der Sichtrohr-Düsenspitze 86 in Richtung auf das Innere der Turbine 18 zu verhindern. Bei einer solchen Gestaltung könnte die Möglichkeit, dass Elemente der optischen Messfühleranordnung 38 in das Innere der Turbine gelangen, nur in wesentlich reduziertem Ausmaß oder gar nicht vorhanden sein.
Wie dargestellt, verfügt die Mantelrohr-Düsenspitze 84 über mehrere Auslassöffnungen, wie die gezeigten axialen Aussparungen 90, die dafür eingerichtet sind, Luftschleierluft um das Fenster 88 herum zu leiten. Bei der gezeigten Ausführungsform wird durch den Strom von Luftschleierluft heißes Gas von dem Fenster 88 abgelenkt und so die Ansammlung von Verschmutzungen auf der Oberfläche des Fensters 88 wesentlich reduziert. Wie bereits erörtert, ist der Verdichter 22 dafür eingerichtet, der optischen Messfühleranordnung 38 einen Strom von Luftschleierluft 42 zuzuführen, dessen Druck hoch genug ist, um einen Luftstrom in das Turbineninnere zu bewirken. Wie gezeigt, strömt die Luftschleierluft in der Richtung 92 durch eine Passage 94, die zwischen einer Außenoberfläche 95 des Mantelrohrs 82 und einer Innenoberfläche der Inspektionsöffnung 76 ausgebildet ist. Die Mantelrohr-Düsenspitze 84 steht außerdem in direktem Kontakt mit der Innenoberfläche der Inspektionsöffnung 76, so dass die Aussparungen 90 Öffnungen bilden, die zwischen der Passage 94 und dem Inneren der Turbine 18 verlaufen. Dadurch tritt aus jeder Aussparung 90 ein Strom von Luftschleierluft aus, wodurch das Fenster 88 vor dem Strom heißen Gases abgeschirmt wird.
Obwohl die dargestellten Aussparungen 90 parallel zu der Längsachse der optischen Messfühleranordnung 38 verlaufen, sollte beachtet werden, dass bei alternativen Ausführungsformen anders gestaltete Aussparungen verwendet werden können. Bei bestimmten Ausführungsformen können die Aussparungen 90 zum Beispiel so gestaltet sein, dass sie einen Luftschleier mit Drallströmung um das Fenster 88 herum erzeugen. Bei weiteren Ausführungsformen können darüber hinaus mehr oder weniger Aussparungen 90 und/oder schmalere oder breitere Aussparungen 90 verwendet werden, um einen gewünschten Luftstrom um das Fenster 88 herum zu bewirken. Die Mantelrohr-Düsenspitze 84 kann außerdem mit anderen Auslassöffnungen versehen sein, die dafür eingerichtet sind, Luftschleierluft um das Fenster 88 herum zu leiten. Bei bestimmten Ausführungsformen können sich beispielsweise Löcher zwischen der Passage 94 und dem Inneren der Turbine 18 erstrecken. Folglich tritt aus jeder Aussparung 90 und aus jedem Loch ein Strom von Luftschleierluft aus, wodurch das Fenster 88 vor dem Strom heißen Gases abgeschirmt wird. Wie bereits erörtert, kann die Mantelrohr-Düsenspitze 84 von dem Mantelrohr 82 abnehmbar sein, was die Wahl eines gewünschten Austrittsmusters für eine bestimmte Turbinenkonfiguration ermöglicht. Zum Beispiel kann eine Mantelrohr-Düsenspitze 84 mit einer größeren Anzahl von Aussparungen 90 für Turbinenanlagen 10 in sandigen/staubigen Umgebungen gewählt werden, um eine verstärkte Ablenkung von Verschmutzungspartikeln von dem Fenster 88 zu erleichtern.
Die Sichtrohr-Düsenspitze 86 verfügt darüber hinaus über mehrere Öffnungen 96, durch die ein Strom von Spülluft über das Fenster 88 geleitet wird. Der Strom von Spülluft dient zum Kühlen der dem heißen Gas 48 zugewandten Oberfläche des Fensters 88, wodurch die Betriebslebensdauer des Fensters 88 wesentlich erhöht wird. Die Kombination von Spülluft aus den Öffnungen 96 und Luftschleierluft aus den Aussparungen 90 dient außerdem dazu, Verschmutzungspartikel von dem Fenster 88 abzulenken. Dadurch kann die Ansammlung von Verschmutzungen auf der Oberfläche des Fensters 88 wesentlich reduziert werden, was die Genauigkeit der optischen Überwachungsanlage 36 verbessert. Da außerdem das Fenster 88 mit der Sichtrohr-Düsenspitze 86 verbunden ist, kann das Fenster 88 durch Austauschen der Düsenspitze 86 ersetzt werden. Folglich kann das mit einem Austausch der gesamten optischen Messfühleranordnung 38 verbundene Rekalibrierungsverfahren vermieden werden. Da die Sichtrohr-Düsenspitze 86 abnehmbar ist, kann für eine bestimmte Turbinenkonfiguration eine Düsenspitze 86 mit einem gewünschten Öffnungsmuster gewählt werden. Bei fortschrittlichen Verbrennungssystemen, die so gestaltet sind, dass sie überaus heiße Gase erzeugen, kann zum Beispiel eine Sichtrohr-Düsenspitze 86 eingesetzt werden, die über Öffnungen 96 verfügt, die für einen zusätzlichen Luftstrom über das Fenster 88 sorgen, um das Fenster 88 in einem gewünschten Betriebstemperaturbereich zu halten.
4 ist eine Schnittdarstellung der optischen Messfühleranordnung 38 aus 3 entlang der Schnittlinie 4-4. Wie bereits erörtert, kann die Sichtrohr-Düsenspitze 86 abnehmbar sein, was den Austausch des Fensters und/oder die Auswahl einer gewünschten Gestaltung der Öffnungen erleichtert. Bei der gezeigten Ausführungsform verfügt die Sichtrohr-Düsenspitze 86 über ein Gewinde 98, das dafür eingerichtet ist, mit dem Gewinde 100 des Sichtrohrs 101 in Eingriff zu kommen. Bei dieser Gestaltung kann die Sichtrohr-Düsenspitze 86 sicher befestigt und auch entfernt werden, indem die Düsenspitze 86 im Verhältnis zu dem Sichtrohr 101 gedreht wird. In ähnlicher Weise kann die Mantelrohr-Düsenspitze 84 mithilfe einer Gewindeverbindung 102 sicher an dem Mantelrohr 82 befestigt werden. Obwohl bei der gezeigten Ausführungsform Gewindeverbindungen verwendet werden, um die Sichtrohr-Düsenspitze 86 an dem Sichtrohr 101 und die Mantelrohr-Düsenspitze 84 an dem Mantelrohr 82 zu befestigen, können bei alternativen Ausführungsformen andere Verbindungssysteme (z. B. Befestigungselemente, Vorsprünge/Aussparungen usw.) verwendet werden, um jede Düsenspitze abnehmbar an einem entsprechenden Rohr zu befestigen. Bei weiteren Ausführungsformen können die Sichtrohr-Düsenspitze 86 und/oder die Mantelrohr-Düsenspitze 84 z. B. durch eine Schweißverbindung, einen Presssitz usw. an dem entsprechenden Rohr befestigt sein.
Wie bereits erörtert, ist der Verdichter 22 dafür eingerichtet, der optischen Messfühleranordnung 38 einen Strom von Luftschleierluft 42 zuzuführen, dessen Druck hoch genug ist, um einen Luftstrom in das Turbineninnere zu bewirken. Wie gezeigt, strömt die Luftschleierluft in der Richtung 92 durch eine Passage 94, die zwischen einer Außenoberfläche 95 des Mantelrohrs 82 und einer Innenoberfläche der Inspektionsöffnung 76 ausgebildet ist. Die Mantelrohr-Düsenspitze 84 steht außerdem in direktem Kontakt mit der Innenoberfläche der Inspektionsöffnung 76, so dass die Aussparungen 90 Öffnungen bilden, die zwischen der Passage 94 und dem Inneren der Turbine 18 verlaufen. Dadurch tritt aus jeder Aussparung 90 ein Strom von Luftschleierluft aus, wodurch das Fenster 88 vor dem Strom heißen Gases abgeschirmt wird. In ähnlicher Weise sind der Verdichter 22 - mithilfe des Wärmetauschers 45 und des Filters 46 - oder der Hilfsverdichter 80 dafür eingerichtet, der optischen Messfühleranordnung 38 einen Strom von Spülluft 47 zuzuführen, dessen Druck hoch genug ist, um einen Luftstrom in das Turbineninnere zu bewirken. Wie gezeigt, strömt die Spülluft in der Richtung 104 durch eine Passage 105, die zwischen einer Außenoberfläche 106 des Sichtrohrs 101 und einer Innenoberfläche 107 des Mantelrohrs 82 ausgebildet ist. Die Sichtrohr-Düsenspitze 86 steht darüber hinaus in direktem Kontakt mit der Mantelrohr-Düsenspitze 84, wodurch der Strom von Spülluft durch die Öffnungen 96 geleitet wird. Dadurch tritt aus jeder Öffnung 96 ein Strom von Spülluft radial nach innen 108 aus, wodurch das Fenster 88 gekühlt wird und Verschmutzungspartikel von dem Fenster 88 abgelenkt werden.
Die aus den Aussparungen 90 austretende Luftschleierluft strömt darüber hinaus in die Richtung 110, wodurch wiederum Verschmutzungspartikel von dem Fenster 88 abgelenkt werden. In dem Strom heißen Gases 48 können zum Beispiel partikelförmige Substanzen wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Sand, Schmutz, Schmiermittel und/oder andere Verschmutzungen vorhanden sein. Da der Druck der Luftschleierluft höher als der Druck des heißen Gases ist, wird durch den Strom von Luftschleierluft der Strom heißen Gases von dem Fenster 88 abgelenkt. Dadurch kann die Ansammlung von Verschmutzungen auf der Oberfläche des Fensters 88, das dem Inneren der Turbine 18 zugewandt ist, wesentlich reduziert werden. Da die Luftschleierluft allerdings direkt aus dem Verdichter 22 entnommen wird, kann die Luftschleierluft Schmutz und/oder Schmiermittel aus dem Verdichter 22 enthalten. Da die Luftschleierluft außerdem aus einer hinteren Stufe des Verdichters entnommen werden kann, ist die Temperatur der Luftschleierluft möglicherweise nicht niedrig genug für eine wirkungsvolle Kühlung des Fensters 88 über einen längeren Zeitraum. Folglich dient der Strom von Spülluft in der Richtung 108 über das Fenster zum Schutz des Fensters vor Verschmutzungen, die in der Luftschleierluft enthalten sein könnten, und zum Kühlen der Oberfläche des Fensters 88. Die Kombination von Luftschleierluft und Kühlluft kann dazu dienen, die Temperatur des Fensters 88 in einem gewünschten Betriebstemperaturbereich zu halten und sicherzustellen, dass die Oberfläche des Fensters 88 im Wesentlichen durchsichtig bleibt, wodurch der Betrieb der optischen Überwachungsanlage 36 erleichtert wird. Da die Spülluft und die Luftschleierluft aus unterschiedlichen Luftquellen stammen, ist das Fenster möglicherweise auch dann vor dem heißen Gas geschützt, wenn eine Luftquelle teilweise oder vollständig ausfällt.
Bei der dargestellten Ausführungsform verfügt die Sichtrohr-Düsenspitze 86 über einen ringförmigen Vorsprung 112, der dazu dient, die Bewegung des Fensters 88 in Richtung auf das Innere der Turbine zu verhindern. Folglich besteht nur eine wesentlich geringere oder gar keine Möglichkeit, dass das Fenster 88 und/oder eine in dem Sichtrohr 101 angeordnete optische Komponente in das Turbineninnere gelangen, was einen effizienten Betrieb der Turbine 18 sicherstellt. Das Mantelrohr 82 verfügt außerdem über einen ringförmigen Vorsprung 114, der dazu dient, die Bewegung der Sichtrohr-Düsenspitze 86 in Richtung auf das Innere der Turbine 18 zu verhindern. Folglich besteht nur eine wesentlich geringere oder gar keine Möglichkeit, dass die Sichtrohr-Düsenspitze 86 und/oder das Sichtrohr 101 in das Turbineninnere gelangen. Aufgrund der Kombination von ringförmigem Sichtrohr-Vorsprung 112 und ringförmigem Mantelrohr-Vorsprung 114 besteht nur eine wesentlich geringere oder gar keine Möglichkeit, dass durch die optische Messfühleranordnung 38 der Betrieb der Turbine 18 gestört werden könnte.
5 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Sichtrohr-Düsenspitze 86, die in der optischen Messfühleranordnung 38 aus 3 verwendet werden kann. Wie gezeigt, weist die Düsenspitze 86 eine erste Reihe 116 von Öffnungen 96 und eine zweite Reihe 118 von Öffnungen 96 auf. Bei der dargestellten Ausführungsform ist jede Öffnung in der ersten Reihe 116 dafür eingerichtet, die Spülluft im Wesentlichen senkrecht zu dem Fenster 88 zu leiten. Genauer ausgedrückt, enthält jede Öffnung 96 in der ersten Reihe 116 einen Einlass 120 und einen Auslass 122. Wie gezeigt, sind der Einlass 120 und der Auslass 122 auf eine Weise angeordnet, dass sie die Spülluft so leiten, dass diese radial nach innen und in einer Ebene strömt, die im Wesentlichen parallel zu der Fensteroberfläche verläuft. Jede Öffnung in der zweiten Reihe 118 ist außerdem dafür eingerichtet, den Strom von Spülluft von dem Fenster 88 axial nach au-ßen zu leiten. Genauer ausgedrückt, sind ein Einlass 124 und ein Auslass 126 jeder Öffnung 96 in der zweiten Reihe 118 dafür eingerichtet, den Spülluftstrom in Richtung auf das heiße Gas in der Turbine zu leiten. Das Schaffen einer Strömung über das Fenster 88 in Verbindung mit einer von dem Fenster 88 weg verlaufenden Strömung kann dazu dienen, das Fenster vor Verschmutzungen zu schützen und die Temperatur des Fensters in einem gewünschten Betriebstemperaturbereich zu halten.
Bei der gezeigten Ausführungsform werden zwar zwei Reihen, 116 und 118, verwendet, aber es sollte beachtet werden, dass bei alternativen Ausführungsformen mehr oder weniger Reihen von Öffnungen 96 vorhanden sein können. Bestimmte Sichtrohr-Düsenspitzen 86 können zum Beispiel 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr Reihen von Öffnungen 96 aufweisen. Es sollte außerdem beachtet werden, dass bei der dargestellten Ausführungsform zwar jede Öffnung 96 radial nach innen gerichtet ist, alternative Ausführungsformen aber auch Öffnungen enthalten können, die die Spülluft in einem Wirbelmuster leiten. Darüber hinaus sollte beachtet werden, das die Anzahl, Größe und/oder Form jeder Öffnung 96 speziell gewählt sein kann, um ein gewünschtes Strömungsmuster zu schaffen. Zum Beispiel sind bei der dargestellten Ausführungsform die Sichtrohr-Düsenspitzen 86 austauschbar, so dass für eine bestimmte Turbinenkonfiguration eine gewünschte Anordnung von Öffnungen gewählt werden kann
In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele zur Offenbarung der Erfindung verwendet - darunter die bevorzugte (beste) Ausführungsform (best mode) - die auch dazu dienen sollen, alle Fachleute in die Lage zu versetzen, die Erfindung anzuwenden, eingeschlossen die Herstellung und Verwendung jeder Vorrichtung oder jedes Systems sowie die Durchführung jedes enthaltenen Verfahrens. Der patentierbare Schutzbereich der Erfindung ist durch die Patentansprüche definiert und kann andere Beispiele einschließen, wie sie Fachleuten einfallen könnten. Derartige andere Beispiele sollen in dem Schutzbereich der Ansprüche eingeschlossen sein, wenn diese Beispiele strukturelle Elemente aufweisen, die nicht von der wörtlichen Bedeutung der Ansprüche abweichen, oder wenn sie gleichwertige strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden zur wörtlichen Bedeutung der Ansprüche aufweisen.
Bei einer Ausführungsform umfasst eine Anlage 10 ein Sichtrohr 101, das in eine Inspektionsöffnung 76 eingesetzt und für die optische Kommunikation mit dem Inneren einer Rotationsmaschine 18 eingerichtet ist. Das Sichtrohr 101 verfügt über ein Fenster 88 und mehrere Öffnungen 96, durch die Spülluft über das Fenster 88 geleitet wird. Die Anlage 10 umfasst außerdem ein Mantelrohr 82, das um das Sichtrohr 101 herum angeordnet und dafür eingerichtet ist, Spülluft aus einer ersten Luftquelle zu den Öffnungen 96 zu leiten und zwar über eine erste Passage 105, die zwischen einer Innenoberfläche 107 des Mantelrohrs (82) und einer Außenoberfläche 106 des Sichtrohrs 101 ausgebildet ist. Das Mantelrohr 82 verfügt über mehrere Auslassöffnungen, die dafür eingerichtet sind, Luft für einen Luftschleier um das Fenster 88 herum zu leiten, und das Mantelrohr 82 ist dafür eingerichtet, die Luftschleierluft aus einer zweiten Luftquelle zu den Auslassöffnungen zu leiten, und zwar über eine zweite Passage 94 die zwischen einer Außenoberfläche 95 des Mantelrohrs 82 und einer Innenoberfläche der Inspektionsöffnung 76 ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste

10: Gasturbinenanlage
12: Kraftstoffeinspritzdüse
14: Kraftstoffzufuhr
16: Brennkammer
18: Turbine
19: Welle
20: Abgasauslass
22: Verdichter
24: Einlass
26: Last
28: --
30: Luft
32: Verdichtete Luft
34: Kraftstoff-Luft-Gemisch
36: Optische Überwachungsanlage
38: Optische Messfühleranordnung
40: Detektor
42: Abluftstrom
44: Abluftstrom
45: Wärmetauscher
46: Filter
47: Strom reiner Luft
48: Heißes, unter Druck stehendes Gas
50: Axialrichtung
52: Umfangsrichtung
54: Leitschaufel der ersten Stufe
56: Laufschaufel der ersten Stufe
58: Turbinenlaufrad
60: Leitschaufel der zweiten Stufe
62: Laufschaufel der zweiten Stufe
64: Endwand
66: Radialrichtung
68: Plattform
70: Schaft
72: Dichtung
74: Turbinendeckband
76: Inspektionsöffnung
78: Spitzenanordnung
80: Hilfsverdichter
82: Mantelrohr
84: Mantelrohr-Düsenspitze
86: Sichtrohr-Düsenspitze
88: Fenster
90: Aussparung
92: Strömungsrichtung
94: Passage
95: Außenoberfläche des Mantelrohrs
96: Öffnung
98: Sichtrohr-Düsenspitzen-Gewinde
100: Sichtrohr-Gewinde
101: Sichtrohr
102: Gewindeverbindung
104: Strömungsrichtung
105: Passage
106: Sichtrohr-Außenoberfläche
107: Mantelrohr-Innenoberfläche
108: Richtung radial nach innen
110: Strömungsrichtung
112: Ringförmiger Vorsprung der Sichtrohr-Düsenspitze
114: Ringförmiger Vorsprung der Mantelrohr-Düsenspitze
116: Erste Reihe von Öffnungen
118: Zweite Reihe von Öffnungen
120: Einlass
122: Auslass
124: Einlass
126: Auslass

Claims

Anlage (10), die aufweist: ein Sichtrohr (101), das in eine Inspektionsöffnung (76) eingesetzt und für die optische Kommunikation mit dem Inneren einer Rotationsmaschine (18) eingerichtet ist; eine erste auswechselbare Düsenspitze (86), die abnehmbar an dem Sichtohr (101) befestigt ist, wobei die erste auswechselbare Düsenspitze (86) ein Fenster (88) und mehrere Öffnungen (96) aufweist, die dafür eingerichtet sind, Spülluft über das Fenster (88) zu leiten; ein Mantelrohr (82), das um das Sichtrohr (101) herum angeordnet und dafür eingerichtet ist, die Spülluft aus einer ersten Luftquelle zu den Öffnungen (96) zu leiten, und zwar über eine erste Passage (105), die zwischen einer Innenoberfläche (107) des Mantelrohrs (82) und einer Außenoberfläche (106) des Sichtrohrs (101) ausgebildet ist, und eine zweite auswechselbare Düsenspitze (84), die abnehmbar an dem Mantelrohr (82) befestigt ist, wobei die zweite auswechselbare Düsenspitze (84) mehrere Auslassöffnungen aufweist, die dafür eingerichtet sind, Spülluft um das Fenster (88) herum zu leiten, wobei das Mantelrohr (82) dafür eingerichtet ist, Luftschleierluft aus einer zweiten Luftquelle zu den Auslassöffnungen zu leiten, und zwar über eine zweite Passage (94), die zwischen einer Außenoberfläche (95) des Mantelrohrs (82) und einer Innenoberfläche der Inspektionsöffnung (76) ausgebildet ist.
Anlage (10) nach Anspruch 1, wobei die erste Luftquelle einen Luftstrom aus einem Verdichter (80) umfasst, der unabhängig von der Rotationsmaschine (18) angetrieben wird.
Anlage (10) nach Anspruch 1, wobei die erste Luftquelle einen Abluftstrom (44) aus einem Verdichter (22) umfasst, der mithilfe einer Welle (19) drehbar mit der Rotationsmaschine (18) verbunden ist, und wobei der Abluftstrom (44), bevor er in die erste Passage (105) strömt, gekühlt und/oder gefiltert wird.
Anlage (10) nach Anspruch 1, wobei die zweite Luftquelle einen Abluftstrom (42) aus einem Verdichter (22) umfasst, der mithilfe einer Welle (19) drehbar mit der Rotationsmaschine (18) verbunden ist.
Anlage (10) nach Anspruch 1, wobei die Öffnungen (96) dafür eingerichtet sind, die Spülluft radial nach innen über das Fenster (88) zu leiten.
Anlage (10) nach Anspruch 5, wobei die Öffnungen (96) eine erste Reihe (116) von Öffnungen (96) umfassen, die dafür eingerichtet sind, die Spülluft im Wesentlichen senkrecht zu dem Fenster (88) zu leiten, und eine zweite Reihe (118) von Öffnungen (96) umfassen, die dafür eingerichtet sind, die Spülluft von dem Fenster (88) aus axial nach außen zu leiten.
Anlage (10) nach Anspruch 1, wobei die erste auswechselbare Düsenspitze (86) mithilfe einer Gewindeverbindung (98, 100) abnehmbar an dem Sichtrohr (101) befestigt ist.
Anlage (10) nach Anspruch 1, wobei zumindest eine der Auslassöffnungen eine Aussparung (90) aufweist, die sich zwischen der zweiten Passage (94) und dem Inneren der Rotationsmaschine (18) erstreckt.
Anlage (10) nach Anspruch 1, wobei die erste austauschbare Düsenspitze (86) einen ringförmigen Vorsprung (112) aufweist, der dazu dient, die Bewegung des Fensters (88) in Richtung auf das Innere der Rotationsmaschine (18) zu verhindern.
Anlage (10) nach Anspruch 1, wobei die zweite austauschbare Düsenspitze (84) einen ringförmigen Vorsprung (114) aufweist, der dazu dient, die Bewegung der ersten austauschbaren Düsenspitze (86) in Richtung auf das Innere der Rotationsmaschine (18) zu verhindern.