DE102012110498A1

DE102012110498A1 - Systeme und Verfahren zur Verwendung bei der Überwachung des Betriebs einer rotierenden Komponente

Info

Publication number: DE102012110498A1
Application number: DE102012110498A
Authority: DE
Inventors: Thomas James Batzinger; Wangming Lu; Mandar Diwakar Godbole; Aninda Bhattacharya; Vivek Venupopal Badami; Scott Mordin Hoyte; Ravi Yoganatha Babu; Jacob John Kittleson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2013-05-08
Also published as: US8505364B2; DK178488B1; JP2013096989A; DK201270678A; US20130111982A1; CN103089443A

Abstract

Es ist ein System zur Verwendung bei der Überwachung des Betriebs einer Rotoranordnung (132) geschaffen. Das System enthält mehrere Abstandssensoren (230), zu denen wenigstens ein erster Abstandssensor (240, 250) gehört, der konfiguriert ist, um einen Abstand zwischen dem ersten Sensor und einer Oberfläche (242, 252) einer Sicherungsdrahtnase (220) zu messen, und eine Überwachungseinheit (244), die mit den mehreren Abstandssensoren gekoppelt ist, wobei die Überwachungseinheit konfiguriert ist, um Messwerte von den mehreren Abstandssensoren zu empfangen und auf der Basis der empfangenen Messwerte festzustellen, ob ein Riss in der Rotoranordnung vorhanden ist.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft allgemein Überwachungssysteme und insbesondere Systeme und Verfahren zur Verwendung bei der Überwachung des Betriebs von Rotoranordnungen.
Bekannte Maschinen, wie beispielsweise Gasturbinen, umfassen Rotoranordnungen. Die Rotoranordnungen können während des Betriebs Vibrationen oder anderes Verhalten zeigen. Es können Sensoren dazu verwendet werden, ein derartiges Verhalten zu überwachen, um den Betriebszustand einer oder mehrerer Komponenten zu bestimmen. Zum Beispiel können Sensoren ein Ausmaß der in eine Motorantriebswelle eingeleiteten Schwingungen, eine Drehposition oder -verstellung der Motorantriebswelle und/oder andere Betriebseigenschaften einer Maschine oder eines Motors messen. Häufig sind Sensoren mit einem Überwachungssytem gekoppelt, das mehrere Überwachungseinrichtungen und wenigstens einen Prozessor enthält. Das Überwachungssystem empfängt Signale, die von den Sensoren erfasste Messwerte kennzeichnen.
Wenigstens einige bekannte Überwachungssysteme verwenden Schwingungssensoren, um das Vorhandensein von Rissen in einer Komponente, die überwacht wird, festzustellen. Da jedoch Schwingungssensoren nur in der Lage sein können, das Vorhandensein eines Risses zu erfassen, und nicht in der Lage sein können, die Lage eines Risses genau aufzuzeigen, sind wenigstens einige bekannte Überwachungssysteme nicht in der Lage, die Lage von Rissen genau zu bestimmen. Obwohl wenigstens einige bekannte Überwachungssysteme in dem Bestreben, die Lage von Rissen zu bestimmen, Abstandssensoren einsetzen, sind wenigstens einige derartige Überwachungssysteme aufgrund von Temperaturgrenzen der Sensoren und Raumbeschränkungen innerhalb der überwachten Maschine nicht in der Lage, eine Rotoranordnung in einer Gasturbine im Betrieb (d. h. online) zu überwachen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt ist ein System zur Verwendung bei der Überwachung eines Betriebs einer Rotoranordnung geschaffen. Das System enthält mehrere Abstandssensoren, zu denen wenigstens ein erster Abstandssensor gehört, der konfiguriert ist, um einen Abstand zwischen dem ersten Sensor und einer Oberfläche einer Sicherungsdrahtnase zu messen, und eine Überwachungseinheit, die mit den mehreren Abstandssensoren gekoppelt ist, wobei die Überwachungseinheit konfiguriert ist, um Messwerte von den mehreren Abstandssensoren zu empfangen und auf der Basis der empfangenen Messwerte festzustellen, ob ein Riss in der Rotoranordnung vorhanden ist.
In einem anderen Aspekt ist eine Überwachungseinheit zur Verwendung bei der Überwachung eines Betriebs einer Rotoranordnung geschaffen. Die Überwachungseinheit enthält eine Speichervorrichtung, die konfiguriert ist, um Messwerte zu speichern, die sie von mehreren Abstandssensoren empfangen hat, die wenigstens einen Sensor umfassen, der konfiguriert ist, um einen Abstand zwischen dem ersten Sensor und einer Oberfläche einer Sicherungsdrahtnase zu messen, und eine Verarbeitungsvorrichtung, die mit der Speichervorrichtung gekoppelt und konfiguriert ist, um auf der Basis der abgespeicherten Messwerte festzustellen, ob ein Riss in der Rotoranordnung vorhanden ist.
In einem noch weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Rotoranordnung geschaffen. Das Verfahren enthält, dass mittels wenigstens eines Abstandssensors Messwerte akquiriert werden, die den Abstand zwischen dem wenigstens einen Abstandssensor und einer Komponente der Rotoranordnung kennzeichnen, wobei der wenigstens eine Abstandssensor einen ersten Sensor enthält, der konfiguriert ist, um einen Abstand zwischen dem ersten Sensor und einer Oberfläche einer Sicherungsdrahtnase zu messen, die akquirierten Messwerte zu einer Überwachungseinheit übertragen werden und unter Verwendung der Überwachungseinheit auf der Basis der empfangenen Messwerte festgestellt wird, ob ein Riss in der Rotoranordnung vorhanden ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Turbine.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Rotoranordnung, die bei der in 1 veranschaulichten Turbine verwendet werden kann.
3 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der in 2 veranschaulichten Rotoranordnung.
4 zeigt ein Blockdiagramm einer beispielhaften Überwachungseinheit, die bei der in 2 veranschaulichten Rotoranordnung verwendet werden kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren ermöglichen eine genaue Identifizierung von Rissen in einer Rotoranordnung einer Gasturbine. Mehrere Abstandssensoren messen periodisch Abstände zu einer Komponente der Rotoranordnung. Insbesondere misst wenigstens ein Sensor einen Abstand zwischen dem Sensor und einer Oberfläche einer Sicherungsdrahtnase. Durch die mehreren Abstandssensoren aufgenommene Messwerte werden zu einer Überwachungseinheit übertragen, die die Messwerte verwendet, um festzustellen, ob irgendeine Rissbildung vorliegt. Die Überwachungseinheit kann ferner Messwerte von wenigstens zwei Abstandssensoren vergleichen, um die Lage eines Risses an der Komponente zu bestimmen.
Technische Effekte der hierin beschriebenen Verfahren und Systeme umfassen wenigstens eines der Folgenden: (a) Akquisition mit wenigstens einem Abstandssensor von Messwerten, die den Abstand zwischen dem wenigstens einen Sensor und einer Komponente der Rotoranordnung kennzeichnen, wobei der wenigstens eine Abstandssensor einen ersten Sensor enthält, der konfiguriert ist, um einen Abstand zwischen dem ersten Sensor und einer Oberfläche einer Sicherungsdrahtnase zu messen; (b) Übertragen der akquirierten Messwerte zu einer Überwachungseinheit; und (c) Feststellen, ob ein Riss in der Rotoranordnung existiert, auf der Basis der empfangenen Messwerte.
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Turbine 100. Insbesondere ist die Turbine 100 in der beispielhaften Ausführungsform eine Gasturbine. Während die beispielhafte Ausführungsform auf eine Gasturbine gerichtet ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeine spezielle Anlage oder Maschine beschränkt, und ein Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass die vorliegende Erfindung in Verbindung mit anderen Turbinen und/oder rotierenden Strukturen, die sich von einer Rotoranordnung unterscheiden, verwendet werden kann.
In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Turbine 100 einen Einlassabschnitt 112, einen Verdichterabschnitt 114 stromabwärts von dem Einlassabschnitt 112, einen Brennkammerabschnitt 116 stromabwärts von dem Verdichterabschnitt 114, einen Turbinenabschnitt 118 stromabwärts von dem Brennkammerabschnitt 116 und einen Auslassabschnitt 120. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Turbinenabschnitt 118 mit dem Verdichterabschnitt 114 über eine Rotorwelle 122 gekoppelt. Alternativ enthält die Turbine 100 keine Rotorwelle 102, die den Turbinenabschnitt 118 mit dem Verdichterabschnitt 114 koppelt. In der beispielhaften Ausführungsform enthält der Brennkammerabschnitt 116 mehrere Brennkammern 124. Der Brennkammerabschnitt 116 ist mit dem Verdichterabschnitt 114 derart gekoppelt, dass jede Brennkammer 124 mit dem Verdichterabschnitt 114 in Strömungsverbindung steht. Eine Brennstoffinjektionseinrichtung 126 ist in jeder Brennkammer 124 angeschlossen. Der Turbinenabschnitt 118 ist mit dem Verdichterabschnitt 114 und mit einer Last 128, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, einem elektrischen Generator und/oder einer mechanischen Antriebsanwendung, gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform enthält jeder Verdichterabschnitt 114 und jeder Turbinenabschnitt 118 wenigstens eine Laufradanordnung 130, die mit einer Rotorwelle 122 gekoppelt ist, um eine Rotoranordnung 132 zu bilden.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Rotoranordnung 132, die bei der (in 1 veranschaulichten) Turbine 100 verwendet werden kann. 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Rotoranordnung 132, aufgenommen entlang des Bereichs 3 (wie in 2 veranschaulicht). In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Rotoranordnung 132 ein Laufrad 202, das eine Längsachse 204 umgibt, die sich axial durch die Rotoranordnung 132 hindurch erstreckt.
Mehrere Laufschaufeln 206 sind mit dem Laufrad 202 gekoppelt, und alle erstrecken sich von dem Laufrad 202 aus radial nach außen in Richtung auf ein Außengehäuse 208 in einer Radialrichtung, die zu der Längsachse 204 senkrecht verläuft. Außerdem erstreckt sich jede Laufschaufel 206 von einer Basis 210 in Radialrichtung bis zu einer Spitze 212, und sie erstreckt sich in Axialrichtung von einer Vorderkante 214 bis zu einer Hinterkante 216. Eine Sicherungsdrahtnase 220 an der Basis 210 sichert eine axiale Position der Laufschaufel 206 in Bezug auf das Laufrad 202. Obwohl nur eine einzige Laufschaufel 206 in 2 veranschaulicht ist, enthält die Rotoranordnung 132 mehrere Laufschaufeln 206, die mit dem Laufrad 202 gekoppelt sind und sich von diesem radial nach außen weg erstrecken. An sich rotieren während eines Betriebs das Laufrad 202 und die Laufschaufel 206 simultan um die Längsachse 204.
Die Rotoranordnung 132 enthält ferner einen oder mehrere Abstandssensoren 230, die jeweils eine relative Position der Sicherungsdrahtnase 220 und/oder der Laufschaufel 206 überwachen, um eine Feststellung zu ermöglichen, ob sich an irgendwelchen Sicherungsdrahtnasen 220 und/oder Laufschaufeln 206 irgendwelche Risse entwickelt haben, wie dies in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben ist.
In der beispielhaften Ausführungsform sind die Abstandssensoren 230 kapazitive Messsonden, die eine relativ hohe Temperaturtoleranz aufweisen. Demgemäß messen die Abstandssensoren 230 jeweils einen Abstand zu einer Oberfläche einer Komponente auf der Basis einer erfassten Kapazität. Alternativ können die Abstandssensoren 230 von einer beliebigen anderen Sensorbauart sein, die der Rotoranordnung 132 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren. Während die Abstandssensoren 230 in der beispielhaften Ausführungsform eine Position und Verlagerung oder Verschiebung der Sicherungsdrahtnase 220 und/oder der Laufschaufeln 206 messen, können die Abstandssensoren 230 eine Position und Verlagerung bzw. Verschiebung jeder beliebigen Oberfläche und/oder Einrichtung irgendeiner Komponente in der Rotoranordnung 132 messen, die der Rotoranordnung 132 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren. Zum Beispiel können die Abstandssensoren 230 eine Position und Verlagerung oder Verschiebung von anderen Einrichtungen oder Merkmalen in der Nähe der Basis 210 als der Sicherungsdrahtnase 220 messen.
Ein erster Sensor 240 der Abstandssensoren 230 ist positioniert, um eine radiale Position und Verlagerung der Sicherungsdrahtnase 220 zu messen. Insbesondere misst der Sensor 240 einen radialen Abstand D₁ zwischen dem ersten Sensor 240 und einer ersten Oberfläche 242 der Sicherungsdrahtnase 220. Die erste Oberfläche 242 verläuft im Wesentlichen parallel zu der Längsachse 204, und der erste Sensor 240 ist mit einer Überwachungseinheit 244 über ein erstes Kabel 246 gekoppelt. Die Überwachungseinheit 244 verarbeitet von den Abstandssensoren 230 empfangene Daten, wie dies in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben ist. Messwerte von dem ersten Sensor 240 werden zu der Überwachungseinheit 244 über das erste Kabel 246 übertragen. Das erste Kabel 246 kann ferner Strom zu dem ersten Sensor 240 liefern. In der beispielhaften Ausführungsform ist der erste Sensor 240 mit einer Leitapparatdichtung 248 gekoppelt, und das erste Kabel 246 führt durch die Leitapparatdichtung 248, eine Leitschaufel und das Außengehäuse 208 hindurch, um die Überwachungseinheit 244 zu erreichen. Alternativ weisen der erste Sensor 240 und das erste Kabel 246 eine beliebige relative Position und/oder Ausrichtung auf, die der Rotoranordnung 132 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
Ein zweiter Sensor 250 der Abstandssensoren 230 misst eine axiale Position und Verlagerung der Sicherungsdrahtnase 220. Insbesondere misst der zweite Sensor 250 einen axialen Abstand D₂ zwischen dem zweiten Sensor 250 und einer zweiten Oberfläche 252 der Sicherungsdrahtnase 220. Der zweite Sensor 250 ist mit der Überwachungseinheit 244 über ein zweites Kabel 256 gekoppelt. Messwerte von dem zweiten Sensor 250 werden zu der Überwachungseinheit 244 über das zweite Kabel 256 übertragen. Das zweite Kabel 256 kann auch Strom zu dem zweiten Sensor 250 liefern. In der beispielhaften Ausführungsform ist der zweite Sensor 250 mit der Leitapparatdichtung 248 gekoppelt, und das zweite Kabel 256 führt durch die Leitapparatdichtung 248, eine Leitschaufel und das Außengehäuse 208 hindurch, um die Überwachungseinheit 244 zu erreichen. Alternativ weisen der zweite Sensor 250 und das zweite Kabel 256 eine beliebige relative Position und/oder Ausrichtung auf, die der Rotoranordnung 132 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
Ein dritter Sensor 260 misst eine radiale Position und Verlagerung der Spitze 212 benachbart zu der Vorderkante 214. Insbesondere misst der dritte Sensor 260 einen radialen Abstand D₃, der zwischen dem dritten Sensor 260 und der Spitze 212 definiert ist. Der dritte Sensor 260 ist mit der Überwachungseinheit 244 über ein drittes Kabel 266 gekoppelt. Messwerte von dem dritten Sensor 260 werden zu der Überwachungseinheit 244 über das dritte Kabel 266 übertragen. Das dritte Kabel 266 kann ferner Strom zu dem dritten Sensor 260 liefern. In der beispielhaften Ausführungsform ist der dritte Sensor 260 mit dem Außengehäuse 208 gekoppelt, und das dritte Kabel 266 führt durch das Außengehäuse 208 hindurch. Alternativ weisen der dritte Sensor 260 und das dritte Kabel 266 eine beliebige relative Position und/oder Ausrichtung auf, die der Rotoranordnung 132 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
Ein vierter Sensor 270 misst eine radiale Position und Verlagerung der Spitze 212 benachbart zu der Hinterkante 216. Insbesondere misst der vierte Sensor 270 einen radialen Abstand D₄ zwischen dem vierten Sensor 270 und der Spitze 212. Der vierte Sensor 270 ist mit der Überwachungseinheit 244 über ein viertes Kabel 276 gekoppelt. Messwerte von dem vierten Sensor 270 werden zu der Überwachungseinheit 244 über das vierte Kabel 276 übertragen. Das vierte Kabel 276 kann ferner Strom zu dem vierten Sensor 270 liefern. In der beispielhaften Ausführungsform ist der vierte Sensor 270 mit dem Außengehäuse 208 gekoppelt, und das vierte Kabel 276 führt durch das Außengehäuse 208 hindurch. Alternativ weisen der vierte Sensor 270 und das vierte Kabel 276 eine beliebige relative Position und/oder Ausrichtung auf, die der Rotoranordnung 132 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
Da in der beispielhaften Ausführungsform die erste und die zweite Oberfläche 242 und 252 im Wesentlichen kontinuierlich sind, wenn die Rotoranordnung 132 rotiert, sind der erste und der zweite Sensor 240 und 250 amplitudenmodulierte kapazitive Messsonden. Bei amplitudenmodulierten kapazitiven Messsonden steigt die Ausgangsspannung der kapazitiven Sonde, wenn der Abstand zunimmt. Andererseits ist aufgrund des Zwischenraums zwischen benachbarten Laufschaufeln 206 die Oberfläche der Spitze 212 diskontinuierlich, wie sie durch den dritten und den vierten Sensor 260 und 270 gemessen wird, wenn die Rotoranordnung 132 rotiert. Demgemäß sind in der beispielhaften Ausführungsform der dritte und der vierte Sensor 260 und 270 frequenzmodulierte kapazitive Messsonden. Bei frequenzmodulierten kapazitiven Sonden nimmt die Ausgangsspannung der kapazitiven Sonde ab, wenn der Abstand zunimmt. Amplitudenmodulierte und frequenzmodulierte kapazitive Sonden können unter Verwendung beliebiger Verfahren kalibriert werden, die den Abstandssensoren 230 ermöglichen, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
Während die beispielhafte Ausführungsform vier Abstandssensoren 230 enthält, kann die Rotoranordnung 132 eine beliebige Anzahl von Abstandssensoren 230 enthalten, die der Rotoranordnung 132 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren. In der beispielhaften Ausführungsform messen die Abstandssensoren 230 periodisch die Position und Verlagerung der Laufschaufel 206. Alternativ können die Abstandssensoren 230 kontinuierlich die Position und Verlagerung der Laufschaufel 206 messen. Während in der beispielhaften Ausführungsform die Abstandssensoren 230 die Messwerte zu der Überwachungseinheit 244 über Kabel 246, 256, 266 bzw. 276 weiterleiten, können die Abstandssensoren 230 die Messwerte zu der Überwachungseinheit auch drahtlos übertragen.
4 zeigt ein Blockdiagramm einer beispielhaften Überwachungseinheit 400, wie beispielsweise der (in 2 veranschaulichten) Überwachungseinheit 244, die verwendet werden kann, um die (in 2 veranschaulichte) Rotoranordnung 132 hinsichtlich einer Rissbildung zu überwachen. Die Überwachungseinheit 400 enthält wenigstens eine Speichervorrichtung 410 und einen Prozessor 415, der mit der Speichervorrichtung 410 gekoppelt ist, um Instruktionen auszuführen. In einigen Ausführungsformen sind ausführbare Instruktionen in der Speichervorrichtung 410 gespeichert. Die Überwachungseinheit 400 führt eine oder mehrere hierin beschriebene Operationen durch Programmierung des Prozessors 415 aus. Zum Beispiel kann der Prozessor 415 programmiert werden, indem eine Operation als eine oder mehrere ausführbare Instruktionen kodiert wird und die ausführbaren Instruktionen in der Speichervorrichtung 410 bereitgestellt werden. Der Prozessor 415 kann eine oder mehrere Verarbeitungseinheiten (z.B. in einer Multi-Kern-Konfiguration) enthalten.
Die Speichervorrichtung 410 ist durch eine oder mehrere Vorrichtungen gebildet, die es ermöglichen, dass Informationen, wie beispielsweise ausführbare Instruktionen und/oder andere Daten, gespeichert und abgerufen werden können. Die Speichervorrichtung 410 kann ein oder mehrere Computer lesbare Medien, wie beispielsweise, jedoch ohne Beschränkung, dynamische Speicher mit wahlfreiem Zugriff (DRAM), statische Speicher mit wahlfreiem Zugriff (SRAM), eine Halbleiterscheibe (Solid State Disk) und/oder eine Festplatte, enthalten. Die Speichervorrichtung 410 kann konfiguriert sein, um, ohne Beschränkung, einen Anwendungsquellencode, Anwendungsobjektcode, interessierende Quellencodeteile, interessierende Objektcodeteile, Konfigurationsdaten, Ausführungsereignisse und/oder beliebige sonstige Arten von Daten zu speichern.
In einigen Ausführungsformen enthält die Überwachungseinheit 400 eine Präsentationsschnittstelle 420, die mit dem Prozessor 415 gekoppelt ist. Die Präsentationsschnittstelle 420 präsentiert Informationen, wie beispielsweise Anwendungsquellencode- und/oder Ausführungsereignisse für einen Benutzer 425. Zum Beispiel kann die Präsentationsschnittstelle 420 einen Anzeigeadapter (nicht veranschaulicht) enthalten, der mit einer Anzeigevorrichtung, wie beispielsweise einem Kathodenstrahlröhrenbildschirm (CRT), einer Flüssigkristallanzeige (LCD), einer organischen LED(OLED)-Anzeige und/oder einer Anzeige mit „elektronischer Tinte“, gekoppelt sein kann. In einigen Ausführungsformen enthält die Präsentationsschnittstelle 420 eine oder mehrere Anzeigevorrichtungen.
In einigen Ausführungsformen enthält die Überwachungseinheit 400 eine Eingabeschnittstelle 430, wie beispielsweise eine Benutzereingabeschnittstelle 435. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Benutzereingabeschnittstelle 435 mit dem Prozessor 415 gekoppelt und empfängt Eingaben von dem Benutzer 425. Die Benutzereingabeschnittstelle 435 kann z.B. eine Tastatur, eine Zeigervorrichtung, eine Maus, einen Stift, ein berührungsempfindliches Feld (z.B. ein Touchpad oder einen Berührungsbildschirm), ein Gyroskop, einen Beschleunigungsmesser, einen Positionsdetektor und/oder eine Audio-Benutzereingabeschnittstelle enthalten. Eine einzige Komponente, wie beispielsweise ein Berührungsbildschirm, kann sowohl als eine Anzeigevorrichtung der Präsentationsschnittstelle 420 als auch als eine Benutzereingabeschnittstelle 435 funktionieren.
In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Überwachungseinheit 400 eine Kommunikationsschnittstelle 440, die mit dem Prozessor 415 gekoppelt ist. Die Kommunikationsschnittstelle 440 kommuniziert mit einer oder mehreren entfernten Vorrichtungen. In der beispielhaften Ausführungsform kommuniziert die Kommunikationsschnittstelle 440 mit den Abstandssensoren 230. Um mit entfernten Vorrichtungen zu kommunizieren, kann die Kommunikationsschnittstelle 440 z.B. einen Adapter für ein drahtgebundenes Netzwerk, einen Adapter für ein drahtloses Netzwerk und/oder einen Adapter für mobile Telekommunikationen enthalten.
Messwerte von den Abstandssensoren 230 werden von der Überwachungseinheit 244 empfangen und in der Speichervorrichtung 410 gespeichert. Um festzustellen, ob Risse in der Laufschaufel 206 vorhanden sind, analysiert und verarbeitet der Prozessor 415 Messwerte, die in der Speichervorrichtung 410 abgespeichert sind. In der beispielhaften Ausführungsform analysiert der Prozessor 415 Messwerte für jeden Abstandssensor 230 im Verlauf der Zeit. Alternativ analysiert der Prozessor 415 Messwerte auf eine beliebige Weise, die eine Erfassung von Rissen in der Laufschaufel 206 ermöglicht.
In der beispielhaften Ausführungsform überwacht der Prozessor 415 Messwerte für jeden Abstandssensor 230 einzeln. Zum Beispiel kann der Prozessor 415 den Abstand D₁ im Zeitverlauf überwachen, wie er durch den ersten Sensor 240 gemessen wird. Falls der Prozessor 415 feststellt, dass der Abstand D₁ über die Zeit hinweg zunimmt, kann ein derartiger Trend anzeigen, dass die erste Oberfläche 242 der Sicherungsdrahtnase von dem ersten Sensor 240 weg zieht und dass folglich ein Riss in der Sicherungsdrahtnase 220 gerade entstehen kann und/oder entstanden sein kann. Ähnlich kann, falls der Prozessor 415 feststellt, dass der Abstand D₁ im Zeitverlauf abnimmt, ein Riss in der Sicherungsdrahtnase 220 gerade entstehen und/oder entstanden sein. Demgemäß können Messwerte von einem einzigen Abstandssensor 230 dazu verwendet werden, um das Vorhandensein und/oder die Lage eines Risses festzustellen.
In der beispielhaften Ausführungsform vergleicht der Prozessor 415 ferner von mehreren Sensoren 230 empfangene Messwerte, um die Lage eines möglichen Risses zu bestimmen. Auf der Basis der empfangenen Messwerte kann der Prozessor 415 insbesondere die axiale Lage eines Risses (d. h. ob sich der Riss in der Nähe der Vorderkante 214 oder der Hinterkante 216 befindet) sowie die radiale Lage des Risses feststellen (d. h. ob sich der Riss in der Sicherungsdrahtnase 220 oder der Laufschaufel 206 befindet). Zum Beispiel kann der Prozessor von dem dritten Sensor 260 gemessene Daten mit von dem vierten Sensor 270 gemessenen Daten vergleichen. Falls z.B. der Abstand D₃ im Zeitverlauf zunimmt, während der Abstand D₄ im Zeitverlauf abnimmt, können derartige Daten anzeigen, dass die Laufschaufel 206 sich in Richtung auf die Vorderkante 214 verschiebt oder kippt und dass eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass sich ein Riss entlang der Hinterkante 216 der Laufschaufel entwickelt haben kann. Ähnlich ist es für den Fall, dass der Abstand D₃ im Zeitverlauf abnimmt, während der Abstand D₄ im Zeitverlauf zunimmt, wahrscheinlich, dass ein Riss entlang der Vorderkante 214 der Laufschaufel entstanden sein kann. In einem noch weiteren Beispiel ist es für den Fall, dass die Abstände D₃ und D₄ sich im Zeitverlauf verändern, jedoch die Abstände D₁ und D₂ konstant bleiben, wahrscheinlich, dass sich ein Riss in der Laufschaufel 206, aber nicht in der Sicherungsdrahtnase 220 entwickelt haben kann.
Demgemäß kann der Prozessor 415 durch Analyse der Messwerte von den Abstandssensoren 230 die Existenz eines Risses in der Laufschaufel 206 und/oder der Sicherungsdrahtnase 220 sowie eine ungefähre Lage des Risses feststellen. Das heißt, der Prozessor 415 kann Messwerte von einer beliebigen Anzahl von Abstandssensoren 230 überwachen und/oder vergleichen, um das Vorhandensein und/oder die Lage eines Risses zu bestimmen. Zum Beispiel kann der Prozessor 415 Messwerte von dem ersten Sensor 240 und dem zweiten Sensor 250 miteinander vergleichen, um die Lage eines Risses innerhalb der Sicherungsdrahtnase 220 festzustellen. Außerdem können andere Daten, die mit der Rotoranordnung 132 im Zusammenhang stehen, wie beispielsweise Druck-, Temperatur- und/oder Schwingungsdaten, für eine weitere Analyse mit den Messwerten von den Abstandssensoren 230 kombiniert werden.
In einigen Ausführungsformen wird ein Basislinien-Abstand (Bezugsabstand) für jeden Abstandssensor 230 in der Speichervorrichtung 410 gespeichert. Ferner kann jeder Abstandssensor 230 einen anderen Basislinien-Abstand für jeden von mehreren Betriebszuständen aufweisen. Die Betriebszustände können durch Betriebsparameter, wie z.B. erzeugte Leistung, ein Hubverhältnis, eine Turbinendrehzahl, einen Einlassleitschaufelwinkel und eine geschätzte Feuerungstemperatur, gekennzeichnet sein. Derartige Betriebsparameter können überwacht und gespeichert werden, um den anwendbaren Betriebszustand zu bestimmen. Wenn Messwerte von einem gegebenen Abstandssensor 230 von dem zugehörigen Basislinien-Messwert abweichen, kann der Prozessor 415 eine entsprechende Gefahrenstufe festsetzen. Zum Beispiel kann der Prozessor 415 in einer Ausführungsform eine geringere „Beobachtungs“-Gefahrenstufe, wenn Messwerte von der Basislinie um drei oder mehrere Standardabweichungen abweichen, eine mäßige „Warn“-Gefahrenstufe, wenn Messwerte um viereinhalb und mehrere Standardabweichungen abweichen, und eine hohe „Alarm“-Gefahrenstufe generieren, wenn Messwerte um sechs oder mehrere Standardabweichungen abweichen. Die Schwellenwerte für die Gefahrenstufen können auch durch Finite-Elemente-Modellierung und/oder Beobachtung der Rotoranordnung 132 bestimmt werden. Geeignete Alarme können durch den Prozessor 415 auf der Basis der Gefahrenstufe erzeugt werden. Ferner können Alarme von mehreren Sensoren 230 miteinander kombiniert werden, um einen Verbundalarm für die Rotoranordnung 132 zu generieren.
Wenn der Prozessor 415 in der beispielhaften Ausführungsform durch Analyse von Messwerten von den Abstandssensoren 230 unter Verwendung eines oder mehrerer der hierin beschriebenen Verfahren einen Riss in der Laufschaufel 206 detektiert, generiert der Prozessor 415 einen Alarm, um einen Bediener über die Möglichkeit eines Risses zu benachrichtigen. Der Alarm kann eine beliebige akustische und/oder visuelle Anzeige enthalten, die den Benutzer 425 über die Existenz und/oder Lage eines Risses benachrichtigt. Zum Beispiel kann der Alarm wenigstens eines der Folgenden enthalten: einen durch die Präsentationsschnittstelle 420 erzeugten Ton und/oder ein Icon, ein Symbol und/oder eine Meldung, das bzw. die auf der Präsentationsschnittstelle 420 angezeigt wird. Der Alarm kann ferner ein elektronischer Alarm (z.B. eine Textmeldung) sein, der zu einer mobilen Vorrichtung gesandt wird.
Der Prozessor 415 kann ferner dazu verwendet werden, andere Anomalien als Risse in der Rotoranordnung 132 zu detektieren, indem er Messwerte von den Abstandssensoren 230 analysiert. Zum Beispiel kann der Prozessor 415 durch Analyse von Messwerten von dem ersten und/oder dem zweiten Sensor 240 und 250 feststellen, dass die Sicherungsdrahtnase 220 gerade versagt oder ausfällt und/oder dass ein Sicherungsdraht der Sicherungsnase verrutscht ist. Ähnlich wie oben kann der Prozessor 415, wenn er einen Ausfall einer oder mehrerer Komponenten der Sicherungsdrahtnase 220 detektiert, einen entsprechenden Alarm generieren. Ein Bediener, der den Alarm empfängt, kann eine geeignete Maßnahme ergreifen, um einen Schaden an der Rotoranordnung 132 zu verhindern.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen ermöglichen es, dass Risse in einer Rotoranordnung einer Gasturbine genau identifiziert werden können. Mehrere Abstandssensoren messen periodisch Abstände zu einer Komponente der Rotoranordnung. Insbesondere misst wenigstens ein Sensor einen Abstand zwischen dem Sensor und einer Oberfläche einer Sicherungsdrahtnase. Von den mehreren Abstandssensoren erfasste Messwerte werden zu einer Überwachungseinheit übertragen, die die Messwerte verwendet um festzustellen, ob irgendeine Rissbildung vorliegt. Die Überwachungseinheit kann ferner Messwerte von wenigstens zwei Abstandssensoren vergleichen, um die Lage eines Risses an der Komponente zu bestimmen.
Im Vergleich zu wenigstens einigen bekannten Überwachungssystemen ermöglichen die hierin beschriebenen Überwachungssysteme eine Identifikation von Rissen in einer Rotoranordnung, während sich die Rotoranordnung im Betrieb (d. h. online) befindet. Außerdem sind wenigstens einige bekannte Überwachungssysteme in der Lage, die Existenz eines Risses festzustellen, aber nicht in der Lage, die Lage des Risses zu bestimmen. Im Gegensatz hierzu ermöglichen die hierin beschriebenen Ausführungsformen die Feststellung einer Existenz und einer Lage eines Risses. Anders als wenigstens einige bekannte Überwachungssysteme, die nur den Schaufelabstand messen, messen die hierin beschriebenen Überwachungssysteme außerdem auch genau Abstände zu einer Sicherungsdrahtnase.
Die hierin beschriebenen Verfahren und Systeme sind nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Zum Beispiel können Komponenten jedes Systems und/oder Schritte jedes Verfahrens unabhängig und gesondert von anderen hierin beschriebenen Komponenten und/oder Schritten verwendet und/oder ausgeführt werden. Außerdem kann jede Komponente und/oder jeder Schritt auch bei anderen Systemen, Vorrichtungen und Verfahren verwendet und/oder ausgeführt werden.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
Während die Erfindung anhand verschiedener spezieller Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass die Erfindung innerhalb des Rahmens und Umfangs der Ansprüche mit Modifikationen umgesetzt werden kann.
Es ist ein System zur Verwendung bei der Überwachung des Betriebs einer Rotoranordnung 132 geschaffen. Das System enthält mehrere Abstandssensoren 230, zu denen wenigstens ein erster Abstandssensor 240, 250 gehört, der konfiguriert ist, um einen Abstand zwischen dem ersten Sensor und einer Oberfläche 242, 252 einer Sicherungsdrahtnase 220 zu messen, und eine Überwachungseinheit 244, die mit den mehreren Abstandssensoren gekoppelt ist, wobei die Überwachungseinheit konfiguriert ist, um Messwerte von den mehreren Abstandssensoren zu empfangen und auf der Basis der empfangenen Messwerte festzustellen, ob ein Riss in der Rotoranordnung vorhanden ist.
Bezugszeichenliste

100: Turbine
102: Rotorwelle
112: Einlassabschnitt
114: Verdichterabschnitt
116: Brennkammerabschnitt
118: Turbinenabschnitt
120: Auslassabschnitt
122: Rotorwelle
124: Brennkammer
126: Brennstoffinjektionseinrichtung
128: Last
130: Laufradanordnung
132: Rotoranordnung
202: Laufrad
204: Längsachse
206: Laufschaufel
208: Außengehäuse
210: Basis
212: Spitze
214: Vorderkante
216: Hinterkante
220: Sicherungsdrahtnase
230: Abstandssensoren
240: Erster Sensor
242: Erste Oberfläche
244: Überwachungseinheit
246: Erstes Kabel
248: Leitapparatdichtung
250: Zweiter Sensor
252: Zweite Oberfläche
256: Zweites Kabel
260: Dritter Sensor
266: Drittes Kabel
270: Vierter Sensor
276: Viertes Kabel
400: Überwachungseinheit
410: Speichervorrichtung
415: Prozessor
420: Präsentationsschnittstelle
425: Benutzer
430: Eingabeschnittstelle
435: Benutzereingabeschnittstelle
440: Kommunikationsschnittstelle

Claims

System zur Verwendung bei der Überwachung des Betriebs einer Rotoranordnung (132), wobei das System aufweist: mehrere Abstandssensoren (230), die wenigstens einen erster Abstandssensor (240, 250) aufweisen, der konfiguriert ist, um einen Abstand zwischen dem ersten Sensor und einer Oberfläche (242, 252) einer Sicherungsdrahtnase (220) zu messen; und eine Überwachungseinheit (244), die mit den mehreren Abstandssensoren gekoppelt ist, wobei die Überwachungseinheit konfiguriert ist, um: Messwerte von den mehreren Abstandssensoren zu empfangen; und auf der Basis der empfangenen Messwerte festzustellen, ob ein Riss in der Rotoranordnung existiert.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Sensor (240) einen Sensor aufweist, der positioniert ist, um einen Abstand zwischen dem ersten Sensor und einer Oberfläche (242) der Sicherungsdrahtnase (220) zu messen, die im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse (204) der Rotoranordnung (132) ausgerichtet ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Sensor (250) einen Sensor aufweist, der positioniert ist, um einen Abstand zwischen dem Sensor und einer Oberfläche (252) der Sicherungsdrahtnase (220) zu messen, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse (204) der Rotoranordnung ausgerichtet ist.
System nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Abstandssensoren (230) ferner wenigstens einen zweiten Sensor (260, 270) aufweisen, der positioniert ist, um einen Abstand zwischen dem zweiten Sensor und einer Oberfläche (212) einer Laufschaufel (206) zu messen, die mit der Rotoranordnung (132) gekoppelt ist.
System nach Anspruch 4, wobei der zweite Sensor (260) einen Sensor aufweist, der positioniert ist, um einen Abstand zwischen dem zweiten Sensor und einer Spitze (212) der Laufschaufel (206) benachbart zu einer Vorderkante (214) der Laufschaufel (206) zu messen.
System nach Anspruch 4 oder 5, wobei der zweite Sensor (270) einen Sensor aufweist, der positioniert ist, um einen Abstand zwischen dem zweiten Sensor und einer Spitze (212) der Laufschaufel (206) benachbart zu einer Hinterkante (216) der Laufschaufel (206) zu messen.
System nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überwachungseinheit (244) ferner konfiguriert ist, um Messwerte von wenigstens zwei der mehreren Abstandssensoren (230) zu vergleichen, um eine Lage eines Risses in der Rotoranordnung (132) zu bestimmen.
System nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überwachungseinheit (244) konfiguriert ist, um einen Alarm zu generieren, wenn ein Riss detektiert wird.
Überwachungseinheit (400) zur Verwendung bei der Überwachung eines Betriebs einer Rotoranordnung (132), wobei die Überwachungseinheit aufweist: eine Speichervorrichtung (410), die konfiguriert ist, um Messwerte zu speichern, die von mehreren Abstandssensoren (230) empfangen werden, die wenigstens einen ersten Sensor (240, 250) enthalten, der konfiguriert ist, um einen Abstand zwischen dem ersten Sensor und einer Oberfläche (242, 252) einer Sicherungsdrahtnase (220) zu messen; und eine Verarbeitungsvorrichtung (415), die mit der Speichervorrichtung gekoppelt und konfiguriert ist, um auf der Basis der abgespeicherten Messwerte festzustellen, ob ein Riss in der Rotoranordnung vorhanden ist.
Überwachungseinheit (400) nach Anspruch 9, wobei die Speichervorrichtung (410) konfiguriert ist, um Messwerte von einem ersten Sensor (240) zu speichern, der positioniert ist, um einen Abstand zwischen dem ersten Sensor und einer Oberfläche (242) der Sicherungsdrahtnase (220) zu messen, die im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse (204) der Rotoranordnung (132) ausgerichtet ist.