DE102012213016A1 - Verfahren zur Minimierung des Spalts zwischen einem Läufer und einem Gehäuse - Google Patents

Verfahren zur Minimierung des Spalts zwischen einem Läufer und einem Gehäuse Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren zur Minimierung des Spalts (d) zwischen einem Läufer (120), insbesondere einer Laufschaufel (120), und einem Gehäuse (138), insbesondere einem Gehäuse (138) einer Turbine (100), wobei der Spalt (d) zwischen Läufer (120) und Gehäuse (138) einstellbar ist, insbesondere durch Verschiebung von Läufer (120) und Gehäuse (138) gegeneinander, soll den Spalt zwischen Läufer und Gehäuse auf einfache Art und Weise minimieren. Dazu wird ein Ausgangssignal eines dem Läufer (120) und/oder Gehäuse (138) zugeordneten Körperschallüberwachungssystems als Maß für die Größe des Spalts (d) und damit zur Einstellung eines minimalen Spalts (d) herangezogen.

Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren zur Minimierung des Spalts zwischen einem Läufer, insbesondere einer Laufschaufel, und einem Gehäuse, insbesondere einem Gehäuse einer Turbine, wobei der Spalt zwischen Läufer und Gehäuse einstellbar ist, insbesondere durch Verschiebung von Läufer und Gehäuse gegeneinander. Sie betrifft weiter eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine, umfassend einen Läufer, insbesondere eine Laufschaufel, und ein Gehäuse, wobei der Spalt zwischen Läufer und Gehäuse mittels einer Stelleinrichtung einstellbar ist, insbesondere durch Verschiebung von Läufer und Gehäuse gegeneinander.
  • Eine Turbine ist eine Strömungsmaschine, welche die innere Energie (Enthalpie) eines strömenden Fluids (Flüssigkeit oder Gas) in Rotationsenergie und letztlich in mechanische Antriebsenergie umwandelt. Dem Fluidstrom wird durch die möglichst wirbelfreie laminare Umströmung der Turbinenschaufeln ein Teil seiner inneren Energie entzogen, der auf die Laufschaufeln der Turbine übergeht. Über diese wird dann die Turbinenwelle in Drehung versetzt, die nutzbare Leistung wird an eine angekuppelte Arbeitsmaschine, wie beispielsweise an einen Generator, abgegeben. Laufschaufeln und Welle sind Teile des beweglichen Rotors oder Läufers der Turbine, der innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist.
  • In der Regel sind mehrere Schaufeln auf der Achse montiert. In einer Ebene montierte Laufschaufeln bilden jeweils ein Schaufelrad oder Laufrad. Die Schaufeln sind leicht gekrümmt profiliert, ähnlich einer Flugzeugtragfläche. Vor jedem Laufrad befindet sich üblicherweise ein Leitrad. Diese Leitschaufeln ragen vom Gehäuse in das strömende Medium hinein und versetzen es in einen Drall. Der im Leitrad erzeugte Drall (kinetische Energie) wird im darauffolgenden Laufrad genutzt, um die Welle, auf der die Laufradschaufeln montiert sind, in Rotation zu versetzen.
  • Leitrad und Laufrad zusammen bezeichnet man als Stufe. Oft sind mehrere solcher Stufen hintereinandergeschaltet. Da das Leitrad stillsteht, können seine Leitschaufeln sowohl am Gehäuseinneren als auch am Gehäuseäußeren befestigt sein, und somit für die Welle des Laufrads ein Lager bieten.
  • Zwischen den Leitschaufelenden des Läufers und dem Gehäuse befindet sich üblicherweise ein Spalt, der beispielsweise zur Kompensation der Wärmeausdehnung im Betrieb dient. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, soll der Spalt zwischen Schaufelende und Gehäuse jedoch minimal sein, da durch den Spalt Fluid an den Laufschaufeln vorbei strömt und somit nicht zur Energieerzeugung beiträgt.
  • Bedingt durch die konische Form der Turbine und des ihn umgebenden Gehäuses ist es möglich, durch eine Verschiebung des Läufers gegenüber dem Gehäuse mittels einer entsprechenden Stelleinrichtung die Spaltgröße zu beeinflussen. Verfahren zur Verschiebung von Rotor und Läufer sind beispielsweise aus der DE 42 23 495 und WO 00/28190 bekannt. Verfahren zur Spaltminimierung sind aus der DE 39 10 319 C2 , der DE 39 01 167 A1 und der EP 1 524 411 B1 bekannt.
  • Die Verfahren benötigen jedoch einen hohen apparativen Aufwand und/oder sind nicht sehr genau, so dass häufig in der Praxis nur eine Verschiebung des Läufers um eine feste, vorgegebene Länge zur Anwendung kommt. Um ein Anstreifen der Turbinenlaufschaufeln zu verhindern und das Betriebsrisiko nicht zu erhöhen, wurde der Verfahrweg häufig nicht weiter erhöht. Daher ist eine weitere Optimierung wünschenswert.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem der Spalt zwischen Läufer und Gehäuse auf einfache Art und Weise minimiert wird.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Ausgangssignal eines dem Läufer und/oder Gehäuse zugeordneten Körperschallüberwachungssystems als Maß für die Größe des Spalts und damit zur Einstellung eines minimalen Spalts herangezogen wird.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine besonders einfache Überwachung der Spaltgröße durch möglichst wenig invasive, in den äußeren Bereichen anzubringende Sensoren möglich wäre. Ein einfaches Signal, das bei Berührung von Läufer und Gehäuse erzeugt wird, ist der Schall, der sich zudem durch Festkörper wie z.B. ein Turbinengehäuse ausbreitet. Damit wird eine akustische Detektion von Vibrationen, die durch mit dem Gehäuse kollidierende Schaufelenden erzeugt werden, in den Außenbereichen des Gehäuses ermöglicht. Somit erlaubt ein Körperschallüberwachungssystem eine besonders einfache und technisch unaufwändige Kontrolle eines etwaigen Kontaktes von Schaufelenden und Gehäuse bei einer Verschiebung von Gehäuse und Läufer gegeneinander. Dies ermöglicht eine präzise Einstellung eines minimalen Spalts.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung ist ein Körperschallüberwachungssystem Bestandteil eines Fremdkörperdetektionssystems der Turbine. Fremdkörperdetektionssysteme kommen häufig in Turbinen zu Anwendung, um eventuell eindringende Fremdkörper oder auch absplitternde Teile der Turbine selbst frühzeitig zu erkennen und eine Abschaltung der Turbine zu veranlassen. Fremdkörperdetektionssysteme basieren auf akustischer Detektion. Daher ist es vorteilhaft, das Schallüberwachungssystem des Fremdkörperdetektionssystems in der Art einer Doppelnutzung auch zur Einstellung eines minimalen Spalts zu nutzen. Gegebenenfalls sind hierzu sogar keinerlei bauliche Eingriffe in der Turbine notwendig, sondern lediglich eine entsprechende sensor- und steuerungselektrische Anpassung.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Läufer zur Einstellung der Größe des Spalts in einer axialen Richtung gegenüber dem Gehäuse verschiebbar. Durch die typischerweise konische Form der Turbine wird dadurch eine gleichmäßige Reduzierung des Spalts über den gesamten Umfang und in jeder Turbinenstufe erreicht.
  • Vorteilhafterweise wird der Läufer so verschoben, bis gerade kein Ausgangssignale erzeugender Kontakt mehr vorhanden ist. Das heißt, der Läufer wird verschoben, bis die Turbinenlaufbeschaufelung mit dem Gehäuse in Kontakt kommt. Dieser Kontakt wird mittels Körperschallüberwachungssystem überwacht und der Verfahrweg hierdurch beschränkt. Sobald eine erste Kontaktindikation registriert wird, wird der Läufer nach gegebenenfalls kurzem Rückverschieben – gerade an der Grenze zum Kontakt fixiert.
  • In einer Turbine, insbesondere Gasturbine, umfassend einen Läufer, insbesondere eine Laufschaufel, und ein Gehäuse, wird der Spalt zwischen Läufer und Gehäuse vorteilhafterweise mittels des beschriebenen Verfahrens minimiert.
  • Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Turbine aufzuzeigen, bei der der Spalt zwischen Läufer und Gehäuse minimal ist.
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in einer Turbine dem Läufer und/oder Gehäuse ein Körperschallüberwachungssystem zugeordnet ist, das ausgangsseitig mit der Stelleinrichtung verbunden ist.
  • Auch bezüglich der Turbine ist das Körperschallüberwachungssystem vorteilhafterweise Bestandteil eines Fremdkörperdetektionssystems und/oder der Läufer zur Einstellung der Größe des Spalts ist vorteilhafterweise in einer axialen Richtung gegenüber dem Gehäuse verschiebbar ist.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Läufer, insbesondere an den Enden der Laufschaufeln zumindest teilweise verschleißbar. Das heißt, dass entsprechende Abriebstellen vorhanden sind, die für ein leichtes Berühren des Gehäuses während des Einstellprozesses ausgelegt sind. An den Abriebstellen wird dann eventuell Material abgetragen, diese sind aber so ausgelegt, dass dadurch keine strukturellen Schäden am Läufer, insbesondere der Laufschaufel entstehen. Damit kann der Läufer gefahrlos bis zum leichten, signalerzeugenden Kontakt verschoben werden, was eine optimale Spalteinstellung ermöglicht.
  • Eine Kraftwerksanlage umfasst vorteilhafterweise eine beschriebene Turbine.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Kontakterkennung zwischen Läufer und Gehäuse mittels Fremdkörpererkennungssystem eine Minimierung der radialen Spalte mit technisch besonders einfachen Mitteln ermöglicht wird. Der Wirkungsgrad der Turbine wird dadurch maximiert und die Leistung gesteigert. Dies bietet auch Vorteile hinsichtlich der Umweltverträglichkeit, da durch eine leittechnische Änderung eine deutliche Brennstoff- und Emissionseinsparung erzielt wird. Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur eine Gasturbine.
  • Die FIG zeigt eine Turbine 100, hier eine Gasturbine, in einem Längsteilschnitt. Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 (Axialrichtung) drehgelagerten Rotor 103 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer 106, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
  • Die Ringbrennkammer 106 kommuniziert mit einem ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbinenstufe 112 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
  • Die Leitschaufeln 130 sind dabei am Stator 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind. Die Laufschaufeln 120 bilden somit Bestandteile des Rotors oder Läufers 103. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
  • Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
  • Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 106 auskleidenden Hitzeschildsteinen am meisten thermisch belastet. Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, werden diese mittels eines Kühlmittels gekühlt. Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M = Fe, Co, Ni, Seltene Erden) und Wärme (Wärmedämmschicht, beispielsweise ZrO2, Y2O4 – ZrO2) aufweisen.
  • Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.
  • Auf leittechnischer Seite weist die Gasturbine 100 gemäß der FIG ein nicht näher dargestelltes Fremdkörperdetektionssystem auf. Dieses dient dazu, in die Gasturbine 100 mit der Luft 135 eindringende Fremdkörper oder aber durch Beschädigungen in der Turbine 100 losgerissene Fremdkörper zu detektieren und gegebenenfalls eine Schnellabschaltung der Turbine 100 zu veranlassen. Dazu umfasst das Fremdkörperdetektionssystem ein Körperschallüberwachungssystem, welches mit einer Vielzahl von Sensoren an Läufer 103 und Gehäuse 138 verbunden ist, die Ausgangssignale bezüglich der in der Turbine 100 entstehenden Schallschwingungen.
  • Weiterhin ist der Läufer 103 entlang der Achse 102 axial verschiebbar. Aufgrund der Konizität der Läuferspitze des Läufers 103 und des Gehäuses 138 zueinander wird durch eine Axialverschiebung des Läufers 103 oder des Gehäuses 138 der Spalt d zwischen Läufer 103, insbesondere den Laufschaufelenden, und Gehäuse 138 verringert oder vergrößert. Die Axialverschiebung erfolgt hydraulisch.
  • Durch eine axiale Verschiebung des Rotors 103 gegenüber dem Gehäuse 138 wird der bestehende Spalt d verengt und bis schließlich ein erster Kontakt hergestellt wird, der zu Vibrationen und damit zu Erzeugung von Schall führt. Dieser Schall überträgt sich durch das Gehäuse 138 und wird vom Körperschallüberwachungssystem erfasst und in entsprechende Ausgangssignale umgesetzt.
  • Je nach axialer Verschiebung der Leitschaufeln 120 gegenüber dem Gehäuse 138 wird ein mehr oder weniger starker Kontakt zwischen den Turbinenschaufeln 120 und dem Gehäuse 138 hergestellt, wodurch sich auch die Stärke des erzeugten Körperschalls und damit der Ausgangssignale ändert. So ergeben sich verschiedene Ausgangssignale in Abhängigkeit von dem Wert der Axialverschiebung.
  • Wenn ein erster Kontakt hergestellt wurde, werden die Leitschaufeln 120 fixiert oder aber – bei noch zu starkem Kontakt – wieder zurückverschoben, bis gerade kein durch ein entsprechendes Ausgangssignal angezeigter Kontakt mehr vorhanden ist. Dann ist ein minimaler Spalt d eingestellt. Diese Einstellung des minimalen Spalts kann während des Betriebs, typischerweise nach vollständiger Durchwärmung der Turbine 100 erfolgen.
  • Die Turbinenschaufel 120 weist eine äußere Verschleißschicht auf. Die äußere Verschleißschicht ist beispielsweise porös und/oder keramisch, so dass auch ein geringer Kontakt keine dauerhafte Beschädigung verursacht.
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    • WO 00/28190 [0006]
    • DE 3910319 C2 [0006]
    • DE 3901167 A1 [0006]
    • EP 1524411 B1 [0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Minimierung des Spalts (d) zwischen einem Läufer (120), insbesondere einer Laufschaufel (120), und einem Gehäuse (138), insbesondere einem Gehäuse (138) einer Turbine (100), wobei der Spalt (d) zwischen Läufer (120) und Gehäuse (138) einstellbar ist, insbesondere durch Verschiebung von Läufer (120) und Gehäuse (138) gegeneinander, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangssignal eines dem Läufer (120) und/oder Gehäuse (138) zugeordneten Körperschallüberwachungssystems als Maß für die Größe des Spalts (d) und damit zur Einstellung eines minimalen Spalts (d) herangezogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Körperschallüberwachungssystem Bestandteil eines Fremdkörperdetektionssystems ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Läufer (120) zur Einstellung der Größe des Spalts in einer axialen Richtung (102) gegenüber dem Gehäuse (138) verschiebbar ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (120) so verschoben wird, bis gerade kein Ausgangssignale erzeugender Kontakt mehr vorhanden ist.
  5. Turbine (100), insbesondere Gasturbine, umfassend einen Läufer (120), insbesondere eine Laufschaufel (120), und ein Gehäuse (138), wobei der Spalt (d) zwischen Läufer (120) und Gehäuse (138) mittels des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche minimiert wird.
  6. Turbine (100), insbesondere eine Gasturbine, umfassend einen Läufer (120), insbesondere eine Laufschaufel (120), und ein Gehäuse (138), wobei der Spalt (d) zwischen Läufer (120) und Gehäuse (138) mittels einer Stelleinrichtung einstellbar ist, insbesondere durch Verschiebung von Läufer (120) und Gehäuse (138) gegeneinander, dadurch gekennzeichnet, dass dem Läufer (120) und/oder Gehäuse (138) ein Körperschallüberwachungssystem zugeordnet ist, das ausgangsseitig mit der Stelleinrichtung verbunden ist.
  7. Turbine (100) nach Anspruch 6, bei der das Körperschallüberwachungssystem Bestandteil eines Fremdkörperdetektionssystems ist.
  8. Turbine (100) nach Anspruch 6 oder 7, bei der der Läufer (120) zur Einstellung der Größe des Spalts in einer axialen Richtung (102) gegenüber dem Gehäuse (138) verschiebbar ist.
  9. Turbine (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der der Läufer (120) zumindest teilweise verschleißbar ist.
  10. Kraftwerksanlage mit einer Turbine (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 9.
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