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Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine, umfassend einen Läufer, ein durch einen Spalt vom Läufer beabstandetes Gehäuse und ein Körperschallüberwachungssystem. Sie betrifft weiter ein Verfahren zur Anstreiferkennung in einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine, umfassend einen Läufer, ein durch einen Spalt vom Läufer beabstandetes Gehäuse und ein Körperschallüberwachungssystem.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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. In der Praxis findet typischerweise nur eine Verschiebung des Läufers um eine feste, vorgegebene Länge, z. B. 2,4 oder 3,0 mm statt. Auch ist bekannt, Körperschallüberwachungssysteme einzusetzen, um ein Anstreifen der Turbine mittels der Detektion der durch ein Anstreifen des Läufers am Gehäuse erzeugten Schwingungen dynamisch zu erkennen und den Spalt so durch weiteres Verfahren zu optimieren.
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Die bisher bekannten Systeme erlauben jedoch nur ein prinzipielles Erkennen eines Anstreifens. Für eine weitere Spaltoptimierung z. B. auch kurz nach Anlagenstart, wenn die Turbine noch nicht vollständig durchgewärmt ist, wäre es jedoch wünschenswert, das Anstreifen möglichst exakt lokalisieren zu können.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Turbine und ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, die eine Lokalisierung eines Anstreifens von Läufer und Gehäuse mit möglichst geringem technischem Aufwand erlauben.
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Bezüglich der Turbine wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem in einem ersten und einem zweiten axialen Bereich jeweils ein oder mehrere nach innen gerichtete Anstreifzähne des Gehäuses und ein oder mehrere nach außen gerichtete Anstreifkanten des Läufers angeordnet sind, und wobei der oder die Anstreifzähne und der oder die Anstreifkanten derart entlang des Umfangs verteilt sind, dass eine Berührung der jeweiligen Anstreifzähne und Anstreifkanten bei einer vorgegebenen Drehfrequenz des Läufers im ersten axialen Bereich mit einer anderen Frequenz als im zweiten axialen Bereich erfolgt.
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Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst, indem durch das Körperschallüberwachungssystem beim Überschreiten einer Grenzamplitude einer ersten, von der Drehfrequenz des Läufers abgeleiteten Frequenz eine Berührung in einem ersten axialen Bereich festgestellt wird, und beim Überschreiten einer zweiten von der Drehfrequenz des Läufers abgeleiteten und bei der gleichen Drehfrequenz des Läufers zur ersten Frequenz unterschiedlichen Frequenz eine Berührung in einem zweiten axialen Bereich festgestellt wird.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine technisch besonders Lokalisierung des Anstreifens erreichbar wäre, wenn dies allein durch das Körperschallüberwachungssystem möglich wäre, ohne dass zusätzliche Sensoren notwendig wären. Dazu müssten Anstreifereignisse verschiedener Orte anhand der durch sie erzeugten Körperschwingungen unterscheidbar sein, so dass ein bestimmtes Körperschallsignal einem bestimmten Ort zuordbar ist. Ein einfach unterscheidbarer Parameter ist hierbei die Frequenz des Signals. Dieses ist von der aktuellen Drehfrequenz abhängig, kann jedoch dadurch modifiziert werden, dass am Läufer entsprechende Anstreifkanten und am Gehäuse entsprechende Anstreifzähne positioniert werden. Je nach Ausgestaltung der Kanten und Zähne ergibt sich beim Anstreifen so ein charakteristisches Signal. Indem die Kanten und Zähne so angeordnet werden, dass sie in unterschiedlichen axialen Bereichen unterschiedliche Frequenzen erzeugen, ist das Anstreifen in axialer Richtung lokalisierbar.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Turbine ist im ersten und im zweiten Bereich eine unterschiedliche Anzahl von Anstreifkanten gleichmäßig entlang des Umfangs des Läufers angeordnet. Eine gleichmäßig verteilte Anzahl von Anstreifkanten ergibt nämlich hinsichtlich des Verfahrens vorteilhafterweise eine Körperschwingung mit einer Frequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches der Drehfrequenz beträgt. Werden z. B. in einem ersten axialen Bereich drei Anstreifkanten und in einem zweiten axialen Bereich vier Anstreifkanten am Läufer positioniert, wird ein Signal mit der dreifachen bzw. der vierfachen Frequenz der Drehfrequenz im jeweiligen Bereich beim Anstreifen erzeugt. Die beiden Signale sind daher besonders gut unterscheidbar und ein Anstreifen kann hinsichtlich der axialen Lage lokalisiert werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Turbine sind die Anstreifzähne derart entlang des Umfangs des Gehäuses verteilt, dass sich zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Anstreifzähnen unterschiedliche Abstände ergeben. Sind die Zähne dabei dicht genug positioniert, so dass ein Anstreifen an zwei Zähnen erfolgt, werden zwei Schwingungen gleicher Frequenz erzeugt, deren Phasenabstand mit dem Abstand der Zähne korreliert ist. Hinsichtlich des Verfahrens wird dann vorteilhafterweise anhand einer Phasenverschiebung zweier überlagerter Signale derselben Frequenz eine Lage der Berührung in Umfangsrichtung ermittelt.
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In besonders einfacher vorteilhafter Ausgestaltung weisen in Umfangsrichtung benachbarte Anstreifzähne einen in Umfangsrichtung linear ansteigenden Abstand zueinander auf. Dadurch ist hinsichtlich des Verfahrens vorteilhafterweise die Größe der Phasenverschiebung linear mit der Winkellage der Berührung verknüpft ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Lokalisierung des Anstreifens in Umfangsrichtung.
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In alternativer oder zusätzlicher Ausgestaltung der Turbine weist das Körperschallüberwachungssystem eine Mehrzahl entlang des Umfangs verteilter Schwingungsaufnehmer auf. Bezüglich des Verfahrens können dadurch vorteilhafterweise anhand der Amplitudenverhältnisse der Signale der entlang des Umfangs verteilten Schwingungsaufnehmer die Lage der Berührung in Umfangsrichtung ermittelt werden. Die Lokalisierung der Berührung kann damit auch im Sinne einer Peilortung erfolgen, da die Amplitude an dem Schwingungsaufnehmer am größten ist, der dem Anstreifort am nächsten gelegen ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Turbine ist der Spalt zwischen Läufer und Gehäuse mittels einer Stelleinrichtung einstellbar, insbesondere durch Verschiebung von Läufer und Gehäuse gegeneinander, und die Stelleinrichtung ist eingangsseitig mit dem Körperschallüberwachungssystem verbunden. Vorteilhafterweise wird bei einem Verfahren zur Minimierung des Spalts mittels des beschriebenen Verfahrens zur Anstreiferkennung ein minimaler Spalt (d) eingestellt. Dabei 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. Die Richtung der Verschiebung kann aufgrund der exakten Lokalisierung des Anstreifens optimiert werden.
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Eine Turbine weist vorteilhafterweise Mittel zum Ausführen des beschriebenen Verfahrens auf.
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Eine Kraftwerksanlage umfasst vorteilhafterweise eine beschriebene Turbine.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die exakt lokalisierbare Kontakterkennung zwischen Läufer und Gehäuse eine noch weiter optimierte Minimierung der Spalte zwischen Läufer und Gehäuse mit technisch besonders einfachen Mitteln ermöglicht wird. Das Anstreifen kann an vielen Orten sowohl in axialer als auch in Umfangsrichtung während des Betriebs der Turbine ohne innere Instrumentierung und mit wenigen Messaufnehmern erkannt werden. Auch bereits bestehende Turbinen können mit entsprechenden Anstreifkanten und -zähnen nachgerüstet werden.
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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.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Gasturbine.
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2 schematisch einen Querschnitt durch einen ersten radialen Bereich der Gasturbine, und
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3 schematisch einen Querschnitt durch einen zweiten radialen Bereich der Gasturbine.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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Auf leittechnischer Seite weist die Gasturbine 100 gemäß der FIG ein nicht näher dargestelltes Körperschallüberwachungssystem auf, welches mit einer Vielzahl von Sensoren an Läufer 103 und Gehäuse 138 verbunden ist, die Ausgangssignale bezüglich der in der Turbine 100 entstehenden Schallschwingungen erfassen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Um das beschriebene Anstreifen exakt lokalisieren zu können und ein noch genaueres Regulieren des Spaltes d zu ermöglichen, ist die Turbine 100 mit entsprechenden baulichen Maßnahmen ausgestattet, die in den folgenden 2 und 3 erläutert werden.
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2 und 3 zeigen einen Querschnitt durch zwei radiale Bereiche des Verdichters 105, genauer jeweils durch einen Kranz von Laufschaufeln 120 mit dem umgebenden Gehäuse 138. An der Innenseite des Gehäuses 138 sind entlang des Umfangs Anstreifzähne 146 angeordnet, die radial nach innen ragen. Am radial äußeren Ende einiger Laufschaufeln 120 sind Anstreifkanten 148 angeordnet.
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In dem in 2 gezeigten Bereich sind vier Anstreifkanten 148 in gleichmäßigem Abstand entlang der Umfangsrichtung angeordnet, d. h. mit einem Winkelabstand von jeweils neunzig Grad. In dem in 3 gezeigten Bereich sind drei Anstreifkanten 148 in gleichmäßigem Abstand entlang der Umfangsrichtung angeordnet, d. h. mit einem Winkelabstand von jeweils einhundertzwanzig Grad. Bei einem Berühren von Anstreifkanten 148 und Anstreifzähnen 146 im ersten Bereich entsteht somit ein Körperschallsignal mit einer Frequenz, die dem Vierfachen der aktuellen Drehfrequenz des Läufers 103 entspricht, während bei einem Berühren von Anstreifkanten 148 und Anstreifzähnen 146 im zweiten Bereich ein Körperschallsignal mit einer Frequenz, die dem Dreifachen der aktuellen Drehfrequenz des Läufers 103 entspricht, entsteht. Analog sind in weiteren Bereichen des Verdichters Anstreifkanten 148 mit anderen Abständen verteilt. Durch Analyse der Frequenz des Körperschalls ist somit das Anstreifen axial lokalisierbar.
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Die Anstreifzähne 146 am Gehäuse 138 sind in 2 und 3 in Umfangsrichtung vom obersten Punkt aus mit linear ansteigendem Abstand verteilt. Dies ermöglicht auch eine Lokalisierung des Anstreifens in Umfangsrichtung, da bei einem Anstreifen an zwei Anstreifzähnen 146 zwei Körperschallsignale derselben Frequenz erzeugt werden, deren Phasenverschiebung jedoch je nach Abstand der Anstreifzähne 146 unterschiedlich ist. Da jeder Abstand benachbarter Anstreifzähne 146 unterschiedlich ist, kann aus der Größe der Phasenverschiebung auf die Umfangslage des Anstreifens geschlossen werden.
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Entsprechende bauliche Maßnahmen sind in der Turbine 108 vorgesehen. Die Anstreifkanten und -zähne 146, 148 weisen 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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Das Auswerteverfahren im Körperschallüberwachungssystem ist für eine entsprechende Analyse des Signals ausgelegt, es kann Frequenzen und Phasenverschiebungen auflösen. Daten zur baulichen Anordnung der Anstreifkanten und -zähne 146, 148 sind im Körperschallüberwachungssystem hinterlegt. Ebenso hat das Körperschallüberwachungssystem eingangsseitig Zugriff auf die aktuelle Drehzahl des Rotors 103.
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In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform ist das Körperschallüberwachungssystem für eine Peilortung ausgestaltet, d. h. es sind mehrere Schallaufnehmer entlang des Umfangs verteilt. Durch eine Analyse der Größe der Amplituden der Schallaufnehmer kann das Körperschallüberwachungssystem die relative Nähe des Anstreifereignisses zum jeweiligen Schallaufnehmer bestimmen und in der Art einer Peilung eine Lokalisierung vornehmen.
