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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer Fehlstellung der Winkellage einer in einem Verdichter angeordneten, um ihre Längsachse schwenkbaren Verdichterleitschaufel. Die Erfindung betrifft weiterhin ein System zur Erfassung einer Fehlstellung der Winkellage einer in einem Verdichter angeordneten, um ihre Längsachse schwenkbaren Verdichterleitschaufel.
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Es ist bekannt, dass bei dem Zusammenbau von um ihre Längsachse verstellbaren Verdichterleitschaufeln und dem dazugehörigen Verstellantrieb diese einzeln mittels einer Vorrichtung zu einer am Leitschaufelträger angeordneten Referenznut ausgerichtet werden. Dies ist erforderlich, damit alle Schaufelblätter des Verdichterleitschaufelrings stets identische Staffelungswinkel aufweisen, um im Betrieb eine synchrone Anströmung der nachfolgenden Verdichterlaufschaufeln zu gewährleisten. Eine asynchrone Anströmung der Verdichterlaufschaufeln könnte zu einer Schwingungsanregung von einzelnen Schaufelblättern der Laufschaufeln führen. Dies könnte sich im ungünstigsten Falle schädigend auf die Laufschaufeln auswirken.
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Bekannt ist, die Winkelstellung der Leitschaufeln mittels eines Universalwinkelmessers und einer Hilfsvorrichtung von außen am Gehäuse des Verdichters zu messen. Die Hilfsvorrichtung, die an der Referenznut am Leitschaufelträger angelegt wurde, dient als Anschlag für den einen Messschenkel des Winkelmessers. Die rückseitige Seitenfläche eines an der verdrehbaren Verdichterleitschaufel angeordneten Verstellhebels dient als Anschlagfläche für den zweiten Messschenkel des Winkelmessers, an dem dann die Winkellage der Leitschaufel abgelesen werden konnte. Bedingt durch die beengten Platzverhältnisse am Verdichter und je nach Position der zu überprüfenden Verdichterleitschaufel am Umfang kann es zu Ablesefehlern und nicht exakt angelegten Messschenkeln kommen. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn der Monteur über Kopf arbeiten muss. Durch die fehlerhafte Kontrolle kann es möglich sein, dass korrekt eingestellte Leitschaufeln unnötigerweise in eine fehlerhafte Position verstellt oder Fehlstellungen von Verdichterleitschaufeln nicht erkannt werden. Insgesamt kann dies somit zu über den Umfang gesehen zum Teil ungleichmäßig eingestellten Staffelungswinkeln der Schaufelblätter von drehbaren Leitschaufeln führen. Eine weitere Fehlerquelle, die zu einer geringfügig asymmetrischen Einstellung der Verdichterleitschaufeln führen kann, sind die Toleranzen durch die Verwendung der Hilfsvorrichtung. Es ist ebenfalls möglich, dass sich die Verbindung einzelner Verdichterleitschaufeln zu der Verstelleinrichtung im Betrieb löst. Dadurch wird die Position dieser Verdichterleitschaufel nicht mehr gesteuert und kann deutlich von der Position der übrigen Verdichterleitschaufeln in der entsprechenden Reihe abweichen.Die Winkellage kann auch mit Hilfe einer transportablen, jedoch raumgreifenden Laser-Messvorrichtung erfasst werden, so wie es beispielsweise die
EP 1 895 267 A1 vorschlägt. Zwar arbeitet die bekannte Messvorrichtung kontaktlos in Bezug auf die Messfläche, jedoch gelingt dies in der zumeist beengten Umgebung nur unter Verwendung eines Umlenkspiegels, welcher sich in der rauen Industrie-Umgebung derartiger Maschinen als nicht ausreichend robust und somit als zu beschädigungsanfällig darstellt. Folglich erfordert die Laser- Messvorrichtung eine vergleichsweise sanfte Handhabung, um die Verfügbarkeit der Messvorrichtung nicht zu beeinträchtigen.
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Weiter ist aus der
US 4,597,187 A eine den konstruktiven Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 entsprechende Messeinrichtung zur Messung des Anstellwinkels von starren Verdichterschaufeln bekannt. Diese ist auf einem Tisch montiert, um einen vormontierten, jedoch noch nicht montierten Ring mit Schaufelblättern des Verdichters vermessen zu können. Die Messvorrichtung umfasst einen ersten Kontaktpunkt, der an die Vorderkante oder Hinterkante des zu untersuchenden Schaufelblatts angelegt wird. Eine drehbare Nockenscheibe mit einem Messarm ist dann so zu schwenken, dass zwei weitere, am Messarm angeordnete Kontaktpunkte am Schaufelblatt saugseitig oder druckseitig anliegen. Der Schwenkwinkel der Nockenscheibe wird dann mithilfe eines Sensors erfasst, welcher dann den Anstellwinkel des betreffenden Schaufelblatts angibt. Nachteilig ist hierbei, dass die Messung des Anstellwinkels unmittelbar am Schaufelblatt erfolgt. Dies erfordert den Zugang einer Person zum Schaufelblatt. Die bekannte Vorrichtung ist somit nicht geeignet zur Bestimmung der Winkellage einer in einem Verdichter angeordneten um ihre Längsachse schwenkbaren Verdichterleitschaufel von außen.
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Die im oben angeführten Stand der Technik beschriebenen Methoden erlauben jedoch nicht die Erkennung einer im Betrieb - z. B. durch Schäden an den mechanischen Verbindungselementen der Verstellvorrichtung - entstandenen Fehlstellung einzelner Leitschaufeln innerhalb einer Leitschaufelreihe.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ohne zusätzlichen konstruktiven Aufwand im Betrieb des Verdichters eine Fehlstellung der Winkellage einer Verdichterleitschaufel zu detektieren.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Erkennung einer Fehlstellung der Winkellage einer in einem Verdichter angeordneten, um ihre Längsachse schwenkbaren Verdichterleitschaufel, wobei der Verdichter Teil einer Gasturbine ist, die zudem eine Brennkammer umfasst, bei dem:
- - eine Verdichteraustrittstemperatur über mehrere, im Bereich zwischen einem Verdichteraustritt und einem Brennkammereintritt angeordnete Temperatursensoren gemessen wird, wobei die Temperatursensoren in Umfangsrichtung betrachtet unterschiedliche Positionen aufweisen und jeder Temperatursensor ein Messsignal liefert,
- - wenn eine plötzliche stufenartige Veränderung von zumindest einem Messsignal erfasst wird, während zumindest ein anderes Messsignal unverändert bleibt, eine Fehlstellung erkannt wird.
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Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein System zur Erfassung einer Fehlstellung der Winkellage einer in einem Verdichter angeordneten, um ihre Längsachse schwenkbaren Verdichterleitschaufel, wobei der Verdichter Teil einer Gasturbine ist, die zudem eine Brennkammer umfasst, umfassend:
- - mehrere, im Bereich zwischen einem Verdichteraustritt und einem Brennkammereintritt angeordnete Temperatursensoren zur Messung einet Verdichteraustrittstemperatur, wobei die Temperatursensoren in Umfangsrichtung betrachtet unterschiedliche Positionen aufweisen, und jeder Temperatursensor ein Messsignal liefert,
- - sowie eine Auswerteeinheit, die dafür ausgebildet ist, die Messsignale auszuwerten und bei einer plötzlichen stufenartigen Veränderung von zumindest einem Messsignal, während zumindest ein anderes Messsignal unverändert bleibt, eine Fehlstellung zu erkennen.
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Die in Bezug auf das Verfahren nachstehend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf das System übertragen.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Messsignale der bereits zur Messung der Verdichteraustrittstemperatur vorhandenen Temperatursensoren zu verwenden, um Fehlstellungen der Winkellage von verstellbaren Leitschaufeln des Verdichters zu detektieren. Solche Temperatursensoren sind üblicherweise in Tauchhülsen oder in ausbaubaren Sonden eingebaute Thermoelemente, die im Strömungskanal des Verdichter-Austrittsdiffusors oder in einer Position zwischen dem Verdichteraustrittsdiffusor und dem Brennereintritt in die Strömung eingebracht werden. Hierzu ist lediglich eine entsprechende Auswertung bzw. Interpretation der Messsignale erforderlich.
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Bei Gasturbinen wird die Verdichteraustrittstemperatur standardmäßig während des Betriebs gemessen. Dies geschieht durch mehrere Messstellen, die im Bereich des Verdichteraustritts verteilt sind. Eine solche Messung der Verdichteraustrittstemperatur im Hinblick auf einen stabilen Betrieb an heißen Tagen ist z.B. in der
WO 2015/121035 A1 vorgesehen. Die gemessene Verdichteraustrittstemperatur wird dabei mit einer Soll-Verdichteraustrittstemperatur verglichen und bei einer Abweichung wird unter Verwendung einer Kühlvorrichtung die Verdichtertemperatur des Strömungsmediums am Verdichtereintritt bzw. im Verdichter verändert.
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Die Messsignale aller Temperatursensoren weisen im Normalbetrieb etwa den gleichen Verlauf auf, lediglich minimale Unterschiede von nicht mehr als 4K sind zwischen den Messsignalen üblich. Steht jedoch eine Leitschaufel einer verstellbaren Leitreihe des Verdichters anders als der Rest der Leitschaufeln, beeinflusst dies den lokalen Temperaturaufbau stromab. Das Messsignal des nähesten Temperatursensors erfasst dabei eine plötzliche Temperaturerhöhung oder einen plötzlichen Temperaturabfall, wobei die Temperaturveränderung über die Zeit erhalten bleibt. Es bildet sich somit bei zumindest einem der Messsignale ein stufenförmiger Verlauf mit einer einzigen Stufe. Die Stufe im Verlauf ist sofort sichtbar. Es kann also nach wenigen Sekunden eine Warnung erzeugt werden. Die von der Verdichterleitschaufel in der Fehlstellung weiter entfernten Temperatursensoren werden eine kleinere Stufe im Verlauf des Messsignals oder keine Veränderung (das heißt weiterhin ein stetiges Messsignal) anzeigen.
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Unter einer plötzlichen stufenartigen Veränderung wird hierbei eine unerwartete Veränderung des Messsignals, die von einem Sollwert abweicht und/oder eine Abweichung von den restlichen Messsignalen darstellt.
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Eine Fehlstellung der Winkellage einer Verdichterleitschaufel lässt sich somit durch ein kontinuierliches Überwachen der Verdichteraustrittstemperatur und im Speziellen der Unterschiede zwischen den einzelnen Messsignalen detektieren. Die Überwachung erfolgt dabei insbesondere automatisch. Dadurch kann frühzeitig eine Warnung generiert werden und ein Schaden verhindert werden, indem insbesondere die Gasturbine heruntergefahren wird und die Winkellage aller schwenkbaren Verdichterleitschaufeln überprüft und ggf. korrigiert wird.
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Für die richtige Interpretation der Messsignale ist zudem wichtig zu überprüfen, ob das Messsignal von zumindest einem der anderen Temperatursensoren unverändert bleibt. Auf diese Weise kann die Auswertesicherheit erhöht und die Gefahr von Fehlinterpretationen der Messung minimiert werden. Wenn zumindest eines der Temperatursensoren (i.d.R. der, der am nähesten an der verstellten Verdichterleitschaufel ist) ein Messsignal mit einem unerwarteten stufigen Verlauf liefert und gleichzeitig zumindest ein anderer Temperatursensoren (i.d.R. der, der am weitesten entfernt von der verstellten Verdichterleitschaufel ist) keine wesentlichen Veränderung des Verlaufs des Messsignals aufweist, deuten die Messsignale auf eine Fehlstellung der Winkellage einer der schwenkbaren Verdichterleitschaufeln.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung wird die Fehlstellung erkannt, wenn die stufenartige Veränderung des zumindest einen Messsignals einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, insbesondere einen Schwellwert von 2°K überschreitet. Veränderungen des Messsignals von +/-2°K werden hierbei als Fluktuationen innerhalb eine zulässigen Toleranzbereichs eingestuft. Erst bei einer andauernden Temperaturerhöhung- oder bei einem andauernden Temperaturabfall von mehr als 2°K wird dies als eine Leitschaufel-Fehlstellung interpretiert und entsprechend wird ggf. eine Meldung ausgegeben.
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Im Hinblick auf eine besonders sichere Messung werden bevorzugt zumindest drei Temperatursensoren zum Messen der Verdichteraustrittstemperatur eingesetzt, denn der Einsatz von nur einem oder zwei Temperatursensoren für kein qualitativ auswertbares Ergebnis ausreichend ist. Denkbar ist der Einsatz auch von vier, fünf oder mehreren Temperatursensoren, jedoch ist in der Praxis die Anzahl der verwendeten Temperatursensoren durch den vorhandenen Platz eingeschränkt.
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Vorzugsweise wird die Verdichteraustrittstemperatur kontinuierlich gemessen, insbesondere wird im Abstand von wenigen Sekunden, insbesondere ein Mal pro Sekunde gemessen. Es kann somit unmittelbar eine Abweichung des Temperaturverlaufs festgestellt werden.
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Vorteilhafterweise sind die Temperatursensoren in Umfangsrichtung betrachtet ungleichmäßig verteilt, d.h. es liegt nicht immer der gleiche Abstand bzw. nicht immer der gleiche Winkel zwischen je zwei benachbarten Temperatursensoren vor. Auf diese Weise werden optimal die räumlichen Gegebenheiten und der vorhandene Platz zum Anbringen der Temperatursensoren genutzt.
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Zweckdienlicherweise werden die Temperatursensoren um den Umfang eines dem Verdichter nachgeschalteten Diffusors verteilt. Durch seine räumliche Nähe am Verdichter und durch seine ringförmige Ausgestaltung eignet sich der Diffusor optimal zum Platzieren der Temperatursensoren um seinen Umfang.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsvariante wird anhand der Position des zumindest einen Temperatursensors, dessen Messsignal die stufenartige Veränderung aufweist, ein Sektor bestimmt, in dem sich die Verdichterleitschaufel in der Fehlstellung befindet. Wenn das Messsignal von einem der Temperatursensoren eine Spreizung oder einen Sprung aufweist und die Umfangsposition des Temperatursensors bekannt ist, kann die Umfangsposition der verstellten Leitschaufel auf dem Bereich zwischen dem besagten Temperatursensor und den zwei benachbarten Sensoren eingegrenzt werden. Sollte einer der benachbarten Temperatursensoren ähnliche Auffälligkeiten im Messsignal zeigen, ist die Leitschaufel in Umfangsrichtung zwischen diesen beiden Temperatursensoren zu erwarten.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt, umfassend Temperatursensoren zum Erfassen einer Verdichteraustrittstemperatur, und
- 2 den Verlauf der Temperatur T über die Zeit t gemessen durch die Temperatursensoren gemäß 1.
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Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
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1 zeigt eine Gasturbine 1 in einem Längsteilschnitt. Die Gasturbine 1 weist im Inneren einen um eine Maschinenachse 2 drehgelagerten Rotor 3 auf. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 4, ein Verdichter 5, eine Ringbrennkammer 6 mit mehreren rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Brennern 7, eine Entspannungsturbine 8 und ein Abgasgehäuse 9. Die Ringbrennkammer 6 bildet einen Verbrennungsraum 17, der mit einem ringförmigen Heißgaskanal 18 kommuniziert. Dort bilden vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 10 die Entspannungsturbine 8. Jede Turbinenstufe 10 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines in der Ringbrennkammer 6 erzeugten Heißgases 11 gesehen, folgt im Heißgaskanal 18 jeweils einer Leitschaufelreihe 13 eine aus Laufschaufeln 15 gebildete Reihe 14. Die Leitschaufeln 12 sind am Stator befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 15 einer Reihe 14 mittels einer Turbinenscheibe am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) angekoppelt.
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Am ansaugseitigen Gehäuseeingang des Verdichters 5 sind verstellbare Verdichterleitschaufeln 19 vorgesehen. Die Verdichterleitschaufeln 19 sind im ringförmigen Strömungskanal des Verdichters 5 angeordnet und können von einer Antriebsvorrichtung 21 um ihre jeweilige Längsachse 23 gedreht werden, um beispielsweise den die Gasturbine 1 durchströmenden Massenstrom einzustellen. Je nach Anstellwinkel kann ein besonders großer oder ein kleiner Massenstrom die Gasturbine 1 bedarfsgerecht durchströmen. Um Strömungsverluste in der angesaugten Umgebungsluft zu reduzieren und um eine Schwingungsanregung von sich unmittelbar stromab der Verdichterleitschaufeln 19 drehenden Laufschaufeln 15 zu verhindern, welche bei einer über den Umfang gesehen ungleichmäßigen Anströmung der Laufschaufeln 15 erfolgt, werden alle Verdichterleitschaufeln 19 synchron unter stetiger Beibehaltung gleicher Anstellwinkel mittels der Antriebsvorrichtung 21 verstellt.
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Der Verdichter 5 weist einen Verdichteraustritt 29 auf, dem ein Diffusor 25 nachgeschaltet ist, in welchem die Strömung verzögert und kinetische Strömungsenergie in Druck umgewandelt wird. Der Diffusor 25 mündet in ein Plenum 27. Im Bereich zwischen dem Verdichteraustritt 29 und einem Brennkammereintritt 31, d.h. im Bereich des Diffusors 25 oder des Plenums 17, sind mehrere Temperatursensoren 33 zur Messung der Verdichteraustrittstemperatur vorgesehen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Temperatursensor 33 symbolisch gezeigt, es sind jedoch um den Umfang des Diffusors 25 vier Temperatursensoren 33 angeordnet, wobei sie alle die gleiche axiale Position aufweisen und sich lediglich durch ihre Position in Umfangsrichtung unterscheiden. Eine gleichmäßige Verteilung um den Umfang des Diffusors 25 ist hierbei nicht zwingend erforderlich und auch nicht vorgesehen. Die Temperatursensoren 33 kommunizieren mit einer Auswerteeinheit 35, welche die Messsignale M1 bis M4 auswertet und für einen Bediener herausgibt, insbesondere in Form von einer graphischen Darstellung des Verlaufs der Messsignale M1 bis M4 .
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Jeder Temperatursensor 33 liefert ein Messsignal M1 bis M4 für den Temperaturverlauf der komprimierten Luft nach dem Verdichter. Im Beispiel gemäß 1 sind vier Temperatursensoren 33 vorgesehen, deren Messsignale M1 bis M4 für die Temperatur T über die Zeit t in 2 gezeigt sind. Die einzelnen Messsignale M1 bis M4 folgen im Wesentlichen dem gleichen Verlauf und unterschieden sich nur minimal im Betrag der gemessenen Temperatur T. Die Temperaturmessung am Verdichteraustritt 31 erfolgt kontinuierlich, insbesondere gibt jeder Temperatursensor 33 etwa ein Mal pro Sekunde einen Messwert heraus.
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Wie aus 2 ersichtlich, weist ab Zeitpunkt t0 eines der Messsignale M3 einen Sprung im Verlauf auf, wobei die weiteren drei Temperatursensoren 33 keinen solchen Temperatursprung erfassen. Nach dem Zeitpunkt t0 bleibt das Messsignal M3 auf dem höheren Temperaturniveau, so dass eine stufenartige Veränderung S vorliegt, wobei die Stufe S eine Höhe ΔT>2°K beträgt.
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Da die Messignale M1 , M2 und M4 der weiteren drei Temperatursensoren 33 weiterhin einen stetigen Temperaturverlauf liefern und zudem die Stufe S einen vorgegebenen Schwellwert von 2°K übersteigt, deuten die Messergebnisse darauf hin, dass nur in einem Sektor hinter dem Verdichter eine Temperaturabweichung stattfindet. Dies wird als eine Fehlstellung der Winkellage zumindest einer der schwenkbaren Verdichterleitschaufeln 19 interpretiert und eine Meldung wird herausgegeben. Die Interpretation der Messergebnisse sowie die Meldung können sowohl manuell als auch automatisch erfolgen. Im Hinblick auf einen hohen Automatisierungsgrad und eine erhöhte Sicherheit ist insbesondere vorgesehen, dass die Interpretation der Messsignale M1 bis M4 über die Auswerteeinheit 35 erfolgt, welche ebenfalls die Meldung generiert.
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Wenn der Betreiber der Gasturbine 1 Informationen über die Position der Leitschaufel 19 in der Fehlstellung erhalten möchte, können diese ebenfalls über die Messsignale M1 bis M4 der Temperatursensoren gewonnen werden, denn die verstellte Verdichterleitschaufel 19 befindet sich in der Regel in Umfangsrichtung betrachtet etwa auf einer Linie oder in einem Sektor mit dem Temperatursensor 33, der das stufenförmige Messsignal M3 liefert.
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Durch das oben beschriebene Verfahren ist es möglich, ohne zusätzlichen konstruktiven Aufwand im Betrieb des Verdichters (5) eine Fehlstellung der Winkellage einer Verdichterleitschaufel (19) zu detektieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1895267 A1 [0003]
- US 4597187 A [0004]
- WO 2015/121035 A1 [0011]
