DE102019132037A1

DE102019132037A1 - Verfahren und systeme zur überwachung von rotorschaufeln in turbinentriebwerken

Info

Publication number: DE102019132037A1
Application number: DE102019132037.2A
Authority: DE
Inventors: Kurt Kramer Schleif; Michael Allen Ball; Mario Joseph Arceneaux; Andrew David Ellis; Vincent Carmona
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2020-05-28
Also published as: JP2020097929A; US20200166431A1; JP7358205B2; CN111219212A; US10908049B2

Abstract

Verfahren zum Bestimmen einer Ankunftszeit einer Rotorschaufel (120, 126, 150, 181), das das Anbringen eines RF-Lesegeräts (166) an einer stationären Oberfläche (122, 123, 128, 129, 182, 184) und eines RF-Tag (160) an der Rotorschaufel (120, 126, 150, 181) einschließt. Signalstärkedatenpunkte werden über einen RF-Überwachungsprozess erfasst, der Folgendes einschließt: Senden eines RF-Signals (190) von dem RF-Lesegerät (166); Empfangen des RF-Signals (190) am RF-Tag (160) und Senden eines RF-Rückkehrsignals (191) durch das RF-Tag (190) als Antwort darauf; Empfangen des RF-Rückkehrsignals (191) am RF-Lesegerät (166); Messen einer Signalstärke des von dem RF-Lesegerät (166) empfangenen RF-Rückkehrsignals (191); und Bestimmen des Signalstärkedatenpunkts als gleich der gemessenen Signalstärke. Der RF-Überwachungsprozess wird wiederholt, bis mehrere Signalstärkedatenpunkte gesammelt sind. Aus den mehreren Signalstärkedatenpunkten wird eine maximale Signalstärke bestimmt und die Ankunftszeit für die Rotorschaufel (120, 126, 150, 181) als eine Zeit bestimmt, die der maximalen Stärke des Signals entspricht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese vorliegende Anmeldung bezieht sich allgemein auf Verfahren und Systeme zur Verbesserung der Effizienz und des Betriebs von Turbinentriebwerken, die, wie hierin verwendet, alle Arten von Turbinen- oder Rotationsmotoren, einschließlich Gasturbinen, Dampfturbinen und andere, einschließen sollen. Insbesondere, jedoch nicht einschränkend, bezieht sich die vorliegende Anmeldung auf Verfahren und Systeme zum Überwachen von Rotorschaufeln, einschließlich deren Schwingungsantwort über die Schaufelzeitgebung.
Turbinentriebwerke schließen Reihen von Rotorschaufeln ein, die mit einem Hochgeschwindigkeitsarbeitsfluid zusammenwirken, das bewirkt, dass sich die Schaufeln um eine Mittelachse drehen. Solche Schaufeln sind den rauen Bedingungen in dem Motor ausgesetzt und müssen während des Motorbetriebs extremen mechanischen und thermischen Belastungen standhalten. Aus diesem Grund ist die Konstruktion von Rotorschaufeln eine anspruchsvolle Herausforderung. Neue Rotorschaufelkonstruktionen müssen durch strenge Vorabprüfungen wirksam validiert werden. Ferner muss während des Gebrauchs der Zustand der Rotorschaufeln genau überwacht werden. Der Ausfall einer Rotorschaufel während des Betriebs kann zu katastrophalen Schäden an einem Turbinentriebwerk führen. Solche Schaufelfehler können vorhergesagt und dadurch durch strenge Vorabprüfungen und/oder Funktionsüberwachung vermieden werden, die Schaufelverschlechterungen oder -fehler genau erfassen. Beispielsweise können Anomalien im Schwingungsverhalten der Rotorschaufeln auf Betriebsbedingungen ein Indikator für hohe Dehnungen oder Rissbildung in den Schaufeln sein.
Ein üblicher Ansatz zum Messen der Schwingungsantwort von Rotorschaufeln während des Betriebs ist als Schaufelspitzenzeitpunkt oder, wie hierin verwendet, „Schaufelzeitgebung“ bekannt. Im Allgemeinen ist die Verfügbarkeit solcher Tests jedoch aufgrund der damit verbundenen hohen Kosten etwas begrenzt. In Anbetracht der Einschränkungen, die mit bekannten Verfahren zum Messen der Schaufelzeitgebung verbunden sind, können die Daten ferner häufig unzuverlässig sein. Natürlich besteht eine Alternative darin, das Turbinentriebwerk abzuschalten, um die Rotorschaufeln visuell auf Defekte zu untersuchen. Diese Art der Inspektion hat jedoch ihre eigenen Nachteile, da sie keine Informationen über die während des Betriebs auftretenden Beanspruchungen bereitstellt, außerdem anfällig für Unzuverlässigkeit ist und aufgrund der Arbeitsanforderungen und der Notwendigkeit, den Motor abzustellen, kostspielig ist. Infolgedessen besteht ein anhaltender Bedarf an verbesserten Verfahren und Systemen in Bezug auf die Rotorschaufelüberwachung und -diagnose, insbesondere in Bezug auf die Verbesserung der Kostenwirksamkeit und Zuverlässigkeit von Schaufelzeitgebungstechniken.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung beschreibt somit Verfahren und Systeme zum Bestimmen einer Ankunftszeit einer Rotorschaufel, die ein an einer stationären Oberfläche in der Turbine angebrachtes RF-Lesegerät und ein an der Rotorschaufel angebrachtes RF-Tag einschließen. Während des Betriebs des Turbinentriebwerks können Signalstärkedatenpunkte über einen RF-Überwachungsprozess erfasst werden, der Folgendes einschließt: Senden eines RF-Signals vom RF-Lesegerät; Empfangen des RF-Signals am RF-Tag und Senden eines RF-Rücksignal durch das RF-Tag als Antwort darauf; Empfangen des RF-Rückkehrsignals am RF-Lesegerät; Messen einer Signalstärke des vom RF-Lesegerät empfangenen RF-Rückkehrsignals; und Bestimmen des Signalstärkedatenpunkts als gleich der gemessenen Signalstärke. Der RF-Überwachungsprozess kann wiederholt werden, bis mehrere Signalstärkedatenpunkte gesammelt sind. Dann kann eine maximale Signalstärke aus den mehreren Signalstärkedatenpunkten bestimmt werden, und die Ankunftszeit für die Rotorschaufel kann als eine Zeit bestimmt werden, die der maximalen Signalstärke entspricht.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden bei Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen und den beiliegenden Ansprüchen ersichtlich.
Figurenliste
Diese und andere Objekte und Vorteile dieser Erfindung werden durch sorgfältiges Studium der folgenden detaillierteren Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden und geschätzt, für die gilt:

1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Gasturbinentriebwerks, in dem Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung verwendet werden können;
2 ist eine Schnittansicht eines Verdichters in einem Gasturbinentriebwerk, in dem Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung verwendet werden können;
3 ist eine Schnittansicht einer Turbine in einem Gasturbinentriebwerk, in dem Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung verwendet werden können;
4 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Rotorschaufel, die die Platzierung von RF-Tags und die relative Position eines RF-Lesegeräts gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung zeigt;
5 ist eine schematische Darstellung eines RF-Systems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
6 zeigt ein beispielhaftes Zeitbereichsdiagramm, das ein Verfahren gemäß der vorliegenden Anmeldung zeigt;
7 zeigt ein beispielhaftes Zeitbereichsdiagramm, das ein alternatives Verfahren gemäß der vorliegenden Anmeldung zeigt;
8 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Rotorschaufel, die die Platzierung von RF-Tags und die relative Position eines RF-Lesegeräts gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung zeigt; und
9 zeigt ein exemplarisches Computersystem oder Steuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Als Hintergrund veranschaulicht 1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks 100. Im Allgemeinen arbeiten Gasturbinentriebwerke durch Energiegewinnung aus einem druckbeaufschlagten Heißgasstrom, der bei der Verbrennung eines Kraftstoffs in einem Druckluftstrom entsteht. Wie in 1 veranschaulicht, kann das Gasturbinentriebwerk 100 mit einem Axialverdichter 106, der über eine gemeinsame Welle oder einen gemeinsamen Rotor mechanisch mit einem stromabwärts gelegenen Turbinenabschnitt oder einer Turbine 110 gekoppelt ist, und einer Brennkammer 112 zwischen dem Verdichter 106 und der Turbine 110, konfiguriert werden. Es ist zu beachten, dass die Erfindung der folgenden Offenbarung bei allen Arten von Turbinentriebwerken verwendet werden kann, einschließlich Gasturbinentriebwerken, Dampfturbinentriebwerken, Flugzeugtriebwerken und anderen. Nachfolgend wird die Erfindung in Bezug auf ein Gasturbinentriebwerk beschrieben. Diese Beschreibung ist nur beispielhaft und soll in keiner Weise einschränkend sein.
2 veranschaulicht eine Ansicht eines beispielhaften mehrstufigen Axialverdichters 118, der in einem Gasturbinentriebwerk verwendet werden kann. Wie gezeigt, kann der Verdichter 118 eine Vielzahl von Stufen einschließen. Jede Stufe kann eine Reihe von Verdichterrotorschaufeln 120 einschließen, gefolgt von einer Reihe von Verdichterstatorschaufeln 122. Somit kann eine erste Stufe eine Reihe von Verdichterrotorschaufeln 120 einschließen, die sich um eine zentrale Welle drehen, gefolgt von einer Reihe von Verdichterstatorschaufeln 122, die während des Betriebs stationär bleiben. Die Verdichterstatorschaufeln 122 sind im Allgemeinen in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und um die Drehachse herum befestigt. Die Verdichterstatorschaufeln 122 erstrecken sich im Allgemeinen von einer Befestigung mit einem Verdichtergehäuse 123. Die Verdichterrotorschaufeln 120 sind in Umfangsrichtung beabstandet und an der Welle angebracht, sodass sich die Verdichterrotorschaufeln 120 um diese drehen, wenn sich die Welle während des Betriebs dreht. Wie ein Durchschnittsfachmann erkennt, sind die Verdichterrotorschaufeln 120 so konfiguriert, dass sie, wenn sie um die Welle gedreht werden, der Luft oder dem Arbeitsfluid, das durch den Verdichter 118 fließt, kinetische Energie verleihen. Der Verdichter 118 kann viele andere Stufen jenseits der Stufen aufweisen, die in 2 veranschaulicht sind. Zusätzliche Stufen können eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Verdichterrotorschaufeln 120 einschließen, gefolgt von einer Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Verdichterstatorschaufeln 122.
3 veranschaulicht eine Teilansicht eines beispielhaften Turbinenabschnitts oder einer Turbine 124, der/die in dem Gasturbinentriebwerk verwendet werden kann. Die Turbine 124 kann auch eine Vielzahl von Stufen einschließen. Es sind drei beispielhafte Stufen veranschaulicht, jedoch können mehr oder weniger Stufen in der Turbine 124 vorhanden sein. Eine erste Stufe schließt mehrere Turbinenschaufeln oder Rotorschaufeln 126 ein, die sich während des Betriebs um die Welle drehen, und mehrere Düsen oder Turbinenstatorschaufeln 128, die während des Betriebs stationär bleiben. Die Turbinenstatorschaufeln 128 sind im Allgemeinen in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und um die Drehachse herum befestigt. Die Turbinenstatorschaufeln 128 erstrecken sich im Allgemeinen von einem Aufsatz mit einem umgebenden Turbinengehäuse 129. Die Turbinenrotorschaufeln 126 können an einer Turbinenscheibe oder einem Turbinenrad (nicht gezeigt) zur Drehung um die Mittelachse oder Welle (nicht gezeigt) angebracht sein. Es sind auch die zweite und dritte Stufe der Turbine 124 veranschaulicht, von denen jede eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Turbinenstatorschaufeln 128 einschließt, gefolgt von einer Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Turbinenrotorschaufeln 126, die ebenfalls zur Drehung an einem Turbinenrad angebracht sind. Es versteht sich, dass die Turbinenstatorschaufeln 128 und die Turbinenrotorschaufeln 126 im Heißgaspfad der Turbine 124 liegen. Die Strömungsrichtung der heißen Gase durch den Heißgaspfad ist durch den Pfeil angegeben. Wie ein Durchschnittsfachmann erkennen wird, kann die Turbine 124 viele andere Stufen als die in 3 gezeigten aufweisen.
Im Gebrauch kann die Drehung der Verdichterrotorschaufeln 120 innerhalb des Axialverdichters 118 einen Luftstrom verdichten. In der Brennkammer 112 kann Energie freigesetzt werden, wenn diese verdichtete Luft mit einem Brennstoff vermischt und gezündet wird. Der resultierende Strom heißer Gase aus der Brennkammer 112 kann dann über die Turbinenrotorschaufeln 126 geleitet werden, was die Drehung der Turbinenrotorschaufeln 126 um die Welle induzieren kann, wodurch die Energie des heißen Gasstroms in mechanische Energie der rotierenden Schaufeln umgewandelt wird und, aufgrund der Verbindung zwischen den Rotorschaufeln in der Welle, der rotierenden Welle. Die mechanische Energie der Welle kann dann dazu verwendet werden, die Drehung der Verdichterrotorschaufeln 120 anzutreiben, sodass die notwendige Zufuhr von Druckluft erzeugt wird, sowie beispielsweise ein Generator zur Erzeugung von Elektrizität.
Wie oben diskutiert, ist es wichtig, dass Rotorschaufeln genau getestet und überwacht werden, da die Schaufelfunktion den Motorwirkungsgrad und die Motorleistung beeinflusst und ein Ausfall sogar einer einzelnen Schaufel schwere Schäden verursachen kann. Solche Konsequenzen können vermieden werden, wenn Daten, die auf Dehnungsniveaus, Rissbildung und andere Rotorschaufelfehler hinweisen, genau erfasst und überwacht werden können. Im Allgemeinen ist die Verfügbarkeit solcher Daten jedoch aufgrund der Kosten für deren Erfassung begrenzt. Ferner können sich bei herkömmlichen Erhebungsverfahren die Daten als unzuverlässig erweisen. Infolgedessen besteht ein anhaltender Bedarf an verbesserten Verfahren und Systemen in Bezug auf die Rotorschaufelüberwachung und -diagnose, insbesondere in Bezug auf die Verbesserung der Kostenwirksamkeit und Zuverlässigkeit von Schaufelzeitgebungstechniken.
Um dieses Ziel zu erreichen, schlägt die vorliegende Offenbarung vor, bestimmte Gesichtspunkte der Radiofrequenzidentifikationstechnologie (oder „RFID“ -Technologie) in bestimmte Verfahren und Systeme zur Überwachung von rotierenden Schaufeln in Turbinentriebwerken, beispielsweise Gas- und Dampfturbinen, zu integrieren. Als Hintergrund ist die Radiofrequenzidentifikation oder RFID-Kennzeichnung ein bekanntes Identifikationsverfahren, und verschiedene RFID-Strukturen, -Schaltungen und -Programmierprotokolle sind als Stand der Technik bekannt und im Handel erhältlich. Während frühe RFID-Systeme unter Verwendung relativ großer Packungsgrößen entwickelt wurden, die die Produkte einschränkten, für die sie verwendet werden konnten, sind neuere RFID-Tags viel kleiner geworden, sodass sie leicht in eine Vielzahl von Produkten und Anwendungen integriert werden können. Ein herkömmliches RFID-System kann einen Radiofrequenz- (oder „RF“)-Leser einschließen, der ein RF-Signal erzeugt oder aussendet, um ein Abfragefeld zu erzeugen. Das RFID-System schließt auch ein oder mehrere RF-Tags ein, von denen jedes einen Halbleiterchip mit RF-Schaltkreisen,-Logik, -Speicher und/oder -Antenne einschließen kann. Die RF-Tags reagieren auf das vom RF-Lesegerät ausgegebene RF-Signal. Das heißt, wenn das RF-Tag in das vom RF-Lesegerät erzeugte Abfragefeld eintritt, wird ein RF-Inlay im RF-Tag stimuliert und veranlasst das RF-Tag, ein RF-Rücksignal zu senden, das dann vom RF-Lesegerät empfangen wird. Das RF-Rücksignal kann vom RF-Lesegerät demoduliert werden, um im RF-Tag gespeicherte Informationen wiederherzustellen.
RF-Tags können als „aktiv“ oder „passiv“ gekennzeichnet werden. Aktive RF-Tags verwenden interne Batterien zur Stromversorgung ihrer Schaltkreise. Ein aktives Tag sendet mithilfe seiner Batterie Radiowellen an ein RF-Lesegerät. Aktive Tags senden im Allgemeinen Hochfrequenzen von 850 MHz bis 5,8 GHz aus, die vom RF-Lesegerät in einem Abstand von mindestens 30 Metern gelesen werden können. Passive RF-Tags verwenden das RF-Lesegerät als Stromquelle. Passive RF-Tags werden in der Regel aus größerer Entfernung gelesen und haben geringere Produktionskosten. Im Allgemeinen funktioniert jedes Tag auf dieselbe Weise: 1) Daten, die im Mikrochip eines RF-Tags gespeichert sind, müssen erst gelesen werden; 2) die Antenne des Tags empfängt elektromagnetische Energie von der Antenne eines RFID-RF-Lesegeräts; 3) Verwenden der Energie aus der internen Batterie - im Fall von aktiven Tags - oder der Energie, die aus dem elektromagnetischen Feld gewonnen wird, das durch das vom RF-Lesegerät gesendete RF-Signal erzeugt wird - im Fall von passiven Tags - das RF-Tag sendet Funkwellen zum RF-Lesegerät zurück; und 4) das RF-Lesegerät empfängt das Rücksignal von dem RF-Tag und interpretiert die Frequenzen als aussagekräftige Daten.
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf eine Art von Rotorschaufelprüfung oder -überwachung, die als Schaufelspitzenzeitpunkt bekannt ist und hierin als „Schaufelzeitgebung“ bezeichnet wird. Die Schaufelzeitgebung ist eine Technik, die die genaue Ankunftszeit (oder einfach „Ankunftszeit“) einer Rotorschaufel misst, wenn die Rotorschaufel eine vorbestimmte Position in dem Drehweg erreicht, den die Rotorschaufel innerhalb des Motors macht. Im Allgemeinen funktioniert die Schaufelzeitgebung, indem kleine Abweichungen in der Zeit erfasst werden, die eine Rotorschaufel benötigt, um an der definierten Stelle anzukommen. Aus diesen kleinen Schwankungen kann die Schwingungsantwort der Rotorschaufel berechnet werden.
Um die Ankunftszeit zu messen, stützen sich herkömmliche Schaufelzeitgebungstechniken im Allgemeinen auf Sensoren, die in der Lage sind, die vorbeiziehende Rotorschaufel zu erfassen und daraus die genaue Zeit zu bestimmen, zu der die Rotorschaufel an dem definierten Ort ankommt. Um erfolgreich zu sein, muss dies mit extrem hoher Zeitauflösung erfolgen. Die meisten gängigen Ansätze verwenden Laser- oder Lichtsonden, während andere bekannte Techniken Kapazitätssonden, magnetische Aufnehmer, Reluktanzsonden oder andere Sensoren verwenden, die in der Lage sind, das Vorhandensein einer vorbeiziehenden Rotorschaufel zu erfassen. Herkömmliche Schaufelzeitgebungsverfahren stützen sich daher im Allgemeinen auf eine stationäre Erfassungsvorrichtung oder Sonde, die die Rotorschaufel erfasst, um den Zeitpunkt ihrer Ankunft oder ihre Ankunftszeit zu bestimmen. Unter Verwendung einer Anordnung solcher Sensoren können die gesammelten Ankunftszeitdaten über bekannte Algorithmen nachverarbeitet werden, um die Schwingungsantwort der Rotorschaufel einschließlich ihrer Frequenz und Amplitude während des Betriebs des Turbinentriebwerks zu berechnen.
Es gibt jedoch mehrere Nachteile bei herkömmlichen Schaufelzeitgebungstechniken. Beispielsweise kann die Implementierung schwierig und kostspielig sein, und die von ihnen erzeugten Daten können unzuverlässig sein. Ein Grund dafür ist das häufige Fehlen eines definitiven Auslösemerkmals an einer Rotorschaufel. Das heißt, bekannte Schaufelzeitgebungstechniken funktionieren durch Erfassen der Ankunft der Rotorschaufel durch Erfassen der Ankunft eines bestimmten erkennbaren Abschnitts oder Merkmals (d.h. „Auslösemerkmal“) auf der vorbeiziehenden Rotorschaufel. Es versteht sich, dass solche Auslösemerkmale ein unterschiedliches, unverwechselbares Oberflächenmerkmal sein müssen, das auf jeder der Rotorschaufeln vorhanden und vom Sensor mit hoher zeitlicher Auflösung erfassbar ist. Dies ist erforderlich, da der Datenstrom, um Zeitbereichssignale nachbearbeiten zu können, eine charakteristische, schnell wirkende und beträchtliche Variation aufweisen muss, die von den Algorithmen verwendet werden kann. In vielen Fällen fehlt es Rotorschaufeln an dieser Art von Merkmal. Dies wird noch verschlimmert, wenn an jeder Rotorschaufel mehrere derartige Auslösemerkmale benötigt werden, da häufig die Schaufelzeitgebungsdaten verbessert werden können, wenn die Ankunftszeit für mehrere Bereiche an jeder Rotorschaufel gemessen wird.
Wenn für die Rotorschaufel keine geeigneten Auslösemerkmale verfügbar sind, muss die Schaufel möglicherweise geändert werden, um diese zu erstellen. Solche Modifikationen sind jedoch üblicherweise kostspielig und können zeitaufwendig in der Herstellung sein und resultieren in einer physikalischen Verschlechterung der Rotorschaufel und verkürzen deren Nutzungsdauer. Daher sind diese Modifikationstypen unerwünscht, sind jedoch angesichts des Mangels an verfügbaren Alternativen häufig unvermeidbar.
Darüber hinaus sind die Lasersonden und anderen Sensoren, die üblicherweise in herkömmlichen Schaufelzeitgebungssystemen verwendet werden, üblicherweise teuer und anwendungsspezifisch (d.h. nicht austauschbar oder wiederverwendbar). Aufgrund der extremen Temperaturen und Betriebsbedingungen innerhalb eines Turbinentriebwerks muss die Sensor-Hardware ferner während des Betriebs luftgekühlt werden, was die Implementierungskosten erhöht und eine längere Verwendung unpraktisch macht.
In Bezug auf die vorliegende Offenbarung werden Systeme und Verfahren vorgeschlagen, die Gesichtspunkte der RFID-Technologie verwenden, um die Schaufelzeitgebung durchzuführen. Wie zu sehen sein wird, können Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Ankunftszeitdaten sammeln, die in Standard-Nachverarbeitungsalgorithmen auf eine Weise verwendbar sind, die die Datengenauigkeit und -zuverlässigkeit verbessert. Da die Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung ferner die Notwendigkeit teurer Sonden und Luftkühlung sowie die Notwendigkeit von Auslösemerkmalen eliminieren, kann die Schaufelzeitgebung kostengünstiger und über verschiedene Turbinentriebwerksgrößen und -typen hinweg flexibel angewendet werden.
Anstelle der herkömmlichen Sonden und Auslösemerkmale eines bekannten Systems wird in der vorliegenden Offenbarung vorgeschlagen, ein RF-Tag an einer Rotorschaufel anzubringen und das RF-Tag dann auf eine bestimmte Weise über ein RF-Lesegerät zu überwachen. Beispielhaft veranschaulicht 4 schematisch eine Rotorschaufel 150, wie sie beispielsweise in einem Turbinentriebwerk innerhalb des Verdichterabschnitts verwendet werden kann. Die Rotorschaufel 150 weist im Allgemeinen mehrere Ausrichtungsmerkmale auf, die ein Schaufelblatt 152 einschließen, das sich radial von einer Wurzel 155 aus erstreckt. Das Schaufelblatt 152 schließt eine konkave Druckseitenwand oder Druckseite 153 und eine in Umfangsrichtung oder seitlich gegenüberliegende konvexe Saugseitenwand oder Saugseite 154 ein. Sowohl die Druckseite 153 als auch die Saugseite 154 erstrecken sich axial zwischen einer Vorderkante 156 und einer Hinterkante 158. Ferner erstrecken sich die Druckseite 153 und die Saugseite 154 in radialer Richtung zwischen der Wurzel 155 und einer radial äußeren Schaufelspitze (oder einfach „äußeren Spitze“) 159.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird ein RF-Tag 160 mit herkömmlichen Mitteln an einer oder mehreren Stelle(n) der Rotorschaufel 150 angebracht oder geklebt. Wie in 4 gezeigt (obwohl nicht maßstabsgetreu dargestellt), wird ein RF-Tag 160 an zwei verschiedenen Stellen angebracht: 1) dem etwa mittleren Bereich der Saugseite des Schaufelblatts 152; und 2) nahe der äußeren radialen Kante der Saugseite des Schaufelblatts 152 nahe der Vorderkante 156. Diese Positionen sind beispielhaft, da es andere Positionen auf einer Rotorschaufel gibt, an denen die Überwachung der Informationen, die von diesen Tags gesammelt werden können, vorteilhaft sein kann. Wie beschrieben, kann das RF-Tag 160 eine herkömmliche Schaltung und eine Antenne 162 zum Empfangen und Senden von Daten einschließen. Beispielsweise kann das RF-Tag 160 an der Rotorschaufel 150 durch Laminieren zwischen äußeren Platten oder Schichten oder Beschichtungen befestigt werden, sodass die elektronischen Merkmale des RF-Tags 160 vor den Bedingungen innerhalb des Turbinentriebwerks geschützt sind. Es sind auch andere Möglichkeiten zum Befestigen des RF-Tags 160 an der Rotorschaufel 150 möglich, wie beispielsweise ein thermischer Sprühauftrag.
Innerhalb des Verdichters oder der Turbine können RF-Tags 160 an jeder der Rotorschaufeln in einer bestimmten Reihe oder Reihen angebracht sein, oder gemäß anderen Ausführungsformen können nur ausgewählte Schaufeln mit einer Reihe, als repräsentativ für den Gesamtzustand der Reihe, überwacht werden. Wie weiter unten erläutert wird, kann ein RF-Lesegerät 166 in geeigneter Weise in dem Verdichter oder der Turbine in einem Abstand bereitgestellt werden, sodass es die RF-Tags 160 auf den sich drehenden Schaufeln lesen kann, wenn sie vorbeiziehen. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen ist das RF-Tag 160 ein passives RF-Tag, sodass es mit dem RF-Lesegerät 166 kommuniziert, ohne eine interne Stromversorgung zu benötigen. Das RF-Tag 160 kann klein und so konfiguriert sein, dass es minimal eingreifend ist und der rauen Turbinenumgebung für geeignete Dauer standhält. Es versteht sich, dass das RF-Tag 160 eine Schaltung einschließt, die diesem ermöglicht, die von einer Antenne des RF-Lesegeräts 166 gesendete RF-Welle zu empfangen. Nach dem Empfang kann das RF-Tag konfiguriert werden, um die Frequenz der RF-Welle auf eine bekannte oder erwartete Frequenz zu ändern, sodass das Rücksignal das bestimmte RF-Tag identifiziert. Es können auch andere herkömmliche Wege zum Identifizieren der Quelle eines RF-Rückkehrsignals verwendet werden.
Mit Bezug auf 5 wird nun ein beispielhaftes RF-System 180 gemäß Gesichtspunkten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Das RF-System 180, das auch als RF-Schaufelzeitgebungssystem bezeichnet werden kann, kann in einer Turbinentriebwerkumgebung arbeiten, die beispielsweise eine Reihe von Statorschaufeln 182 und Rotorschaufeln 181 einschließt. Die Statorschaufeln 182 sind an einem Gehäuse 184 angebracht und bleiben stationär, während die Rotorschaufeln 181 an einer Rotorscheibe angebracht sind und sich um die Mittelachse des Motors drehen. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen schließt das RF-System 180 ein oder mehrere RF-Tags 160 ein, die an einem oder mehreren der Rotorschaufeln 181 angebracht sind. Die RF-Tags 160 können passiv sein. Das RF-System 180 kann ferner ein oder mehrere RF-Lesegeräte 166 einschließen. Jedes der RF-Lesegeräte 166 kann mit herkömmlichen Mitteln an einer beliebigen nicht rotierenden Oberfläche innerhalb des Turbinentriebwerks angebracht werden, die sich während des Betriebs in einem geeigneten Abstand von den rotierenden RF-Tags 160 befindet. Wie gezeigt, kann das RF-Lesegerät 166 zum Beispiel an einer Statorschaufel 182 angebracht sein, wie zum Beispiel einer der in den 1 bis 3 gezeigten Verdichterstatorschaufeln 122 oder Turbinenstatorschaufeln 128. Alternativ kann das RF-Lesegerät 166 an dem Gehäuse 184 angebracht sein, beispielsweise an dem in den 1 bis 3 gezeigten Verdichtergehäuse 123 oder Turbinengehäuse 129.
Wie oben beschrieben, kann das RF-Lesegerät 166 durch Erzeugen einer RF-Welle oder eines RF-Signals 190 funktionieren, das ein elektromagnetisches Abfragefeld erzeugt. Das RF-Lesegerät kann auch konfiguriert sein, um ein RF-Rücksignal 191 von den RF-Tags 160 zu empfangen. Es versteht sich, dass das RF-Lesegerät 166 der vorliegenden Offenbarung Fälle einschließt, in denen die beschriebene Funktionalität des RF-Lesegeräts 166 über mehrere Vorrichtungen an verschiedenen Orten erreicht wird - wie beispielsweise eine Vorrichtung zum Erzeugen des RF-Signals und eine andere zum Empfangen des Rück-RF Signals - und die Beschreibung und Darstellung einer einzelnen Vorrichtung als RF-Lesegerät 166 ist nur beispielhaft. Die RF-Tags 160 können konfiguriert sein, um das RF-Rückkehrsignal 191 als Reaktion auf das Eintreten in das vom RF-Lesegerät 166 erzeugte Abfragefeld zu erzeugen.
Unter Bezugnahme auch auf 6 schließt eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ein RF-System ein, wie beispielsweise das oben beschriebene RF-System 180, das auf die folgende Art und Weise funktioniert. Der Klarheit halber wird der beispielhafte Betrieb dieser Ausführungsform unter Bezugnahme auf ein einzelnes „RF-Lesegerät“ beschrieben, das in Bezug auf ein einzelnes „RF-Tag“ funktioniert, das an einer einzelnen „Rotorschaufel“ angebracht ist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass das beispielhafte RF-System im Gebrauch üblicherweise mehrere RF-Lesegeräte und mehrere RF-Tags einschließt, die an mehreren Rotorschaufeln angebracht sind, wobei jedes der mehreren RF-Tags in Bezug auf jedes der mehreren RF-Lesegeräte auf die gleiche Weise funktioniert wie das für das einzelne RF-Tag in Bezug auf das einzelne RF-Lesegerät beschriebene. Zu beschreibenden Zwecken kann die Rotorschaufel auch so beschrieben werden, dass sie sich um die Mittelachse des Turbinentriebwerks entlang eines „Drehwegs“ dreht.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann das RF-Lesegerät zum Überwachen des RF-Tags geeignet auf einer stationären Oberfläche im Turbinentriebwerk positioniert sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das RF-Lesegerät so konfiguriert, dass er zwischen zwei Betriebsmodi wechselt: einem Signalerzeugungsmodus (oder einfach „Signalisierungsmodus“); und einen Rückkehrsignal-Abhörmodus (oder einfach „Abhörmodus“). Gemäß beispielhaften Ausführungsformen arbeitet das RF-Lesegerät anfänglich im Signalisierungsmodus. Insbesondere erzeugt oder sendet das RF-Lesegerät ein RF-Signal in einem diskreten Burst oder Ping. Dieses RF-Signal oder der Ping bildet einen RF-Weg mit einer bekannten oder vorbestimmten Frequenz. Sobald der Ping generiert wurde, wandert er vom RF-Lesegerät zum RF-Tag, das an der Rotorschaufel befestigt ist. Nach dem Erzeugen dieses Pings wechselt das RF-Lesegerät vom Signalisierungsmodus in den Abhörmodus.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen ist das RF-Tag ein passives RF-Tag. Wenn somit die RF-Welle des Pings das RF-Tag erreicht, veranlasst sie das RF-Tag, ein RF-Rücksignal zu emittieren. Die RF-Tags können so konfiguriert sein, dass sie die Frequenz der RF-Welle des Pings im RF-Rücksignal ändern. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen ändert das RF-Tag die Frequenz der RF-Welle auf eine eindeutige Weise, sodass die geänderte Frequenz des zurückkommenden RF-Signals es als vom RF-Tag stammend identifiziert. Wie bereits erwähnt, hat das RF-Lesegerät nach dem Erzeugen des Pings vom Signalisierungsmodus in den Abhörmodus gewechselt, um das vom RF-Tag erwartete RF-Rücksignal zu empfangen. Das RF-Lesegerät wartet im Abhörmodus und empfängt das RF-Rücksignal vom RF-Tag, wenn es ankommt.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen besteht ein nächster Schritt darin, eine „Flugzeit“ für die RF-Welle zu berechnen, die von dem RF-Lesegerät zu dem RF-Tag und zurück gereist ist. Somit ist, wie hierin verwendet, die Flugzeit die Zeit, die zwischen dem Senden des Pings durch das RF-Lesegerät und dem Empfangen des entsprechenden RF-Rückkehrsignals von dem RF-Tag durch das RF-Lesegerät auftritt. Dazu wird der genaue Zeitpunkt, zu dem der Ping vom RF-Lesegerät erzeugt wurde, und der genaue Zeitpunkt, zu dem das entsprechende RF-Rücksignal vom RF-Lesegerät empfangen wird, aufgezeichnet. Aus diesen beiden aufgezeichneten Ereignissen wird die Flugzeit als die zwischen ihnen auftretende Verzögerung bestimmt. Somit repräsentiert die Flugzeit die Zeitdauer, die die RF-Welle des Pings benötigt, um vom RF-Lesegerät zum RF-Tag zu gelangen, plus die Zeitdauer, die das Rücksignal benötigt, um vom RF-Tag zum RF-Lesegerät zu gelangen. Anders ausgedrückt ist die Flugzeit die Zeitdauer, die zwischen dem Erzeugen des Pings und dem Empfangen des RF-Rückkehrsignals auftritt. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann die Flugzeit durch das RF-Lesegerät, einer computerimplementierten Steuerung, die betriebsfähig über eine Kommunikationsverbindung mit dem RF-Lesegerät verbunden ist, wie beispielsweise die Steuerung 200, die nachstehend in Bezug auf 9 erläutert wird oder einer computerimplementierten Steuerung, die in das RF-Lesegerät integriert ist, sei es lokal oder fernintegriert, wie beispielsweise die Steuerung 200 von 9 oder eine Kombination davon, berechnet werden.
Das Verfahren wird fortgesetzt, indem dieser Vorgang des „Ping- und Abhörprozesses“ in extrem kurzen Zeitintervallen wiederholt wird. Auf diese Weise können die Flugzeitdaten für das RF-Tag gesammelt und im Zeitbereich aufgezeichnet werden. Es versteht sich, dass die Beobachtung dieser Flugzeitdaten im Zeitbereich eine abnehmende Flugzeit zeigt, wenn sich das RF-Tag auf der Rotorschaufel dem stationären RF-Lesegerät nähert, worauf eine zunehmende Flugzeit folgt, wenn sich das RF-Tag vom stationären RF-Lesegerät entfernt. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen repräsentiert der Punkt, an dem die Flugzeit für das RF-Tag ein Minimum erreicht, den Zeitpunkt, an dem das RF-Tag dem RF-Lesegerät am nächsten gekommen ist, während die Rotorschaufel vorbeizieht. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen wird dieser Zeitpunkt als die „Ankunftszeit“ für die Rotorschaufel oder insbesondere die Ankunftszeit des spezifischen Abschnitts der Rotorschaufel angesehen, an der das RF-Tag angebracht ist.
Die „Ankunftszeit“ für das RF-Tag kann von mehreren RF-Lesegeräten aufgezeichnet werden, die so konfiguriert sind, dass sie wie das RF-Lesegerät funktionieren, wenn sich das RF-Tag/Rotorschaufel um den Arbeitsfluidströmungsweg der Turbine dreht. Die von den mehreren RF-Lesegeräten erfassten Ankunftszeitdaten können dann in Standard-Schaufelzeitgebungsalgorithmen eingegeben werden, um die Schwingungsantwort, einschließlich Amplitude und Frequenz, der Rotorschaufel während des Betriebs zu bestimmen.
Beispielsweise schließt 6 ein grafisches Diagramm 195 von Ankunftszeitdaten für drei Rotorschaufeln mit jeweils drei RF-Tags ein, die an einem stationären RF-Lesegerät vorbeiziehen. Der oben beschriebene „Ping und Abhörprozess“ kann vom RF-Lesegerät wiederholt werden, und die resultierenden Flugzeitdaten für die drei Rotorschaufeln können im Zeitbereich aufgezeichnet werden. Wie in Diagramm 195 gezeigt, repräsentiert die X-Achse „Zeit“, während die Y-Achse „Flugzeit“ repräsentiert. Für jede der drei Rotorschaufeln kann der Zeitpunkt, zu dem das RF-Tag dem stationären RF-Lesegerät am nächsten kommt, als der Zeitpunkt bestimmt werden, der der minimalen Flugzeit entspricht. Im Allgemeinen haben die im Zeitbereich aufgezeichneten Flugzeitdaten eine allgemeine „U“- oder „V“-Form, die abnimmt, wenn sich die Rotorschaufel dem stationären RF-Lesegerät nähert, bevor ein Mindestwert erreicht wird, und dann zunimmt, wenn sich die Rotorschaufel weg bewegt. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann die minimale Flugzeit durch mathematisches Schätzen der minimalen Flugzeit bei angenommener Form des Zeitbereichsdiagramms bestimmt werden. Alternativ kann der Schritt des Bestimmens der minimalen Flugzeit das Auswählen der Flugzeit mit einem geringsten Wert aus den gesammelten Flugzeitdatenpunkten einschließen.
Sobald die minimale Flugzeit gefunden ist, kann die entsprechende Zeit auf der X-Achse als Ankunftszeit für die bestimmte Rotorschaufel angesehen werden. Anhand eines Drehzahlsignals des Rotors oder anderer Techniken kann dann bestimmt werden, ob die Ankunftszeit jeder der Rotorschaufel anzeigt, ob sie „pünktlich“, „früh“ oder „spät“ ist, und, und in Bezug auf die beiden letzteren das Ausmaß, in dem die Rotorschaufel zu früh oder zu spät ist. Sobald solche Ankunftszeitdaten für jede der Rotorschaufeln bekannt sind, können sie in Industriestandardalgorithmen eingegeben werden, aus denen die Schwingungsantwort der Rotorschaufeln abgeleitet wird, die als Indikator für den Zustand der Schaufeln dienen kann und/oder auf das Vorhandensein von Defekten deuten kann.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen kann, wenn mehrere RF-Tags verwendet werden, jedes konfiguriert sein, um die RF-Signalwelle auf eine andere Frequenz in dem RF-Rücksignal zu ändern, was verwendet werden kann, um zwischen mehreren Rückkehrsignalen zu unterscheiden, sodass für jedes ein Quellen-RF-Tag ermittelt wird. Das RF-Lesegerät kann zwischen mehreren Rückmeldesignalen unterscheiden, die von mehreren RF-Tags ausgegeben werden, die auf verschiedenen Rotorschaufeln angeordnet sind, und/oder mehreren RF-Tags, die auf verschiedenen Regionen derselben Rotorschaufel angeordnet sind. Wie in 6 dargestellt, kann das RF-Lesegerät somit mehrere Rückmeldesignale empfangen, die von mehreren RF-Tags als Reaktion auf denselben Ping gesendet wurden, und in jedem Fall das jeweilige RF-Tag erkennen, dem jedes entspricht. Ein weiterer Vorteil der Frequenzverschiebung des Rückkehrsignals besteht darin, dass, wenn der RF-Leser ein RF-Signal empfängt, das dieselbe Frequenz wie der Ping hat (d.h. das vom RF-Lesegerät erzeugte RF-Signal), davon ausgegangen werden kann, dass es sich lediglich um eine innerhalb der Turbine auftretende Reflexion handelt, und kein RF-Rücksignal von einem der mehreren Tags.
So können beispielhafte Verfahren und Systeme zum Bestimmen einer Ankunftszeit einer Rotorschaufel beispielsweise das Verwenden eines „Flugzeit“-Kriteriums in Verbindung mit einem an einer stationären Oberfläche angebrachten RF-Lesegerät und einem an einer Rotorschaufel angebrachten RF-Tag einschließen. Während des Betriebs des Turbinentriebwerks können Flugzeitdatenpunkte über einen RF-Überwachungsprozess (auch „Flugzeit-RF-Überwachungsprozess“) erfasst werden, der Folgendes einschließt: Aussenden eines RF-Signals vom RF-Lesegerät; Aufzeichnen eines ersten Zeitpunkts, zu dem das RF-Signal vom RF-Lesegerät ausgesendet wird; Empfangen des RF-Signals an dem RF-Tag und Senden eines RF-Rückkehrsignals durch das RF-Tag als Antwort darauf; Empfangen des RF-Rückkehrsignals am RF-Lesegerät; Aufzeichnen eines zweiten Zeitpunkts, zu dem das RF-Rücksignal am RF-Lesegerät empfangen wird; und Bestimmen des Flugzeitdatenpunkts als eine Dauer, die zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt auftritt. Der RF-Überwachungsprozess kann wiederholt werden, bis mehrere Flugzeitdatenpunkte gesammelt sind. Dann kann eine minimale Flugzeit aus den mehreren Flugzeitdatenpunkten bestimmt werden, und aus der minimalen Flugzeit wird die Ankunftszeit für die Rotorschaufel als eine Zeit bestimmt, die der minimalen Flugzeit entspricht. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen kann der Überwachungsprozess wiederholt werden, sodass die mehreren Flugzeitdatenpunkte mindestens Folgendes einschließen: eine Mehrzahl der Flugzeitdatenpunkte, wenn sich die Rotorschaufel dem RF-Lesegerät nähert; und eine Vielzahl von Flugzeitdatenpunkten, wenn sich die Rotorschaufel von dem RF-Lesegerät wegbewegt. Die mehreren Flugzeitdatenpunkte können eine Reihe von Flugzeitdatenpunkten einschließen, die sequentiell während eines Teils einer einzelnen Umdrehung der Rotorschaufel entlang des Drehwegs aufgenommen werden. Schließlich kann das Verfahren wiederholt werden, sodass ein Satz von Ankunftszeitdatensätzen gesammelt wird, wobei der Datensatz mehrere Ankunftszeiten einschließt, die für unterschiedliche Umdrehungen der Rotorschaufel um den jeweiligen Drehweg berechnet wurden. Der Ankunftszeitdatensatz kann dann verwendet werden, um eine Schwingungsantwort der Rotorschaufel zu berechnen.
Unter Bezugnahme auf 7 wird nun eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Wie zu sehen sein wird, wird bei dieser Ausführungsform ein RF-System, wie beispielsweise das oben beschriebene RF-System 180, auf eine andere Weise betrieben, um Ankunftszeitdaten von vorbeiziehenden Rotorschaufeln zu sammeln. Wiederum der Klarheit halber wird der beispielhafte Betrieb dieser Ausführungsform unter Bezugnahme auf ein einzelnes „RF-Lesegerät“ beschrieben, das in Bezug auf ein einzelnes „RF-Tag“ funktioniert, das an einer einzelnen „Rotorschaufel“ angebracht ist. Es versteht sich jedoch, dass auch mehrere RF-Lesegeräte und mehrere an mehreren Rotorschaufeln angebrachte RF-Tags verwendet werden können.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist das RF-Lesegerät zum Überwachen der Rotorschaufel geeignet auf einer stationären Oberfläche in der Turbine positioniert. In diesem Fall ist der RF-Leser jedoch nicht so konfiguriert, dass er zwischen einem Signalisierungsmodus und einem Abhörmodus wechselt, stattdessen ist das RF-Lesegerät so konfiguriert, dass es kontinuierlich oder in sehr kurzen Zeitintervallen ein RF-Signal aussendet und gleichzeitig kontinuierlich auf das von dem RF-Tag zurückgesendete RF-Signal wartet, das nach wie vor ein passives RF-Tag sein kann. Das kontinuierliche oder Kurzintervall-RF-Signal von dem RF-Lesegerät induziert ein ähnliches formatiertes RF-Rückkehrsignal von dem RF-Tag, das von dem RF-Lesegerät empfangen wird, das, wie angegeben, kontinuierlich abhört. Ähnlich wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform kann das RF-Tag konfiguriert sein, um die Frequenz der RF-Welle in dem RF-Rücksignal zu ändern, sodass die Quelle des RF-Rücksignals von dem RF-Lesegerät bestimmt werden kann.
Anstatt Änderungen der „Flugzeit“ zu verwenden, um die Ankunftszeit zu bestimmen, verwendet die vorliegende Ausführungsform Änderungen der Größe oder Signalstärke (auch „Stärke des Signals“) des RF-Rückkehrsignals. Es versteht sich, dass die Signalstärke des RF-Rückkehrsignals von mehreren Faktoren abhängig ist, einschließlich vor allem vom Abstand zwischen dem RF-Tag und dem RF-Lesegerät. Während einer Umdrehung überwacht das RF-Lesegerät die sich ändernde Signalstärke des RF-Rückkehrsignals und zeichnet dessen Werte auf. Wenn sich beispielsweise die Rotorschaufel näher an das RF-Lesegerät heranbewegt, nimmt die Signalstärke des RF-Rückkehrsignals zu, und wenn sich die Rotorschaufel vom RF-Lesegerät wegbewegt, nimmt die Signalstärke ab. Die Form der Kurve, in der die Signalstärke im Zeitbereich aufgetragen ist, ähnelt somit einem umgedrehten „U“ oder „V“ - der Umkehrung des oben genannten „Flugzeit“-Diagramms von 6.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die maximale Signalstärke verwendet, um die Ankunftszeit der Rotorschaufel anzuzeigen. Das heißt, der Punkt, an dem die Signalstärke für das RF-Tag ein Maximum erreicht, repräsentiert den Zeitpunkt, an dem das RF-Tag dem RF-Lesegerät am nächsten kommt, wenn die Rotorschaufel vorbeizieht. Dieser Zeitpunkt wird die „Ankunftszeit“ der Rotorschaufel oder insbesondere die Ankunftszeit des bestimmten Bereichs der Rotorschaufel, an der das RF-Tag angebracht ist. Nach wie vor können solche „Ankunftszeit“-Daten für die Rotorschaufel von mehreren RF-Lesegeräten gemessen und aufgezeichnet werden, die um den Arbeitsfluidströmungsweg positioniert sind. Die „Ankunftszeit“-Daten, die von den mehreren RF-Lesegeräten auf diese Weise gesammelt wurden, können dann in standardmäßige Nachbearbeitungsalgorithmen für die Schaufelzeitgebung eingegeben werden, um die Schwingungsantwort der Rotorschaufel zu bestimmen.
Unter spezieller Bezugnahme auf 7 ist ein Diagramm 196 von Ankunftszeitdaten für drei Rotorschaufeln mit jeweils drei RF-Tags gezeigt, die an einem stationären RF-Lesegerät vorbeiziehen. Wie oben beschrieben, kann der Prozess des kontinuierlichen Aussendens und Abhörens (oder in sehr kurzen Intervallen) vom RF-Lesegerät durchgeführt werden, und die resultierenden Signalstärkedaten für die RF-Rückkehrsignalstärke der drei RF-Tags können in dem Zeitbereich aufgezeichnet werden. Wie in der grafischen Darstellung 195 gezeigt, repräsentiert die X-Achse „Zeit“, während die Y-Achse „RF-Rücksignalstärke“ repräsentiert. Für jedes der drei RF-Tags kann der Zeitpunkt, zu dem jedes dem stationären RF-Lesegerät am nächsten kommt, als die Zeit auf der X-Achse bestimmt werden, die dem Maximalwert der RF-Rücksignalstärke entspricht. In jedem Fall wird die entsprechende Zeit auf der X-Achse als Ankunftszeit angesehen, sobald die maximale Signalstärke des RF-Rücksignals gefunden ist. Daraus kann dann unter Verwendung eines Drehzahlsignals des Rotors oder anderer Techniken bestimmt werden, ob die Ankunftszeit der Rotorschaufel angibt, ob die Rotorschaufel „pünktlich“, „früh“ oder „spät“ ist, und in Bezug auf die beiden letzteren das Ausmaß, in dem die Rotorschaufel zu früh oder zu spät ist. Und wie im obigen Beispiel können solche Ankunftszeitdaten, sobald sie für jede der Rotorschaufeln bekannt sind, in Industriestandardalgorithmen eingegeben werden, die die Schwingungsantwort jede der Rotorschaufel ableiten, die als Indikator für den Zustand der Schaufeln dienen kann und/oder auf das Vorhandensein von Defekten deuten kann. Schließlich kann gemäß beispielhafter Ausführungsformen, wenn mehrere RF-Tags verwendet werden, jedes konfiguriert sein, um die RF-Signalwelle auf eine andere Frequenz zu ändern, die verwendet werden kann, um zwischen mehreren Rückkehrsignalen zu unterscheiden, sodass für jedes ein Quellen-RF-Tag ermittelt werden kann.
So können beispielhafte Verfahren und Systeme zum Bestimmen einer Ankunftszeit einer Rotorschaufel beispielsweise das Verwenden eines „Stärke des Signals“-Kriteriums in Verbindung mit einem an einer stationären Oberfläche angebrachten RF-Lesegerät und einem an einer Rotorschaufel angebrachten RF-Tag einschließen. Während des Betriebs des Turbinentriebwerks können Signalstärkedatenpunkte über einen RF-Überwachungsprozess (auch „Signalstärke-RF-Überwachungsprozess“) erfasst werden, der Folgendes einschließt: Senden eines RF-Signals vom RF-Lesegerät; Empfangen des RF-Signals am RF-Tag und Senden eines RF-Rücksignal durch das RF-Tag als Antwort darauf; Empfangen des RF-Rückkehrsignals am RF-Lesegerät; Messen einer Signalstärke des vom RF-Lesegerät empfangenen RF-Rückkehrsignals; und Bestimmen des Signalstärkedatenpunkts als gleich der gemessenen Signalstärke. Der RF-Überwachungsprozess kann wiederholt werden, bis mehrere Signalstärkedatenpunkte gesammelt sind. Dann kann eine maximale Signalstärke aus den mehreren Signalstärkedatenpunkten bestimmt werden, und aus der maximalen Signalstärke wird die Ankunftszeit für die Rotorschaufel als eine Zeit bestimmt, die der maximalen Signalstärke entspricht. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen kann der Überwachungsprozess wiederholt werden, sodass die mehreren Flugzeitdatenpunkte mindestens Folgendes einschließen: eine Vielzahl der Signalstärkedatenpunkte, wenn sich die Rotorschaufel dem RF-Lesegerät nähert; und eine Vielzahl von Signalstärkedatenpunkten, wenn sich die Rotorschaufel von dem RF-Lesegerät wegbewegt. Die mehreren Signalstärkedatenpunkte können eine Reihe von Signalstärkedatenpunkten einschließen, die sequentiell während eines Teils einer einzelnen Umdrehung der Rotorschaufel entlang des Drehwegs aufgenommen werden. Schließlich kann das Verfahren wiederholt werden, sodass Ankunftszeitdatensätze gesammelt werden, wobei der Ankunftszeit-Datensatz mehrere Ankunftszeiten einschließt, die für unterschiedliche Umdrehungen der Rotorschaufel um den jeweiligen Drehweg berechnet wurden. Der Ankunftszeitdatensatz kann dann verwendet werden, um eine Schwingungsantwort der Rotorschaufel zu berechnen.
Mit Bezug auf 8 wird nun eine andere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht, die in Bezug auf eine Rotorschaufel 150 diskutiert wird, die beispielsweise eine Rotorschaufel sein kann, die in dem Turbinenabschnitt einer Gasturbine oder einer Dampfturbinenmaschine verwendet wird. In diesem Fall schließt das RF-System ein oder mehrere Referenz-RF-Tags ein, die dem System hinzugefügt werden, um bestimmte Gesichtspunkte in Bezug auf die Erfassung von Ankunftszeitdaten zu verbessern.
Ähnlich wie im obigen Beispiel kann die Rotorschaufel 150 die gleichen allgemeinen Ausrichtungsmerkmale einschließen, einschließlich eines Schaufelblatts 152, das sich radial zwischen einer Wurzel 155 und einer Außenspitze 159 erstreckt. Das Schaufelblatt 152 kann auch eine Druckseite 153 und eine Saugseite 154 einschließen, die sich zwischen einer Vorderkante 156 und einer Hinterkante 158 erstrecken. Wie ebenfalls in 8 gezeigt, kann die Wurzel 155 des Rotorschaufel 150 mit einem Rotorrad 197 verbunden sein. Ferner schließt die Wurzel 155 eine Plattform 198 ein, die die im Wesentlichen flache Oberfläche ist, von der aus sich das Schaufelblatt 152 erstreckt. Es versteht sich, dass die Plattformen 150 benachbarter Rotorschaufeln 150 aneinander stoßen, um die innere radiale Grenze des Arbeitsfluidströmungswegs zu definieren.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform können ein oder mehrere RF-Tags 160 an einer oder mehreren Stelle(n) auf der Rotorschaufel 150 angebracht sein. Gemäß bevorzugter Ausführungsformen sind das eine oder die mehreren RF-Tags 160 auf dem Schaufelblatt 152 in Bereichen des Schaufelblattes 152 angeordnet, die weniger steif sind und sich während des Betriebs stärker durchbiegen. Zum Beispiel kann, wie veranschaulicht, ein RF-Tag 160 gesichert werden an: 1) dem etwa mittleren Bereich der Druckseite 153 des Schaufelblattes 152 nahe der Hinterkante 158 und 2) nahe der Außenspitze 159 der Druckseite 153 des Schaufelblattes 152 nahe der Vorderkante 156. Diese Positionen sind beispielhaft, da es andere Positionen auf einer Rotorschaufel gibt, an denen die Überwachung über zusätzliche RF-Tags vorteilhaft sein kann.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden ein oder mehrere zusätzliche RF-Tags, die hierin als „Referenz-RF-Tags 199“ bezeichnet werden, an einer oder mehreren rotierenden Komponente(n) in der Nähe der RF-Tags 160 angebracht, um die Leistung der Schaufelzeitgebungssyteme und -verfahren, die oben offenbart wurden, zu verbessern. Gemäß bevorzugter Ausführungsformen können die Referenz-RF-Tags 199 an starreren Abschnitten der Rotorschaufel 150 und/oder einer anderen starren Drehstruktur angebracht sein, die sich in der Nähe der Position der RF-Tags 160 befindet. Im Allgemeinen kann, wie zu sehen sein wird, das Referenz-RF-Tag 199 verwendet werden, um eine Basislinie oder Referenzankunftszeit bereitzustellen, mit der die Ankunftszeit der anderen RF-Tags 160 verglichen werden kann.
Allgemein können die Referenz-RF-Tags 199 an einer beliebigen rotierenden Struktur in der Nähe eines der RF-Tags 160 positioniert sein. In Bezug auf bevorzugte Orte für das Referenz-RF-Tag 199 können diese, wie angegeben, eine starre rotierende Struktur in der Nähe des Ortes der RF-Tags 160 einschließen. Beispielsweise ist, wie in der beispielhaften Ausführungsform von 8 gezeigt, ein erster möglicher Ort für das Referenz-RF-Tag 199 der innere radiale Abschnitt des Schaufelblatts 152. Es versteht sich, dass die Steifigkeit des Schaufelblatts 152 zunimmt, wenn es sich der Wurzel 155 nähert, was diese Position in der Nähe der Wurzel wünschenswert macht. Ein zweiter möglicher Ort für das Referenz-RF-Tag 199 ist eine Position auf der Wurzel 155 der Rotorschaufel 150. Wie veranschaulicht, kann beispielsweise das Referenz-RF-Tag 199 an der Plattform 198 der Wurzel 155 angebracht sein. Andere Stellen an der Wurzel 155 sind ebenfalls möglich, wie beispielsweise die Unterseite der Plattform 198 oder der Schaftabschnitt, der sich zwischen der Plattform 198 und einem Schwalbenschwanzverbinder erstreckt, der zum Anbringen der Rotorschaufel 150 an dem Rotorrad 197 verwendet wird. Ein dritter möglicher Ort für das Referenz-RF-Tag 199 ist am Rotorrad 197. In diesem Fall kann, wie gezeigt, das Referenz-RF-Tag 199 auf dem Außenumfang des Rotorrads 199 so angeordnet sein, dass es etwa in Umfangsrichtung mit dem Rotorblatt 150 zusammenfällt oder mit diesem ausgerichtet ist, auf dem sich die RF-Tags befinden. Im Gebrauch können die Referenz-RF-Tags 199 auf dieselbe allgemeine Weise verwendet werden, die oben in Bezug auf die RF-Tags 160 beschrieben wurde. Das heißt, Ankunftszeitdaten können für die Referenz-RF-Tags 199 entweder unter Verwendung der „Flugzeit“- oder „Signalstärke“-Verfahren gesammelt werden.
Wenn die Ankunftszeit für einen bestimmten Bereich der Rotorschaufel - wie die Außenspitze des Schaufelblattes - bestimmt wird (entweder durch herkömmliche Sonden oder durch die hierin beschriebenen RF-Systeme), bleibt eine zusätzliche Anforderung, die tatsächliche Ankunftszeit für die Rotorschaufel zum Vergleich zu kennen. Auf diese Weise kann bestimmt werden, ob die Ankunftszeit der bestimmten Region „pünktlich“, „früh“ oder „spät“ ist, und daraus kann die Schwingungsantwort der Rotorschaufel abgeleitet werden. Herkömmliche Schaufelzeitgebungstechniken bestimmen im Allgemeinen die tatsächliche Ankunftszeit der Rotorschaufel unter Bezugnahme auf einen Rotorgeschwindigkeitsparameter, d.h. die gemessene Geschwindigkeit des Rotorrads, an dem die Rotorschaufel angebracht ist. Dies hat jedoch mehrere Nachteile. Zunächst wird die Rotordrehzahl über einen Sensor gemessen, der Teil eines separaten Steuersystems des Turbinentriebwerks ist, und um auf die Rotordrehzahlwerte zum Zwecke der Schaufelsteuerung zuzugreifen, sind einige Einstellungen und Neukonfigurationen erforderlich. Zweitens ist das Messen der Rotordrehzahl ein langsamerer Prozess, der eine Verspätung oder Verzögerung der Schaufelzeitgebung einführt, selbst wenn eine solche Kommunikationsrekonfiguration erreicht wird. Drittens ist die Messung der Rotordrehzahl im Allgemeinen zu Zwecken der Schaufelzeitgebung nicht so genau wie gewünscht, was zu einer gewissen Unsicherheit der Ergebnisse führt.
Mit der vorgeschlagenen Verwendung eines RF-Referenz-Tags entfällt die Notwendigkeit, sich auf die Rotordrehzahl oder andere Sensormessungen zu beziehen, um die tatsächliche Ankunftszeit der Rotorschaufel zu bestimmen. Insbesondere wird die tatsächliche Ankunftszeit der Rotorschaufel, mit der die Ankunftszeit der anderen RF-Tags verglichen werden kann, durch das Referenz-RF-Tag bestimmt. Zu diesem Zweck wird das Referenz-RF-Tag auf einer starren rotierenden Struktur in der Nähe der anderen RF-Tags angeordnet, sodass die Ankunftszeit des Referenz-RF-Tags als die reale oder, wie hierin verwendet, „tatsächliche Ankunftszeit“ für die Rotorschaufel selbst angenommen werden kann. Wie oben beschrieben, schließen bevorzugte Stellen für das Referenz-RF-Tag die inneren radialen Abschnitte des Schaufelblatts, der Plattform oder der Wurzel und/oder des Rotorrads ein.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform können RF-Schaufelzeitgebungssysteme der vorliegenden Offenbarung ein oder mehrere RF-Lesegeräte und eine oder mehrere Rotorschaufel einschließen, die jeweils ein oder mehrere RF-Tags und ein oder mehrere Referenz-RF-Tags enthalten, die der Klarheit halber unter Bezugnahme auf einen einzelnen RF-Leser, eine Rotorschaufel, ein RF-Tag und ein Referenz-RF-Tag beschrieben werden können. Im Gebrauch kann die Ankunftszeit des Referenz-RF-Tags und des RF-Tags durch das RF-Lesegerät entweder über den Flugzeit-RF-Überwachungsprozess, den Signalstärke-RF-Überwachungsprozess, wie oben beschrieben, oder einen anderen berechnet werden. Die für das Referenz-RF-Tag berechnete Ankunftszeit kann als tatsächliche Ankunftszeit für die Rotorschaufel bezeichnet werden. Durch Vergleichen dieser Zeit mit der für das RF-Tag berechneten Ankunftszeit kann dann bestimmt werden, ob das RF-Tag pünktlich angekommen ist oder in welchem Ausmaß es zu früh oder zu spät angekommen ist oder, anders ausgedrückt, verfrüht oder verzögert in Bezug auf die Ankunftszeit der Rotorschaufel. Wenn sich das RF-Tag beispielsweise an der Außenspitze befindet, kann eine zu frühe oder zu späte Ankunft eine Auslenkung anzeigen, die durch das Schaufelblatt als Reaktion auf eine Betriebsvibration auftritt. Sobald solche Ankunftszeitdaten bekannt sind, d.h. das Ausmaß zu dem das RF-Tag in Bezug auf das Referenz-RF-Tag zu früh, rechtzeitig oder zu spät ist, können die Daten in Industriestandardalgorithmen eingegeben werden, aus denen die Schwingungsantwort der Rotorschaufel abgeleitet wird. Es versteht sich ferner, dass Referenz-RF-Tags auf ähnliche Weise zum Vergleichen von Ankunftszeitdaten zwischen zwei beliebigen unterschiedlichen rotierenden Komponenten oder unterschiedlichen Regionen einer rotierenden Komponente verwendet werden können.
So können beispielhafte Verfahren und Systeme zum Bestimmen einer Ankunftszeit einer Rotorschaufel beispielsweise das Verwenden eines Referenz-RF-Tags in Verbindung mit einem an einer stationären Oberfläche angebrachten RF-Lesegerät und einem an einer Rotorschaufel angebrachten RF-Tag einschließen. Das RF-Tag kann an einem ersten Bereich der Rotorschaufel angebracht sein, während das Referenz-RF-Tag an einer rotierenden Struktur in der Nähe des RF-Tags angebracht ist. Im Gebrauch - zum Beispiel in Bezug auf eine erste Umdrehung der Rotorschaufel, die während des Betriebs des Turbinentriebwerks auftritt - kann die Ankunftszeit für das RF-Tag und das Referenz-RF-Tag mit dem RF-Lesegerät über einen RF-Überwachungsprozess erfasst werden, der den Flugzeit-RF-Überwachungsprozess oder den Signalstärke-RF-Überwachungsprozess einschließen kann. Die Ankunftszeit des RF-Tags kann mit der Ankunftszeit des Referenz-RF-Tags verglichen werden, um ein Ankunftszeit-Testergebnis für den ersten Bereich der Rotorschaufel für die erste Umdrehung zu bestimmen. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen können sowohl das RF-Tag als auch das Referenz-RF-Tag passiv sein. Wie oben angegeben, kann die Ankunftszeit des Referenz-RF-Tags als eine tatsächliche Ankunftszeit für die Rotorschaufel bezeichnet werden. Das Ankunftszeit-Testergebnis für den ersten Bereich der Rotorschaufel kann somit einen Betrag angeben, um den die Ankunftszeit des ersten Bereichs der Rotorschaufel der bezeichneten tatsächlichen Ankunftszeit der Rotorschaufel vorauseilt oder nacheilt. Das Verfahren kann ferner das Wiederholen der Schritte zum Sammeln des Ankunftszeit-Testergebnisses für den ersten Bereich der Rotorschaufel für mehrere andere Umdrehungen der Rotorschaufel während des Turbinenbetriebs einschließen. Diese können in einem Datensatz von Ankunftszeit-Testergebnissen zusammengestellt werden, die dann verwendet werden können, um eine Schwingungsantwort der Rotorschaufel zu berechnen.
Es versteht sich, dass die oben offenbarten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung für Schaufelzeitgebungsstudien verwendet werden können, einschließlich Vorab-Validierungstests neuer Rotorschaufelkonstruktionen und In-situ-Langzeitüberwachung des Rotorschaufelzustands. Schaufelzeitgebungssysteme und -verfahren der vorliegenden Offenbarung können sowohl an Verdichterrotorschaufeln als auch an Turbinenrotorschaufeln oder Turbinenschaufeln einschließlich Turbinenrotorschaufeln in Dampf- und Verbrennungsturbinenmotoren sowie an anderen rotierenden Bauteilen verwendet werden. Im Gegensatz zu der Hardware, die mit Lasersonden und anderen Sensoren herkömmlicher Schaufelzeitgebungstechniken verbunden ist, sind die von den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung geforderten RF-Vorrichtungen sowohl kostengünstig als auch anwendungsunabhängig, was sie wiederverwendbar macht und die Implementierungskosten weiter senkt. Darüber hinaus können die erforderlichen RF-Vorrichtungen - einschließlich der RF-Lesegeräte und RF-Tags - in der rauen Turbinenumgebung implementiert werden, ohne dass Kühlluft erforderlich ist, was regelmäßige Langzeittests ermöglicht. Zu den weiteren und damit verbundenen Vorteilen zählen RF-basierte Systeme für die Schaufelzeitgebung, die vor Ort mit geringeren Anfangsinvestitionen einfacher installiert und implementiert werden können. Schließlich können Systeme der vorliegenden Offenbarung viel mehr Daten bereitstellen, die inhaltsreicher und zuverlässiger sind.
Unter Bezugnahme auf 9 kann das RF-Schaufelzeitgebungssystem der vorliegenden Offenbarung Rechen- und Verarbeitungsressourcen einschließen, wie beispielsweise ein computerimplementiertes Steuersystem oder eine Steuerung 200, die verwendet werden können, um bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung oder Komponenten oder Gesichtspunkte dieser Ausführungsformen zu implementieren. Beispielsweise kann, wie angegeben, die Steuerung 200 kommunikativ mit den RF-Lesegeräten verbunden und/oder in diese integriert sein und dadurch die von den RF-Lesegeräten gesammelten Daten empfangen, was Ankunftszeitdaten, Flugzeitdaten und/oder Signalstärke für jedes der RF-Tags und/oder Referenz-RF-Tags einschließen kann, die Teil des RF-Systems sind. Die Steuerung 200 kann dann solche Daten verarbeiten, um eine Schwingungsantwort, Leistung oder Funktionscharakteristik über die Rotorschaufeln abzuleiten, an denen die RF-Tags angebracht sind. Die Steuerung 200 kann konfiguriert sein, um die abgeleitete Rotorschaufelcharakteristik automatisch an ein oder mehrere andere Computersysteme auszugeben, einschließlich mindestens eines Computersystems eines vorbestimmten Benutzers, das mit der Konstruktion und/oder dem Betrieb der Rotorschaufeln verbunden ist, sodass gegebenenfalls durch solch einen Benutzer eine Aktion erfolgen kann.
Wie veranschaulicht, kann die Steuerung 200 einen Speicher 202 einschließen, der die programmierte Logik 204 (z. B. Software) und Daten 206 speichert. Der Speicher 202 kann auch ein Betriebssystem 208 einschließen. Ein Prozessor 210 kann das Betriebssystem 208 verwenden, um die programmierte Logik 204 auszuführen, und kann dabei auch Daten 206 verwenden. Ein Steuer- und Datenbus 212 kann eine Kommunikation zwischen dem Speicher 202 und dem Prozessor 210 bereitstellen. Benutzer können sich über mindestens eine Benutzeroberflächenvorrichtung 214 mit der Steuerung 200 verbinden, wie z. B. eine Tastatur, eine Maus, einen Touchscreen, eine Gestensteuervorrichtung, einen tragbaren Computer, ein Bedienfeld oder eine beliebige andere Vorrichtung, die Daten an und von der Steuerung 200 übertragen kann. Die Steuerung 200 kann online mit RF-Ausrüstung und den zugehörigen Vorrichtungen in Verbindung stehen, einschließlich Sensoren oder Daten, die von solchen Sensoren aufgezeichnet wurden, während sie in Betrieb sind, sowie offline in Verbindung mit der Ausrüstung und den zugehörigen Vorrichtungen sein, während sie nicht in Betrieb sind, über eine Eingabe/Ausgabe (E/A) -Schnittstelle 216. Insbesondere kann die Steuerung 200 die Ausführung von Anweisungen zum Bereitstellen von Befehlen an bestimmte Vorrichtungen ausführen, ist jedoch nicht darauf beschränkt, einschließlich RF-Lesegeräte und/oder zugehörige Vorrichtungen, wie hierin bereitgestellt, und kann Daten von RF-Lesegeräten und/oder zugehörigen Vorrichtungen empfangen. Die Steuerung 200 und die dadurch implementierte programmierte Logik 204 können Software, Hardware, Firmware oder eine beliebige Kombination davon einschließen.
Gemäß beispielhafter Ausführungsformen können die enthaltenen Figuren Systeme, Verfahren, Prozesse, Vorrichtungen und Computerprogrammprodukte referenzieren. Es versteht sich, dass mindestens einige von diesen mindestens teilweise durch Computerprogrammanweisungen implementiert werden können, die auf einen Universalcomputer, die Steuerung 200, einen Spezialrechner, einen Spezialrechner auf Hardware-Basis oder ein anderes programmierbares Datenverarbeitungsgerät zur Herstellung einer Maschine geladen werden können, sodass die Anweisungen, die auf dem Rechner ausgeführt werden oder eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung Mittel zum Implementieren der Funktionalität von mindestens einigen der hierin diskutierten Verfahren erstellen. Die hierin erwähnten Computerprogrammanweisungen können auch in einem computerlesbaren Speicher gespeichert sein, der einen Computer oder eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung anweisen kann, auf eine bestimmte Art und Weise zu funktionieren, sodass die Anweisungen, die in dem computerlesbaren Speicher gespeichert sind, einen Herstellungsgegenstand erzeugen, der Anweisungsmittel enthält, die die in dem Block oder den Blöcken angegebene Funktion implementieren. Die Computerprogrammanweisungen können auch auf einen Computer oder eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung geladen werden, um zu bewirken, dass eine Reihe von Betriebsschritten auf dem Computer oder einer anderen programmierbaren Vorrichtung ausgeführt werden, um einen computerimplementierten Prozess derart zu erzeugen, dass die Anweisungen, die auf dem Computer oder einer anderen programmierbaren Vorrichtung ausgeführt werden, Schritte zum Implementieren der Funktionen bereitstellen, die in dem Block oder den Blöcken spezifiziert sind. Eine oder mehrere Komponenten der Systeme und ein oder mehrere Elemente der hierin beschriebenen Verfahren können durch ein Anwendungsprogramm implementiert werden, das auf einem Betriebssystem eines Computers ausgeführt wird. Sie können auch mit anderen Computersystemkonfigurationen praktiziert werden, einschließlich Handheld-Vorrichtungen, Multiprozessorsystemen, mikroprozessorbasierter oder programmierbarer Unterhaltungselektronik, Minicomputern, Großrechnern und so weiter.
Wie ein Durchschnittsfachmann erkennen wird, können die vielen verschiedenen Merkmale und Konfigurationen, die oben in Bezug auf die verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wurden, ferner selektiv angewendet werden, um die anderen möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu bilden. Aus Gründen der Kürze und unter Berücksichtigung der Fähigkeiten eines Durchschnittsfachmanns wird jede der möglichen Iterationen nicht im Detail bereitgestellt oder diskutiert, obwohl alle Kombinationen und möglichen Ausführungsformen, die von den folgenden mehreren Ansprüchen eingeschlossen werden, als ein Teil der vorliegenden Anmeldung beabsichtigt sind. Darüber hinaus werden Fachleute aus der obigen Beschreibung mehrerer beispielhafter Ausführungsformen wahrscheinlich Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen erkennen. Die beiliegenden Ansprüche sollen solche Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen abdecken. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen an dem hierin offenbarten Gegenstand vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie sie durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert sind.

Claims

Es wird beansprucht:
Verfahren zum Bestimmen einer Ankunftszeit einer Rotorschaufel (120, 126, 150, 181) in einem Turbinentriebwerk (100), wobei die Turbine (100) eine Reihe von Rotorschaufeln (120, 126, 150, 181) umfasst, die die Rotorschaufel (120, 126, 150, 181) enthalten, wobei sich die Rotorschaufel (120, 126, 150, 181) während eines Betriebs des Turbinentriebwerks (100) entlang eines Drehwegs um eine Mittelachse dreht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Anbringen eines Radiofrequenz („RF“)-Lesegeräts (166) an einer stationären Oberfläche (122, 123, 128, 129, 182, 184) in der Turbine (100), wobei die stationäre Oberfläche (122, 123, 128, 129, 182, 184) eine Statorschaufel (122, 128, 182) oder ein Gehäuse (123, 129, 184) ist, die in betrieblicher Nähe zu der Reihe von Rotorschaufeln (120, 126, 150, 181) angeordnet sind; Anbringen eines Radiofrequenz-Identifikations-Tags („RF-Tag“) (160) an einem Schaufelblatt (152) oder einer äußeren Spitze (159) des Schaufelblatts (120, 126, 150, 181); während des Betriebs des Turbinentriebwerks (100), Sammeln eines Signalstärkedatenpunkts über einen RF-Überwachungsprozess, wobei der RF-Überwachungsprozess die folgenden Schritte umfasst: Aussenden eines RF-Signals (190) von dem RF-Lesegerät (166); Empfangen des RF-Signals (190) am RF-Tag (160) und Senden eines RF-Rückkehrsignals (191) durch das RF-Tag (160) als Antwort darauf; Empfangen des RF-Rückkehrsignals (191) am RF-Lesegerät (166); Messen einer Signalstärke des von dem RF-Lesegerät (166) empfangenen RF-Rückkehrsignals (191); und Bestimmen des Signalstärkedatenpunkts als gleich der gemessenen Signalstärke; Wiederholen des RF-Überwachungsprozesses, bis mehrere Signalstärkedatenpunkte gesammelt sind; Bestimmen einer maximalen Signalstärke aus den mehreren Signalstärkedatenpunkten; und Bestimmen der Ankunftszeit für die Rotorschaufel (120, 126, 150, 181) als eine Zeit, die der maximalen Signalstärke entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das RF-Signal (190) eine erste Frequenz umfasst; und wobei das RF-Tag (160) ein passives RF-Tag ist, das konfiguriert ist, um das RF-Rückkehrsignal (191) mit einer zweiten Frequenz zu erzeugen, die sich von der ersten Frequenz unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das RF-Lesegerät (166) das RF-Signal (190) kontinuierlich oder in sehr kurzen Intervallen aussendet; und wobei das RF-Lesegerät (166) eine Empfängerantenne umfasst, die kontinuierlich auf das von dem RF-Tag (160) zurückgesendete RF-Signal (191) wartet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das RF-Tag (160) konfiguriert ist, um eine Frequenz in dem RF-Signal (190) zu ändern, sodass das zurückgesendete RF-Signal (191) eine vorbestimmte Frequenz umfasst, die das RF-Tag (160) als Quelle des RF-Rückkehrsignals (191) identifiziert.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Überwachungsprozess wiederholt wird, sodass die mehreren Signalstärkedatenpunkte mindestens einschließen: eine Vielzahl von Signalstärkedatenpunkten, wenn sich die Rotorschaufel (120, 126, 150, 181) dem RF-Lesegerät (166) nähert; eine Vielzahl von Signalstärkedatenpunkten, wenn sich die Rotorschaufel (120, 126, 150, 181) vom RF-Lesegerät (166) wegbewegt; und eine Reihe von Signalstärkedatenpunkten, die sequentiell während eines Teils einer einzelnen Umdrehung der Rotorschaufel (120, 126, 150, 181) entlang des Drehweges aufgenommen wurden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Bestimmens der maximalen Signalstärke aus den mehreren Signalstärkedatenpunkten umfasst: Erzeugen einer ersten Darstellung (196) durch Auftragen der mehreren Signalstärkedatenpunkte in dem Zeitbereich; mathematisches Schätzen der maximalen Signalstärke bei gegebener erster Darstellung (196); und Auswählen des Signalstärkedatenpunkts mit dem höchsten Wert aus den mehreren Signalstärkedatenpunkten.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend die Schritte: Wiederholen des Verfahrens zum Sammeln eines Signalstärkedatensatzes, wobei der Signalstärkedatensatz mehrere der Ankunftszeiten umfasst, die für unterschiedliche Umdrehungen der Rotorschaufel (120, 126, 150, 181) um den jeweiligen Drehweg berechnet werden; und Verwenden des Signalstärkedatensatzes, um eine Schwingungsantwort der Rotorschaufel (120, 126, 150, 181) zu berechnen.
System zum Bestimmen einer Ankunftszeit einer Rotorschaufel in einem Turbinentriebwerk, wobei das System umfasst: das Turbinentriebwerk (100) mit einer Reihe von Rotorschaufeln (120, 126, 150, 181), die die Rotorschaufel (120, 126, 150, 181) enthält, wobei sich die Rotorschaufel (120, 126, 150, 181) während eines Betriebs des Turbinentriebwerks (100) um eine Mittelachse entlang eines Drehweges dreht; ein Radiofrequenz („RF“)-Lesegerät (166), das an einer stationären Oberfläche in der Turbine angebracht ist, wobei die stationäre Oberfläche eine Statorschaufel (122, 128, 182) oder ein Gehäuse (123, 129, 184) ist, die in Betriebsnähe zu der Reihe von Rotorschaufeln (120, 126, 150, 181) angeordnet sind; ein Radiofrequenz-Identifikations-Tag („RF-Tag“), das an einem Schaufelblatt (152) oder einer äußeren Spitze (159) des Schaufelblatts (120, 126, 150, 181) angebracht ist; wobei das RF-Lesegerät (166) und das RF-Tag (160) während des Betriebs des Turbinentriebwerks (100) konfiguriert sind, um einen Signalstärkedatenpunkt über einen RF-Überwachungsprozess zu sammeln, wobei der RF-Überwachungsprozess folgende Schritte umfasst: Aussenden eines RF-Signals (190) von dem RF-Lesegerät (166); Empfangen des RF-Signals (190) am RF-Tag (160) und Senden eines RF-Rückkehrsignals (191) durch das RF-Tag (160) als Antwort darauf; Empfangen des RF-Rückkehrsignals (191) am RF-Lesegerät (166); Messen einer Signalstärke des von dem RF-Lesegerät (166) empfangenen RF-Rückkehrsignals (191); und Bestimmen des Signalstärkedatenpunkts als gleich der gemessenen Signalstärke.
System nach Anspruch 8, wobei das RF-Lesegerät (166) und das RF-Tag (160) konfiguriert sind, um: den RF-Überwachungsprozess zu wiederholen, bis mehrere Signalstärkedatenpunkte gesammelt sind; eine maximale Signalstärke aus den mehreren Signalstärke-Datenpunkten zu bestimmen; und die Ankunftszeit für die Rotorschaufel (120, 126, 150, 181) als eine Zeit, die der maximalen Signalstärke entspricht zu bestimmen.
System nach Anspruch 9, wobei der RF-Überwachungsprozess wiederholt wird, um einen Ankunftszeitdatensatz zu sammeln, wobei der Ankunftszeitdatensatz mehrere Ankunftszeiten umfasst, die für unterschiedliche Umdrehungen der Rotorschaufel (120, 126, 150, 181) um den jeweiligen Drehweg berechnet wurden; und wobei der RF-Überwachungsprozess ferner den Schritt des Verwendens des Ankunftszeitdatensatzes zum Berechnen einer Schwingungsantwort der Rotorschaufel (120, 126, 150, 181) umfasst.