DE19501811B4

DE19501811B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Schaufelspieles von thermischen Turbomaschinen

Info

Publication number: DE19501811B4
Application number: DE19501811A
Authority: DE
Inventors: Kjell Thoren
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1995-01-21
Filing date: 1995-01-21
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2015-01-22
Also published as: GB2297162B; GB9522095D0; US5649369A; DE19501811A1; GB2297162A

Abstract

Vorrichtung zur Messung des radialen Schaufelspieles zwischen den Laufschaufelspitzen (6) und dem Schaufelträger (4) von thermischen Turbomaschinen unter Verwendung einer in einer Öffnung (16) im Schaufelträger (4) entlanggeführten und vom Schaufelträger (4) in einem Sitz (8) aufgenommenen und radial gegenüber den Laufschaufelspitzen (6) in den Strömungskanal (17) ragenden abschleifbaren Messnadel (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Messnadel (7) an ihrem im Schaufelträger (4) verbleibenden Ende an einem flexiblen, aus der Maschine ragenden Führungsteil (10) befestigt ist, wobei das andere Ende des Führungsteiles (10) mit Bauteilen (11) verbunden ist, welche eine lineare Bewegung des Führungsteiles (10) ermöglichen, und wobei das Führungsteil (10) ausserhalb des Aussengehäuses (5) von einem flexiblen Rohr (12) und zwischen Aussengehäuse (5) und Schaufelträger (4) von einem starren Führungsrohr (14) umgeben ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Schaufelspieles zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Schaufelträger von thermischen Turbomaschinen.
Stand der Technik
Die Spaltverluste zwischen den rotierenden Laufschaufelspitzen des Rotors und den ihnen gegenüberliegenden Teilen des Stators (Schaufelträger) haben bei thermischen Turbomaschinen einen grossen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Maschine. Je grösser diese Spaltverluste sind, desto geringer ist der Wirkungsgrad. Daher ist man bestrebt, das radiale Laufschaufelspiel in Turbinen und Verdichtern während des Betriebes so gering wie möglich zu halten. Andererseits muss aber ein Kontakt oder im Extremfall ein Abschleifen der Teile verhindert werden, da das eine Wärmeentwicklung und Zerstörung der Maschine verursachen könnte. Die Schaufelspitzen verschleissen so lange, bis das Abschleifen beendet ist, wobei ein harter Kontakt oft zu einem vergrössertem Schaufelspiel führt.
Demgegenüber werden aber manchmal abrasive Schichten benutzt, um zu lange Schaufeln an den Spitzen mit geringer Wärmeent wicklung abzuschleifen. Bei dieser Methode schneiden sich die Schaufeln in die "weiche" Oberfläche ein, bis kein Kontakt mehr vorhanden ist.
Um ein dauerhaftes kleines Radialspiel zu erzielen, müssen die radiale Ausdehnung des Stators und des Rotors durch die Konstruktion genau gesteuert werden. Ideal wären eine gleichzeitige und identische Ausdehnung von Stator und Rotor sowohl im transienten als auch im stabilen Zustand. Das ist aber in realen Maschinen kaum der Fall, denn der Rotor ist auf Grund der Festigkeitsanforderungen meist massiver als der Stator. Da sowohl die Wärmeübergangsbedingungen als auch meistens das Material für beide Teile gleich sind, ist der Rotor deshalb thermisch wesentlich langsamer als der Stator. Die Wärmedehnungen von Rotor und Stator sind in ihrem zeitlichen Verlauf, besonders beim Anfahren und Abstellen der Maschine, unterschiedlich. Das Radialspiel im stabilen Zustand wird bestimmt durch das kleinste Spiel im transienten Zustand ("pinch point"). Beim Warmstart der Maschine ist das Schaufelspiel am geringsten. Das grösste Spiel im transienten Zustand muss aber immer kleiner sein als ein bestimmter Maximalwert, um beispielsweise das Pumpen des Verdichters zu vermeiden oder ein lokales Überhitzen stromab der Turbine zu verhindern.
Moderne Turbomaschinen weisen immer bessere Leistungen auf. Das ist insbesondere auf eine verbesserte Schaufelspielkontrolle zurückzuführen. Die Notwendigkeit einer Messung des realen Schaufelspieles, besonders des Schaufelspieles im transienten Zustand, wird immer grösser.
Bisher ist die Messung des Schaufelspieles mit Hilfe einer abschleifbaren Messnadel am meisten verbreitet. Die Nadel wird in den Stator (Schaufelträger) während des Zusammenbaus der Maschine eingebaut und ragt radial gegenüber den rotierenden Schaufelspitzen in den Strömungskanal hinein. Die Länge der Messnadel und der Ort für die Aufnahme der Nadel im Stator werden gemessen und sind also bekannt. Während des Betriebes der Turbomaschine verschleisst die Messnadel aufgrund von Abrieb. Der Nachteil an diesem Stand der Technik besteht darin, dass nur das kleinste transiente Schaufelspiel während der Zeit zwischen dem ersten Start der Turbomaschine und dem Abschalten und dem Ausbau der Messnadel ermittelt werden kann. Der Vorteil dieser Methode ist die hohe Genauigkeit.
Bekannt sind ausserdem moderne Methoden zur "Fernmessung" des Schaufelspieles, beispielsweise mit Hilfe von Roentgen-Strahlen, elektrischen Funken, sowie der Messung der elektrischen Kapazität und Induktivität. Die meisten dieser Methoden sind aber kostenintensiv und bei hohen Temperaturen schwer zu handhaben. Weiterhin begrenzt der notwendige Platzbedarf die Verwendung von mehreren Messpunkten. Die Messgenauigkeit dieser Methoden ist eingeschränkt.
Aus US 3 932 941 und US 4 928 400 sind Messverfahren zur Verschleissmessung an Fördereinrichtungen bzw. zur Messung des Spaltes des Kolbengelenkbolzens oder des Kolbenhubes bekannt, bei denen Messnadeln eingesetzt werden, welche während des Betriebes nicht abgeschliffen und zu Messzwecken nicht ausgebaut werden. Die US 4 495 810 betrifft ein Messfühlerinstallationssystem, welches den Austausch von Sensoren ohne abschliessende Justierung des Sensors ermöglicht, wobei die Messung der Abstände von Elementen in der Maschine ohne Berührung der Teile erfolgt. Aus EP 0 172 766 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dynamischen Messung des Spieles von rotierenden und feststehenden Bauteilen von Turbomaschinen mittels Sensoren bekannt.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine unkomplizierte Vorrichtung zur Messung des momentanen radialen Schaufelspieles von thermischen Turbomaschinen im transienten und stabilen Zustand zu schaffen, welche einfach handhabbar sind, nur einen geringen Platzbedarf erfordern, so dass nebeneinanderliegende Stufen gemessen werden können und welche eine hohe Messgenaugkeit aufweisen.
Erfindungsgemäss wird dies bei einer Vorrichtung zur Messung des radialen Schaufelspieles zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Schaufelträger von thermischen Turbomaschinen unter Verwendung einer in einer Öffnung im Schaufelträger entlanggeführten und vom Schaufelträger in einem Sitz aufgenommenen und radial gegenüber den Laufschaufelspitzen in den Strömungskanal ragenden abschleifbaren Messnadel dadurch er
reicht, dass die Messnadel an ihrem im Schaufelträger verbleibenden Ende an einem flexiblen, aus der Maschine ragenden Führungsteil befestigt ist, wobei das andere Ende des Führungsteiles mit Bauteilen verbunden ist, welche eine lineare Bewegung des Führungsteiles ermöglichen, und wobei das Führungsteil ausserhalb des Aussengehäuses von einem flexiblen Rohr und zwischen Aussengehäuse und Schaufelträger von einem starren Führungsrohr umgeben ist.
Bei einem Verfahren zur Messung des radialen Schaufelspieles zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Schaufelträger während des Betriebes von thermischen Turbomaschinen unter Verwendung einer Vorrichtung nach dem Patentanspruch 1 werden zunächst die Messnadel und das Führungsteil ausserhalb der Maschine miteinander verbunden, danach in das flexible Rohr eingebracht und mittels der Bauteile durch das flexible Rohr und das starre Führungsrohr geschoben, bis die Messnadel den Strömungskanal erreicht, wobei die Messnadel solange von den Laufschaufelspitzen abgeschliffen wird, bis sie ihre Endposition im Sitz des Schaufelträgers erreicht hat, danach wird die Messnadel mit dem Führungsteil aus der Maschine herausgezogen, vom Führungsteil getrennt und ihre Länge gemessen.
Die Vorteile der Erfindung bestehen unter anderem darin, dass die Vorrichtung einfach und daher preiswert ist, dass sie gefahrlos zu handhaben ist und nur wenig Platz benötigt, so dass bei nebeneinanderliegenden Schaufelstufen problemlos das Schaufelspiel gemessen werden kann. Ausserdem ist das Messverfahren sehr genau und es eignet sich zur Messung des realen Schaufelspieles sowohl im stabilen als auch transienten Betriebszustand der Turbomaschine.
Es ist besonders zweckmässig, wenn das flexible Führungsteil aus axial steifem Draht oder Seil besteht und die Messnadel über ein Zwischenstück lösbar mit dem flexiblen Führungsteil verbunden ist.
Schliesslich werden mit Vorteil als Bauteile, welche eine lineare Bewegung des Führungsteiles ermöglichen, vorzugsweise Hebel, Schraubmuffen, pneumatische Zylinder oder hydraulische Zylinder, eingesetzt.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das starre Führungsrohr an beiden Enden sphärisch ausgebildet ist, weil dadurch eine gute Abdichtung erreicht wird.
Ausserdem ist es zweckmässig, wenn das starre Führungsrohr mindestens einmal horizotal unterteilt ist. Das führt dazu, dass die unterschiedlichen axialen Dehnungen des Gehäuses und des Schaufelträgers bewältigt werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn im Schaufelträger der Durchmesser der Öffnung für die Messnadel ca. 2 bis 4 mm beträgt. Diese kleinen Werte ermöglichen es, dass die öffnung kurzzeitig offengelassen werden kann, wenn während des Betriebes der Turbomaschine das alte Nadel/Führungsteil-Paar durch ein neues Paar ersetzt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer axialdurchströmten Gasturbine dargestellt.
Es zeigen:
1 einen Teillängsschnitt der Turbine im Bereich der eingebauten erfindungsgemässen Messvorrichtung zur Bestimmung des Radialspieles bei Verwendung eines ungeteilten Führungsrohres;
2, 3 jeweils schematisch einen Teillängsschnitt im Bereich des Führungsrohres, welches horizontal geteilt ist.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der 1 bis 3 näher erläutert.
1 zeigt einen Teillängsschnitt einer axialdurchströmten Gasturbine im Bereich der erfindungsgemässen Messvorrichtung. Die Gasturbine besteht im wesentlichen aus dem mit Laufschaufeln 1 bestückten Rotor 2 und dem mit Leitschaufeln 3 bestückten Schaufelträger 4, der im Turbinengehäuse 5 eingehängt ist. Nicht dargestellt sind in der Zeichnung beispielsweise das sich an das Turbinengehäuse anschliessenden Abgasgehäuse, die Eintrittspartie der Turbine und die Aussenschale.
Zur Messung der Grösse des Schaufelspieles s zwischen den rotierenden Laufschaufelspitzen 6 und dem Schaufelträger 4 wird eine an sich bekannte Messnadel 7 verwendet, die beispielsweise die in der 1 dargestellte Form mit einem sich verjüngenden Nadelkopf aufweist. Der Kopfform der Nadel 7 ist dabei dem Sitz 8 im Schaufelträger angepasst. Selbstverständlich können der Sitz 8 und der Nadelkopf auch eine andere Form aufweisen und beispielsweise in horizonzaler Ebene flach aufeinandersitzen. Dieser Sitz 8, d. h. die Aufnahme für die Messnadel 7, befindet sich immer in der Nähe des Strömungskanals 17.
Die Messnadel 7 ist über ein Zwischenstück 9 leicht lösbar mit einem flexiblen Führungsteil 10 verbunden; sie ist in diesem Falle in das Zwischenstück 9 eingeschraubt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Führungsteil 10 ein fle xibler Draht. Es sind auch andere gegen axialen Druck genügend steife flexible Materialien, wie beispielsweise ein Seil, einsetzbar. Das Führungsteil 10 ist an seinem anderen Ende mit einem Bauteil 11 verbunden, durch welches eine lineare Bewegung des Führungsteiles 10, d. h. des Drahtes, ermöglicht wird. Das Bauteil 11 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Schraubmuffe. Ebenso für diesen Zweck einsetzbar sind beispielsweise auch Hebel und hydraulische oder pneumatische Zylinder. Zwischen dem Turbinengehäuse 5 und der Schraubmuffe 11 ist ein flexibles Rohr 12, welches z. B. aus Metall bestehen kann, angeordnet. Es ist über Einsätze 13 mit dem Turbinengehäuse 5 verbunden.
Die flexiblen Teile ausserhalb der Maschine können aus kommerziell verfügbaren axial steifen Draht/Schlauch-Kombinationen (Bowdenzug) hergestellt werden.
Ein starres Führungsrohr 14 ist zwischen Aussengehäuse 5 und Schaufelträger 4 angeordnet. Es weist an seinen beiden Enden 15 jeweils eine sphärische Form auf und gewährleistet dadurch eine gute Abdichtung.
Das starre Führungsrohr 14 kann mehrfach horizontal geteilt sein. In 2 und 3 sind Ausführungsbeispiele dargestellt, in denen das Führungsrohr 14 einmal horizontal geteilt ist. Gemäss 2 befindet sich die Teilungsebene in der Zwischenwand 18, welche beispielsweise ein Hitzeschild sein kann. Falls, wie in 3 dargestellt, ein sehr dicker Schaufelträger 4 verwendet wird, ist das Führungsrohr 14 in vorteilhafter Weise im Bereich des Schaufelträgers 4 geteilt. In anderen hier nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann das Führungsrohr 14 selbstverständlich auch mehr als einmal horizontal geteilt ausgeführt sein. Die Teilung des Führungsrohres 14 hat den Vorteil, dass unterschiedlichen Dehnungen des Gehäuses 5, einer eventuell vorhandenen Zwi schenwand 18 und des Schaufelträgers 4 der Turbine für die Messungen des Schaufelspieles s kein Problem darstellen.
Der Durchmesser d der Öffnung 16 für die Spitze der Nadel 7 im Schaufelträger 4 liegt im Bereich von ca: 2 bis 4 mm. Dieser geringe Durchmesser d gestattet es, die Öffnung 16 zeitweise offen zu lassen, wenn das Nadel/Führungsteil-Paar durch ein neues ersetzt werden muss. Die geringfügige Heissgasleckage ist in diesem Falle bedeutungslos.
Da die Vorrichtung nur einen geringen Platzbedarf hat, ist sie auch zur Messung des Schaufelspieles benachbarter Turbinenstufen geeignet.
Zur Messung des radialen Schaufelspieles s zwischen den Laufschaufelspitzen 6 und dem Schaufelträger 4 während des Betriebes von thermischen Turbomaschinen werden unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung zunächst die Messnadel 7 und das Führungsteil 10 ausserhalb der Maschine bzw. ausserhalb des Aussengehäuses miteinander verbunden. Danach werden diese in das flexible Rohr 12 eingebracht und so lange mittels der Bauteile 11 durch das flexible Rohr 12 und das starre Führungsrohr 14 geschoben, bis die Messnadel 7 durch die Öffnung 16 den Strömungskanal 17 erreicht, wobei die Messnadel 7 solange von den Laufschaufelspitzen 6 abgeschliffen wird, bis sie ihre Endposition im Sitz 8 des Schaufelträgers 4 erreicht hat. Anschliessend wird die Messnadel 7 mit dem Führungsteil 10 aus der Maschine herausgezogen, vom Führungsteil 10 getrennt und ihre Länge l gemesssen. Da der Abstand h des Nadelsitzes vom Strömungskanal 17 bekannt ist, lässt sich das Schaufelspiel s einfach aus der Differenz l-h berechnen.
Das Verfahren ist besonders gut zur Messung des transienten Schaufelspieles geeignet. Dabei wird innerhalb von wenigen Minuten mit Hilfe von mehreren Messnadel/Führungsteil-Paaren die oben beschriebene Messung wiederholt.
Die Messgenauigkeit des Verfahrens ist sehr gut, sie beträgt ca. +/– 0,1 mm. Das Verfahren ist nicht vom Druck oder den hohen Temperaturen beeinflussbar. Es lässt sich leicht und gefahrlos ausführen, weil das Messinstrument ausserhalb der Maschine eingebracht und entnommen werden kann. Bei Gas- und Dampfturbinen kann das Messverfahren bequem und sicher ausserhalb des Aussengehäuses (Enclosure) durchgeführt werden, was ein grosser Vorteil ist.
Die notwendige relative axiale Steifigkeit zwischen dem Führungsteil 10 und dem flexiblen Rohr 12 ist nicht von sehr grosser Bedeutung, weil nur eine geringe Kraft nötig ist, um das Führungsteil 10 mit der Nadel 7 durch das flexible Rohr 12 zu schieben, bis es auf dem Sitz 8 (nach entsprechendem Verschleiss/Abrieb durch die Laufschaufelspitzen 6) aufsitzt.

1: Laufschaufeln
2: Rotor
3: Leitschaufel
4: Schaufelträger
5: Aussengehäuse
6: Spitze der Laufschaufel
7: Messnadel
8: Nadelsitz
9: Zwischenstück
10: flexibles Führungsteil
11: Bauteil
12: flexibles Rohr
13: Einsatz
14: starres Führungsrohr
15: Ende des Führungsrohres
16: Öffnung für Nadelspitze im Schaufelträger
17: Strömungskanal
18: Zwischenwand
s: Schaufelspiel
h: Abstand des Nadelsitzes vom Strömungskanal
l: Länge der Nadel ohne Kopf
d: Durchmesser der Öffnung

Claims

Vorrichtung zur Messung des radialen Schaufelspieles zwischen den Laufschaufelspitzen (6) und dem Schaufelträger (4) von thermischen Turbomaschinen unter Verwendung einer in einer Öffnung (16) im Schaufelträger (4) entlanggeführten und vom Schaufelträger (4) in einem Sitz (8) aufgenommenen und radial gegenüber den Laufschaufelspitzen (6) in den Strömungskanal (17) ragenden abschleifbaren Messnadel (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Messnadel (7) an ihrem im Schaufelträger (4) verbleibenden Ende an einem flexiblen, aus der Maschine ragenden Führungsteil (10) befestigt ist, wobei das andere Ende des Führungsteiles (10) mit Bauteilen (11) verbunden ist, welche eine lineare Bewegung des Führungsteiles (10) ermöglichen, und wobei das Führungsteil (10) ausserhalb des Aussengehäuses (5) von einem flexiblen Rohr (12) und zwischen Aussengehäuse (5) und Schaufelträger (4) von einem starren Führungsrohr (14) umgeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Führungsteil (10) aus gegen den axialen Druck ausreichend steifem Material, vorzugsweise Draht oder Seil, besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messnadel (7) über ein Zwischenstück (9) mit dem flexiblen Führungsteil (10) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (11) vorzugsweise Hebel, Schraubmuffen, pneumatische Zylinder oder hydraulische Zylinder sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das starre Führungsrohr (14) an seinen beiden Enden (15) sphärisch ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das starre Führungsrohr (14) mindestens einmal horizontal unterteilt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (d) der Öffnung (16) für die Spitze der Messnadel (7) ca. 2 bis 4 mm beträgt.
Verfahren zur Messung des radialen Schaufelspieles zwischen den Laufschaufelspitzen (6) und dem Schaufelträger (4) während des Betriebes von thermischen Turbomaschinen unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die Messnadel (7) und das Führungsteil (10) ausserhalb der Maschine miteinander verbunden werden, diese danach in das flexible Rohr (12) eingebracht und mittels der Bauteile (11) durch das flexible Rohr (12) und das starre Führungsrohr (14) geschoben werden, bis die Messnadel (7) den Strömungskanal erreicht, wobei die Messnadel (7) solange von den Laufschaufelspitzen (6) abgeschliffen wird, bis sie ihre Endposition im Sitz (8) des Schaufelträgers (4) erreicht hat, und danach die Messnadel (7) mit dem Führungsteil (10) aus der Maschine herausgezogen, vom Führungsteil (10) getrennt und die Länge (l) ihrer Spitze gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das transiente Schaufelspiel gemessen wird, wobei innerhalb von wenigen Minuten mit Hilfe von mehreren Messnadel/Führungsteil-Paaren die Messung wiederholt wird.