DE19858276B4

DE19858276B4 - Vorrichtung zur Erfassung der Temperaturverteilung an thermisch hoch belasteten Komponenten einer Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE19858276B4
Application number: DE19858276A
Authority: DE
Inventors: Fred Boehm
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2008-11-06
Anticipated expiration: 2018-12-18
Also published as: DE19858276A1

Abstract

Vorrichtung zur Erfassung der Temperaturverteilung an thermisch hoch belasteten Komponenten einer Gasturbinenanlage, vorzugsweise an Turbinenschaufeln (1) während des Betriebes der Gasturbinenanlage, wobei im Gehäuse der Gasturbinenanlage ein hitzebeständiges, Infrarotlicht-durchlässiges Fensterelement (2) eingebracht ist, an dessen Aussenseite ein Infrarotlicht sensibler Detektor (3) angeordnet ist, der die aus dem Inneren der Gasturbinenanlage austretende thermische Strahlung empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (3) mit einer die Detektorsignale abspeichernden Einheit (6) verbunden ist, dass die abgespeicherten Detektorsignale abrufbar sind und diese abrufbaren Detektorsignale mittels einer Signalaufbereitungseinheit (7) in eine temperaturkalibrierte Falschfarbendarstellung umgewandelt werden und die Temperaturverteilung mittels der umgewandelten Detektorsignale auf einer Ausgabeeinheit (5) dargestellt wird, dass die Detektorsignale zur Darstellung auf der Ausgabeeinheit (5) zeilenweise in der abspeichernden Einheit (6) abgescannt werden, und dass die Frequenz, mit der die Zeilen abgescannt werden, grösser 250 Hz ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung der Temperaturverteilung an thermisch hoch belasteten Komponenten einer Gasturbinenanlage, gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Im Zuge der Leistungssteigerung von Gasturbinenanlagen und insbesondere der Optimierung ihrer Wirkungsgrade werden höhere Prozessestemperaturen angestrebt, die sich innerhalb der Brennkammer sowie innerhalb der sich im Strömungsfluss der in der Brennkammer entstehenden Heissgase an die Brennkammer anschliessenden Gasturbinenkomponenten ausbilden. Zwar können durch Erhöhung der Prozesstemperatur der Wirkungsgrad entscheidend erhöht und die Brennstoffausnutzung deutlich verbessert werden, doch unterliegen die einzelnen Gasturbinenkomponenten aufgrund der erhöhten thermischen Belastung einer entscheidend grösseren Materialbeanspruchung, die ihrerseits die Lebensdauer der einzelnen Gasturbinenkomponenten deutlich herabzusetzen vermögen.
Um die hohen Prozesstemperaturen besser widerstehen zu können, werden die einzelnen Komponenten mit Kühlsystemen versehen, die beispielsweise in Form kleiner Kühlkanäle durch das Innere der einzelnen, thermisch hoch belasteten Komponenten verlaufen. Durch Vorsehen derartiger Kühlsysteme sind die ther misch stark belasteten Anlagenkomponenten somit in der Lage, auch erhöhte Prozesstemperaturen bei unveränderter Materialbelastung Stand zu halten.
Für die Auslegung derartiger Kühlsysteme ist es jedoch erforderlich, möglichst genaue Kenntnisse über die tatsächliche thermische Belastung der einzelnen thermisch hoch belasteten Anlagenkomponenten zu erhalten.
Bekannte Methoden zur Erfassung der Temperaturverteilung innerhalb einer Gasturbinenanlage und insbesondere in Bereichen der Gasturbinenschaufeln, die als die am stärksten thermisch belasteten Komponenten einer Gasturbinenanlage anzusehen sind, beschränken sich auf das Einbringen von Thermosensoren in das Innere der Gasturbinenanlage, deren Integration jedoch mit hohen konstruktiven und technischen Komplikationen verbunden ist.
Derartige Thermosensoren liefern tatsächlich erfasste Temperaturwerte, die im Inneren der Gasturbine unter normalen Prozessbedingungen auftreten.
Neben der messtechnischen Erfassung lokaler Temperaturwerte innerhalb der Gasturbinenanlage helfen theoretische Berechnungen, um die Temperaturverteilung auf bestimmten Anlagenkomponenten während des Betriebes darstellen zu können. Die mit Hilfe von Simulationsprogrammen gewonnenen Informationen geben lediglich ein theoretisches Abbild einer sich innerhalb der Gasturbine ausbildenden Temperaturverteilung, die für eine exakte konstruktive Auslegung eines Kühlsystems, beispielsweise an einer Turbinenschaufel, jedoch nur von unzureichender Genauigkeit ist.
Aus US 3 584 509 ist eine Vorrichtung zum Erfassen der Temperaturverteilung an thermisch hoch belasteten Komponenten einer Gasturbinenanlage bekannt geworden. Dabei ist im Gehäuse der Gasturbinenanlage ein hitzebeständiges, Infrarotlicht-durchlässiges Fensterelement vorgesehen, an dessen Aussenseite ein Infrarotlicht-sensibler Detektor angeordnet ist, der die aus dem Inneren der Gasturbinenanlage austretende thermische Strahlung empfängt. Selbst wenn der De tektor mit einer abspeichernden Einheit verbunden sein sollte, so fehlt es in dieser Druckschrift, wie die Signale bei einem solchen hochdynamischen Vorgang innerhalb einer thermisch hochbelasteten Gasturbine aufbereitet werden sollen und wie sie dann wiedergegeben werden können, dergestalt, dass eine temperaturabhängige Kalibrierung und visuelle Darstellung der einzelnen Werte bewerkstelligt werden kann.
Aus der Druckschrift AT 389 389 B ist eine Vorrichtung zur piezoelektrischen Temperaturmessung eines Messobjektes bekannt geworden, wobei es sich bei diesem Objekt um eine weitgehend kaum bewegte Masse handelt, wie dies bei einer metallurgischen Schmelze der Fall ist. Bei einem solchen Messobjekt herrscht auch an den Messstellen eine weitgehende Temperaturhomogenität vor, so dass die Temperaturverteilung nicht unmittelbar im Vordergrunde steht, womit eine solche Messung nicht geeignet ist, die Temperaturverteilung von hochdynamischen und thermisch hochbelasteten Komponenten einer Gasturbine zu erfassen.
In der Druckschrift DE 34 07 911 A1 geht es um eine Infrarotprüfverfahren, das zur Feststellung von örtlichen Entklebungen bei mehrfach zusammengestellten Teilen. Die Sichtbarmachung von Verklebungsfehlern ist indessen ein rein statischer Vorgang und richtet sich auf eine bestimmte vorgegebene Struktur. Dort werden sonach fehlerhafte Stellen ausfindig gemacht, im Sinne einer zerstörungsfreien Prüfung von zusammengesetzte Komponente. Es geht also hier nicht darum, ein hochdynamischer Vorgang in einer thermisch hochbelasteten Umgebung zu erfassen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erfassen der Temperaturverteilung an thermisch hoch belasteten Komponenten einer Gasturbinenanlage, vorzugsweise an Turbinenschaufeln, derart anzugeben, dass die tatsächliche Temperaturverteilung in den einzelnen zu untersuchenden Komponen ten während des Betriebes der Gasturbine exakt erfasst werden kann. Die Erfassung der Temperaturverteilung sollte überdies nicht im bekannten Falle unter Zuhilfenahme einzelner, lokal innerhalb der Gasturbinenanlage verteilter Thermosensoren erfolgen, sondern eine eindeutige Aussage über die flächenhafte Temperaturverteilung auf der gesamten Oberfläche der einzelnen, zu untersuchenden Anlagenkomponenten liefern. Insbesondere soll es möglich sein, neben der Absoluttemperaturbestimmung zeitlich veränderbare, instationäre Temperaturfelder zu detektieren und die Ausbildung sogenannter Hot-Spots zu erfassen.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben, in dem eine erfindungsgemässe Vorrichtung beschrieben ist. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die sich während des Betriebes innerhalb einer Gasturbine ausbildenden Temperaturverteilungen an den Oberflächen der einzelnen Anlagenkomponenten mit Hilfe einer thermographischen Bildkamera aufzunehmen und die einzelnen Bildsignale im Rahmen einer an sich bekannten Falschfarben-Ansicht, deren Farbabstufung entsprechend einer Temperaturabstufung kalibriert ist, darzustellen.
Die erfindungsgemässe Messvorrichtung sieht hierzu an wenigstens einer Stelle am Gehäuse der Gasturbinenanlage, vorzugsweise im Bereich der Gasturbine, nahe der einzelnen Gasturbinenschaufeln, ein hitzefestes und infrarotdurchlässiges Fensterelement in Form eines Schauglases vor, das den inneren Prozessbedingungen der Gasturbine, wie Temperatur und Druck, standhalten kann. Auf der Aussenseite des Fensterelementes ist in Blickrichtung auf die zu untersuchenden Gasturbinenkomponenten eine infrarot-empfindliche Videokamera positioniert, die beispielsweise die in Betrieb befindlichen Gasturbinenschaufeln aufnimmt. Die Videokamera ist dabei derart zu wählen, dass sie sowohl die Aufnahme einzelner Standbilder ermöglicht, als auch dynamische Vorgänge mit einer Bildfolgefrequenz von 20 Bildern pro Sekunde und mehr aufnimmt.
Die Videokamera ist an einem Videorekorder als Messdatenspeicher angeschlossen, auf dem die einzelnen Bildsignale der Videokamera abgespeichert und archiviert werden können.
Mit Hilfe einer geeigneten Auswerteeinheit, welche die abgespeicherten Bildsignale derart aufbereitet, dass sie auf einem Farbmonitor in Falschfarbendarstellung wiedergegeben werden, ist eine Kalibrierung der einzelnen Farbwerte mit zugehörigen, diskreten Temperaturwerten möglich. Die mit einem derartigen System erzielbare Temperaturauflösung beträgt bis zu 1°C, wobei der maximale Temperaturbereich, der mit dem erfindungsgemässen Temperaturerfassungssystem abgedeckt werden kann, von –20° bis 2000°C reicht.
Um hochdynamische Vorgänge innerhalb der Gasturbine auflösen und auf einem Monitor darstellen zu können, werden die durch die Videokamera aufgenommenen Einzelbilder mit einer Zeilenfrequenz von 250 Hz und mehr abgescannt, wodurch die sich drehenden Laufschaufeln einer Gasturbine als stehende Schaufeln separat überwacht werden können. Durch die Bildfolgefrequenz ist es überdies möglich, thermische Veränderungen auf der Oberfläche der zu untersuchenden Anlagenkomponenten zu verfolgen. Insbesondere ist die Erfassung dynamischer Temperaturfelder oder die Ausbildung sogenannter Hot-Spots, die lokale Wärmenester darstellen, möglich.
Mit Hilfe der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Erfassung der Temperaturverteilung an thermisch hochbelasteten Anlagenkomponenten einer Gasturbine ist man erstmals in der Lage, die thermisch hochbelasteten Stellen in situ zu detektieren, um an ihnen entsprechend gezielte Kühlmassnahmen vornehmen zu können.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch.
1 Blockdiagramm zur Durchführung einer thermographischen Aufzeichnung.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Ausgehend von einer sich in Betrieb befindlichen Turbinenschaufel 1 (siehe Blockdiagramm gemäss 1) innerhalb einer Gasturbine, die bedingt durch die hohen Prozesstemperaturen selbst als thermischer Strahler aufgefasst werden kann, gilt es durch die Erfassung der von der Turbinenschaufel emittierte Wärmestrahlung auf die Oberflächentemperatur sowie deren Strahlungskoeffizienten zu schliessen. Hierzu wird in der Gehäusewand einer Gasturbine an geeigneter Stelle ein Schauglas 2 eingebracht, das den Temperatur- und Druckbedingungen innerhalb der Gasturbine standhalten kann. Das Transmissionsvermögen des Schauglases 2 ist so gewählt, dass es insbesondere die von der zu untersuchenden Turbinenschaufel abgestrahlten thermischen Strahlungen ungehindert durchlässt.
Die durch das Schauglas 2 in das Äussere austretende Strahlung wird mit Hilfe einer entsprechend positionierten Infrarot-Videokamera 3 aufgenommen, die zunächst ein Bildsignal generiert. Dieses Bildsignal wird in der Fachsprache gelegentlich auch Austastsignal genannt. Für die genaue Interpretation der Messwerte greift hier eine zeitliche Synchronisation ein, welche durch ein Synchronsignal erfasst wird; sodann wird die Koordinate des Bildpunktes ermittelt, welche der Festlegung des vertikalen und horizontalen Schnittpunktes dient. Gelegentlich wird dieser Schnittpunkt in der Fachsprache auch Pixel genannt, wobei die Anzahl der Pixel die Auflösung des Bildes bestimmen. Das durch die Videokamera 3 so auf genommene Bildsignal wird sodann einem Videovorverstärker 4 mit einer Falschfarben-Konversion zugeführt, das schliesslich auf einem Videomonitor 5 dargestellt werden kann. Diese letztgenannte Zuführung resp. Darstellung verläuft ebenfalls unter Inanspruchnahme der bei der vorangegangenen Übertragung zugrundegelegten Festlegungen, nämlich des Bildsignals, des Synchronsignals und der Ermittlungen der Anzahl der Pixel. Ferner ist es möglich, die konvertierten Bildsignale auf einem weiteren Speichermedium 6, bspw. auf einen Videorecorder, abzulegen oder mit Hilfe einer weiteren Auswerteeinheit 7 weiter zu verarbeiten und auch zu verstärken.

1: Turbinenschaufel
2: Schauglas an Turbine
3: Infrarot-Videokamera
4: Videoverstärker mit Falschfarbenkonversion
5: Videomonitor
6: Videorecorder
7: Auswertesystem

Claims

Vorrichtung zur Erfassung der Temperaturverteilung an thermisch hoch belasteten Komponenten einer Gasturbinenanlage, vorzugsweise an Turbinenschaufeln (1) während des Betriebes der Gasturbinenanlage, wobei im Gehäuse der Gasturbinenanlage ein hitzebeständiges, Infrarotlicht-durchlässiges Fensterelement (2) eingebracht ist, an dessen Aussenseite ein Infrarotlicht sensibler Detektor (3) angeordnet ist, der die aus dem Inneren der Gasturbinenanlage austretende thermische Strahlung empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (3) mit einer die Detektorsignale abspeichernden Einheit (6) verbunden ist, dass die abgespeicherten Detektorsignale abrufbar sind und diese abrufbaren Detektorsignale mittels einer Signalaufbereitungseinheit (7) in eine temperaturkalibrierte Falschfarbendarstellung umgewandelt werden und die Temperaturverteilung mittels der umgewandelten Detektorsignale auf einer Ausgabeeinheit (5) dargestellt wird, dass die Detektorsignale zur Darstellung auf der Ausgabeeinheit (5) zeilenweise in der abspeichernden Einheit (6) abgescannt werden, und dass die Frequenz, mit der die Zeilen abgescannt werden, grösser 250 Hz ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (3) eine Infrarot-Videokamera ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die abspeichernde Einheit (6) ein Videorecorder ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabeeinheit (5) ein Monitor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarot-Videokamera (3) eine Bildfolgefrequenz von 20 Bildern pro Sekunde und mehr ermöglicht.