DE2654837C3 - Einrichtung zur Ermittlung des Wärmeübergangskoeffizienten beim Wärmeaustausch zwischen Dampf und Turbinenrotor während des Anfahrvorganges der Turbine - Google Patents

Einrichtung zur Ermittlung des Wärmeübergangskoeffizienten beim Wärmeaustausch zwischen Dampf und Turbinenrotor während des Anfahrvorganges der Turbine

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DE2654837C3
DE2654837C3 DE19762654837 DE2654837A DE2654837C3 DE 2654837 C3 DE2654837 C3 DE 2654837C3 DE 19762654837 DE19762654837 DE 19762654837 DE 2654837 A DE2654837 A DE 2654837A DE 2654837 C3 DE2654837 C3 DE 2654837C3
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Description

= K
dli„
df
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Ermittlung des Wärmeübergangskoeffizienten λ beim Wärmeaustausch zwischen Dampf und Turbinenrotor während des Turbinen-Anfahrvorgangs mit konstanter Temperaturdifferenz i>;>—1'>«.
Eine genaue Kenntnis des Wärmeübergangskoeffizienten ist z. B. für die lebensdauerschonende Regelung des Turbinenbeiriebes von Vorteil. Bisher wurden die zur Turbinenregelung notwendigen Rotortcmpcralurcn mittels Wärmeübergangskoeffizienten berechnet, die an modellhaften Versuchsobjekten ermittelt wurden. An einem solchen Modell liegen jedoch nicht die an dem betreffenden Turbinenrotor tatsächlich vorhandenen Verhältnisse vor, so daß auf diese Weise ermittelte Temperaturwerte letztlich zu unsicheren Ergebnissen führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels der die Wärmeübergangskoeffizienten α. möglichst genau ermittelt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Oberflächentemperatur des Turbinenrotors, bestehend aus einem oder mehreren mit der Oberfläche des Rotors verbundenen Teilen aus ferromagnetischem Material und aus einem damit zusammenwirkenden, feststehenden induktiven Impulsgeber, durch einen Meßfühler zur Erfassung der Dampftemperatur und durch eine elektronische Rechenschaltung zur Darstellung des Wärmeübergangskoeffizienten nach der Formel
= K
df
chentemperatur eines Rotors an sich bekannt ist, die aus einem oder mehreren mit der Oberfläche des Rotors verbundenen Teilen (Einsätzen oder Ansätzen) aus ferromagnetischem Material und aus einem damit zusammenwirkenden, feststehenden induktiven Impulsgeber besteht
Zur Erläuterung der Erfindung sind ein Temperatur-Zeit-Diagramm und ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeichnerisch, schematisch dargestellt und im folgenden beschrieben.
F i g. 1 zeigt die Abhängigkeit der Temperaturen des Dampfes und der Turbinenrotoroberfläche beim Anfahrvorgang in einem rechtwinkeligen, kartesischen Koordinatenkreuz,
Fig. 2 eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Oberflächentemperatur des Turbinenrotors, im Prinzip, und
F i g. 3 eine elektronische Rechenschaltung zur Darstellung des Wärmeübergangskoeffizienten in vereinfachter schematischer Darstellung.
Beim Anfahren von Turbinen wird ein konstantes Ansteigen der Dampftemperatur angestrebt. Liegen diese Verhältnisse vor, dann steigt auch — allerdings zeitlich etwas verzögert — die Temperatur des Turbiner rotors mit gleichem zeitlichen Gradienten an. In der Fig. 1 ist dieser Zusammenhang dargestellt, wobei auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die zugehörigen Temperaluren ι> des Dampfes und der Turbinenrotoroberfläche aufgetragen sind. Dabei bedeuten:
Ilι, '■ die Dampflemperatur,
dr
die Rolortemperatur,
der zeitliche Dampflemperaturiiradient und
die TemperaturdilTeren/ zur Zeil /'.
Unter den vorgenannten Voraussetzungen ist die Temperaturverteilung im Turbinenrotor quasistationär. Γι Für quasistationären Zustand ergibt sich unter der Annahme ausschließlich radialen Wärmetransports der Wärmeübergangskoeffizient nt zwischen Dampf und Turbinenrotor zu
= K
df"
= K
UIIn
df
Da mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung die tatsächlich an der Oberfläche des Turbinenrotors herrschende Temperatur gemessen wird, sind die ermittelten Wärmeübergangskoeffizienten relativ genau.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, daß eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Oberfläwobei K = —I—eine Konstante ist, mit der spezifischen Wärme c. der Dichte y und dem Außenradius rdes Turbinenrotors.
Aus der vorgenannten Gleichung kann der Wärmeübergang an der Läuferwelle zur Zeit / bestimmt werden. Es müssen nur der Dampftemperaturgradient und die Temperaturen von Dampf und Rotor gleichzeitig bestimmt werden.
Die angegebene Gleichung gilt ohne Einschränkung nur bei fehlendem axialem Wärmefluß. In der Praxis entsteht zwar außer radialem Wärmefluß noch axialer Wärmefluß, jedoch läßt sich der entstehende Fehler '^schätzen. Eine weitere geringe Fehlerquelle ergibt Mch aus der Annahme, daß die Stoffwerte c und /. (c= spezifische Wärme und λ = Wärmeleitfähigkeit des
Rotors) konstant sind, während sie in Wirklichkeit temperaturabhängig sind.
Diese Abweichungen kann man in der angegebenen Gleichung dadurch kompensieren, daß man die ermittelten α-Werte mit einem Korrektuifaktor K* multipliziert Die Größe des Korrekturfaktors K* kann aus Finite-Element-Methode-Rechnungen ermittelt werden.
Das Ermitteln der zur Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten notwendigen Temperaturen erfolgt über an sich bekannte Meßeinrichtungen.
So wird die Dampftemperatur #o mittels eines Meßfühlers 5 in Form eines Thermoelementes gemessen und in Form eines elektrischen Signals zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt.
Die Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächentemperatur des Turbinenrotors 1 weist am Umfang der Welle des Turbinenrotors ein oder mehrere Teile (Metallstücke) 3 aus ferromagnetischem Werkstoff, wie Reinnickel oder entsprechende Legierungen von Eisen und Nickel, die an definierten Temperaturpunkten von dem ferromagnetischen Zustand in den paramagnetischen Zustand übergehen, auf. (Im Falle von mehreren Metallstücken 3 sind diese nach Temperaturen gestaffelt am Umfang der Läuferwelle angebracht.) Unmittelbar neben der Umlaufbahn des oder der Teile (Metallstücke) 3 befindet sich ein induktiver Impulsgeber 4 in Form einer Induktionsspule, an welcher — bei rotierendem Läufer — das oder die Teile (Metallstücke) 3 vorbeilaufen. Außerdem bewegen sich das oder die Teile (Metallstücke) 3 an einem vor dem Impulsgeber 4 angeordneten Permanent- oder Elektromagneten 2 vorbei. Jedes Teil (Metallstück) 3 wird beim Vorbeibewegen am Magneten 2 im ferromagnetischen Zustand magnetisiert. Bei der nachfolgenden Bewegung vorbei an der Induktionsspule induziert das Teil (Metallstück) einen kurzen Stromstoß, der in dem Augenblick nicht mehr auftritt, wo die Temperatur des Rotors, und entsprechend die Temperatur des Teils (Metallslücks), die sogenannte Curietemperatur überschreitet. Zum Ermitteln der Temperatur kann z. B. die Zahl der magnetisierten Teile (Metallstücke) gezählt werden, wobei das Zählergebnis Aufschluß darüber gibt, welches Teil (Metallstück) gerade noch und welches Teil (Metallstück) gerade nicht mehr magnetisierbar ist. — Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Befestigungswinkel der Teile (Metallstücke) in bekannte Verhältnisse zur Temperatur des zugehörigen Curiepunktes zu bringen. Ein auf beliebige Weise festgelegter Referenzpunkt an der Rotorwelle gestattet dann über einen Winkelvergleich die Aussage, welche der am Wellenumfang angebrachten Teile (Metallstücke) oberhalb und welche unterhalb des Curiepunktes liegen.
Die Wellentemperatur liegt nun zwischen den H) Curiepunkttemperaturen der Teile (Metallstücke), weichegerade keinen Induktionsstrom mehr bewirken bzw. welche gerade noch einen Induktionsstrom bewirkten. Die Winkelzuordnung gestattet die Bestimmung der Temperatur. Auch digitale Codiermöglichkeiten bestehen, in dem jedem Teil (Metallstück) andere codierte und ζ B. induktiv abgreifbare Aussagen zugeordnet sind.
Die in dem die Dampftemperatur fro messenden Temperaturfühler 5 in Form eines (bekannten) Thermo moelementes erzeugte Thermospannung geht einerseits in Form eines Signais auf ein Differenzierglied 6, in welchem mittels des aus der Zeitbasis 7 stammenden
Signals der Differenzenquotient p gebildet wird,
2-j sowie andererseits direkt auf einen Eingang einer Rechenschaltung 8, in der der λ-Wert gebildet wird. Weiteren Eingängen der Rechenschaltung 8 werden das Differenzenquotient-Signal ft» sowie das Rotortemperatur-Signal ft« zugeführt. Das Rotortemperatur-Signal
so d-R wird in einem Komparator 9 immer nur dann für kurze Zeit gebildet, wenn am Induktionsaufnehnier 10 ein Übergang des an dem Turbinenrotor 1 angebrachten Teils (Metallstücks) 3 von dem ferromagnetischen in den paramagnetischen Zustand festgestellt wird. Die Re-
ii chenschaltung 8 kann zu diesem Zeitpunkt den Wärmeübergangskoeffizienten α bestimmen. — Das Signal der Dampftemperatur iV·» kann durch einen Verstärker 11 verstärkt werden, ehe es weiter verarbeitet wird.
in Die zeitliche Festlegung der Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten λ ist insofern von Bedeutung, als sie eine genaue Korrelation des Wärmeübergangs zum Dampfmengenstrom, Dampfdruck und zur Dampfeintrittstemperatur in die Turbine
-η ermöglicht.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Einrichtung zur Ermittlung des Wärmeübergangskoeffizienten χ beim Wärmeaustausch zwischen Dampf und Turbinenrotor während des Turbinen-Anfahrvorganges mit konstanter Temperaturdifferenz &D—&R, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Oberflächentemperatur (#Ä) des Turbinen rotors (I), bestehend aus einem oder mehreren mit der Oberfläche des Rotors (1) verbundenen Teilen (3) aus ferromagnetischem Material und aus einem damit zusammenwirkenden, feststehenden induktiven Impulsgeber (4), durch einen Meßfühler (5) zur Erfassung der Dampftemperatur (#o) und durch eine elektronische Rechenschaltung (6, 7,8) zur Darstellung des Wärmeübergangskoeffizienten nach der Formel
DE19762654837 1976-12-03 1976-12-03 Einrichtung zur Ermittlung des Wärmeübergangskoeffizienten beim Wärmeaustausch zwischen Dampf und Turbinenrotor während des Anfahrvorganges der Turbine Expired DE2654837C3 (de)

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