DE3108316A1

DE3108316A1 - Signal erzeugende sonde fuer ein system zum feststellen der turbinengeschwindigkeit

Info

Publication number: DE3108316A1
Application number: DE19813108316
Authority: DE
Inventors: Alan R. 06484 Huntington Conn. Duly; Zoltan L. 06903 Stamford Conn. Libertini; Steven North Haven Conn. White
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1980-04-03
Filing date: 1981-03-02
Publication date: 1981-12-24
Also published as: JPS56166468A; SE8101235L; US4329644A; FR2479987B1; CA1141988A; IT8120892A0; SE443662B; IT1137209B; GB2073427B; GB2073427A; FR2479987A1; BR8102071A

Description

Bei einer Gasturbine ist es wichtig, die Geschwindigkeit der umlaufenden Teile zu überwachen. Bisher wurde dies durch Anwenden magnetischer oder optischer Fiihlvorrichtungen bewerkstelligt, die die Wellen- -Oder Rotorgeschwindigkeit feststellen können. Fiihlvorrichtungen dieser Art sind gegenüber Wärme und Verunreinigungen empfindlich, und deren Anwendung ist deshalb auf die kühleren und weniger schmutzigen Teile der Turbine beschränkt, d.h. den Kompressor, die Lager und das vordere Teil der Welle. Die durch diese Systeme gelieferten Informationen sind somit begrenzt und werden nichtnotwendigerweise die Rotorzustände in dem Turbinenabschnitt anzeigen. Dies wird kritisch, wenn vor dem Geschwindigkeitsmesser ein Versagen der Kompressorwelle eintritt. Die Anzeigevorrichtung nach dem Stand der Technik würde ein Verlangsamen des Kompressors anzeigen und erhöhte Brennstoffzufuhr erforderlich machen zwecks Kompensieren der abnehmenden Geschwindigkeit, obgleich tatsächlich die nicht mehr unter Laät 'stehende Kompressorturbine sich auf Drehgeschwindigkeiten zu beschleunigen beginnt, die zu einer Zerstörung derselben führen können.

Ks 1st Aufgabe der Erfindung eine Sonde zu schaffen, die den Umweltsbedingungen der Turbinendüse widerstehen kann, deren Temperaturen über 875°C liegen können und die auch in den Verbrennungsprodukten arbeitet. Diese Sonde kann ein Signal erzeugen, das für die Überwachung des lichten Abstandes der Schaufelspitzen, die Überwachung der Geschwindigkeit und andere Zwecke angewandt werden kann, in Abhängigkeit von der elektronischen Analyse des Signals. Speziell wird hier ein System zur Geschwindigkeitsüberwachung beschrieben.

Ein System zum überwachen des lichten Abstandes der Schaufelspitzen ist in der US-PS 4 06 3 167 beschrieben. Dei diesem System wird eine kapazitive Sonde angewandt, die in den lichten Raum an den Schaufelspitzen eines Kompressors angeordnet wird. Eine elektronische Schaltung empfängt das Signal von der Sonde und registriert die Kapazitätsveränderung, die verursacht wird durch die Rotorschaufeln sobald dieselben an der Sonde vorbeitreten. Bei dieser speziellen Sonde wird ein wärmeerhärtender Epoxykunst-

stoff angewandt, der die Elektroden an Ort und Stelle hält. Aufgrund dieser.Tatsache und weiterer Einzelheiten der· Bauart neigt der Kunststoff dazu abgebaut zu werden, sobald die Temperatur der Elektrode erhöht wird. Da der Zweck des erfindungsgemäßen Systems darin besteht, eine zu hohe Turbinengeschwindigkeit festzustellen, muß dasselbe bei hohen Temperaturen außerhalb verläßlich sein.

Erfindungsgemäß wird eine Hochtemperatursonde geschaffen, die aus einem Gehäuse mit einem inneren Hohlraum besteht, der eine .Elektrodenanordnung aufnimmt. Die Elektrodenanordnung weist innere und äußere isolierende Halterinqe auf, die nacheinander über ein Paar der Elektrodenstifte im Inneren des Gehäuses angeordnet werden. Die Halteringe legen die Lage der Elektroden im Inneren des Gehäuses fest und werden an Ort und Stelle durch eine Kappe gehalten. An ihren äußeren Enden werden über die Elektrodenhalter • Spitzenelemente angeordnet. Die gesamte Anordnung wird vermittels Vakuum-Hartverlöten befestigt. Das von der Sonde kommende Signal wird über ein abgeschirmtes Kabel einem Signalverarbeitungskreis zugeführt, der dasselbe in ein direktes Geschwindigkeitssignal umwandelt, das in der Lage ist ein Meßinstrument oder andere optische Wiedergabe zu betätigen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestelltund wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise Querschnittsansicht einer typischen Gasturbine;

Fig. 2 ein Blockschaltungsdiagramm für ein Geschwindigkeitsmeß-' system unter Anwenden des Erfindungsgegenstandes; Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm für die Filter- und Verstärkerteile des Blockdiagramms nach Figur 2;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Sonde; Fig. 5 eine Querschnittsansicht des Elektrodenstiftes der erfindungsgemäßen Sonde.

Das erfindungsgemäße Geschwindigkeitnmeßsystem wird in einer Gasturbine 25, siehe die Figur 1, angewandt. Die Turbine 25 besteht aus einem Kompressor 23, Verbrennungskammer 24, Kompressorturbine 20 und Leistungsturbine 21. Die Kompressorturbine 20 treibt über die Welle 22 den Kompressorrotor 23 an. Die Hochtemperatursonde 1 ist in das Schaufelversteifungsband der Kompressorturbine 20

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eingeführt.

Geschwindigkeitssensoren nach dem Stand der Technik sind in ihrer Anwendung auf das Gebiet des Kompressors 23 begrenzt, und zwar entweder dem Rotor oder auf der Welle 32 angeordnet. Man sieht, daß ein Versagen der Welle 22 in dem heißen Abschnitt der Turbine 25 nicht sofort durch die Sensoren festgestellt wird, die sich in den kühleren Abschnitten befinden.

Wie in dem Blockdiagfamm nach Figur 2 gezeigt, steht die Sonde 1 in Verbindung mit einer Spannungsquelle 19, die sich auf 500 V parallel zu den Elektroden 4 und 5 der Sonde 1 belaufen kann. Das Ausgangssignal der Sonde 1 wird einem Bandfilter 15 mit hohem Durchlaß zugeführt, das erforderlich ist aufgrund der Umweltsbedingungen in dem Turbinenabschnitt, wobei Ilochtemperaturgase und Verbrennungsprodukte vorliegen.

Dem Produktverstärker 16 wird das gefilterte Signal zugeführt, das. sodann aus einer Wechselstromladung in eine Wechselstromspannung umgewandelt und· verstärkt wird. Nach Verarbeitung in dem Gleich-.stromkonverter 17 wird das Signal an der kalibrierten Wiedergabe abgelesen. Wahlweise kann das Signal durch einen Frequenzzähler abgelesen oder in einer Schutzvorrichtung gegen zu hohe Geschwindigkeit angewandt werden, dergestalt, daß die Brennstoffzufuhr zu der Turbine abgeschaltet wird, sobald die Turbinengeschwindigkeit einen vorherbestimmten Schwellenwert erreicht.

Die Figur 3 zeigt weitere Einzelheiten der Schaltungsbestandteile, die in der-Figur 2 durch die Bezugszeichen 15, 16 und 19 wiedergegeben sind. DiePfosten 17 und 18 v/erden nicht beschrieben, da hier geeignete handelsgängige Einheiten angewandt werden können. Die Gleichstrom- Erregungsspannung wird den Sondepolen 4 und 5 vermittels +V und -V über geeignete, den Strom begrenzende Widerstände R1 und R2 zugeführt. C1 und C2 sind Entkopplungskondensatoren , die verhindern, daß die Erregungsspannung auf die Ein- - . gänge von Q1 und Q2 übertragen wird.

Die. Filter mit hohem Durchlaß sind 3-Pol Differentialfilter und bestellen aus den Kombinationen aus R3, R5, C4; R8, R9, C6; und C10, R18 und R19für eine Hälfte der Differentialstufe und entsprechenden Komponenten R4, R6, C3; R10, R11, C7; und C11, R20

WV¹V VV VVVV VV VV VV r*w*r

und R 21 für die andere Hälfte.

■ Die Differentialverstärkunig des Systems ergibt sich durch die Arbeitsverstärker A1, A2 und A3 in Kombination mit den Rückkopplung sweg en gegeben durch R8, R9 für A1; R1O, R11 für A2 und R19 und R21 für A3«

Die Geräuschunterdrückung und Schutz gegen überspannung wird durch die Zenerdioden Z1 und Z2 geliefert, die die Spannung von •Q1 und Q2 auf sichere Arbeitswerte begrenzen.

■ · Die Feldeffekt-Transistoren Q 1 und Q2 in den Eingängen der Verstärker A1 und A2 ergeben eine sehr hohe Eingangsimpedanz für die Schaltung und ermöglichen es, daß das System als ein Ladungsverstärker arbeitet, um so die dielektrischen Veränderungen parallel zu den Sondenpolen 4 und 5 in proportionale Spannungen an dem Ausgang von A3 umzuwandeln.

Die Bauart der Sonde 1 ist im einzelnen in der Figur 4 wiedergegeben. Alle Materialien müssen hochtemperaturfest sein, und die Anordnung ist so vorgesehen, daß eine Verunreinigung durch Verbrennungsprodukte hlntenangehalten wird. Wenn auch andere Materialienangewandt werden können, wurde gefunden, daß KOVAR für die Bauelemente und synthetischer Saphir für die Isolationsteile geeignet sind.

Das Gehäuse 2 ist mit einem mittig angeordneten, becherförmigen ^! Behältnis versehen, das die Elektrodenanordnung aufnimmt. Das Gehäuse 2 ist ebenfalls mit einer öffnung versehen, durch die das Kabel 3 hindurchtritt. Das Kabel 3 weist zwei Nickel-Nickel-Leiter 27 und 28 auf, die durch eine Umkleidung aus INCONEL oder HASTELLOY X geschützt sind. Die Leiter 27 und 28 sind mit den Elektrodenstiften 6 und 7 über den Kanal 31 verbunden, siehe die Figur 5.

Die Stifte 6 und 7 sirid identisch und mit einem Leiterkanal 31 und Positionierungsschulter 30 versehen. Von dem Körper aus erstreckt sich ein Vorsrung 29 nach außen, der mit dem Schlitz des isolierenden Halterings 9 in Eingriff kommt. Der isolierende

Ring 9, der aus synthetischem Saphir besteht, wird im Inneren des Behältnisses des Gehäuses 2 angeordnet unter Ausbilden einer

isolierenden Barriere gegenüber dem inneren Teil der Elektroden-. stifte 6 und 7. Der isolierende .Ring 9 weist bei 11 einen Schlitz auf, der die Vorsprünge 29 aufnimmt, wodurch ein Drehen der Stifte 6 und 7 verhindert wird. Ein äußerer Haltering 8 bestehend aus synthetischem Saphir paßt über die Stifte 6 und 7. Die Elektrodenspitzen 13 und 14 werden über den Stiften 6 und 7 angeordnet und ruhen an der Schulter 30. Die Schulter 30 ist so aufgebaut, daß die Elektrodenspitze geringfügig angehoben gegenüber der Ober^ fläche des Rings 8 vorliegt, wodurch unter den Elektrodenspitzen 13 und 14 ein isolierender Luftspalt ausgebildet wird. Die Elektrodenspitzeni3 und 14 weisen eine derartige Größe auf, daß die Ausbildung eines jede Elektrode umgebenden Luftspaltes sichergestellt, ist. über dem Gehäuse 2 wird eine Kappe 12 angeordnet unter Fertigstellen der Gesamtanordnung, wodurch der Haltering 8 festgelegt wird. Die gesamte Anordnung kann sodann durch Hochtemperatur-Hartverlöten im Vakuum bei einer Temperatur von 93O°C bis 115O°C in Abhängigkeit von den angewandten Materialien gesichert werden.

In dieser Weise werden die Elektrodenanordnungen 4 und 5 aufgebaut und im Inneren des Gehäuses 2 angeordnet, wobei ein isolierender Luftspalt 32 die Elektroden 4 und 5 voneinander, von dem Gehäuse 2 und von dem isolierenden Ring 8 trennt. Hierdurch wird der Kurzschlußweg, auf dem sich Verunreinigungen ansammeln können verlängert und weiterhin ein derartiges Ansammeln hintenangehalten. Es wurde gefunden, daß das Vorsehen des Luftspaltes 32 zu einer wesentlichen Verbesserung der Hochtemperaturieistung führt. Nach dem Stand der Technik ist ein Versagen bei einem Temperaturbereich von 4 3O°C bis 54O°C unter bestmöglicen Umständen festgestellt worden. Vermittels der erfindungsgemäßen Sonde können Temperaturen über 1100⁰C erreicht werden, ohne daß hierdurch die Verläßlichkeit beeinflußt wird. Weiterhin wird eine genaue Lageanordnung erreicht, wodurch die Kalibrierung erleichtert wird.

Das Gehäuse 2 und die Elektrodenanordnungen 4 und 5, die die Stifte 6 und 7 und die Spitzen 13 und 14 aufweisen, werden aus einem Material wie KOVAER hergestellt, das eine Temperaturfestigkeit von 1100⁰C aufweist. Die isolierenden Elemente 8 und 9 sind aus synthetischem Saphir hergestellt, .der eine maximale Temperaturfestigkeit von über 165O°C besitzt.

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Die gesamte Anordnung kann in eine Öffnung in dem Schaufelversteifungsband eingeführt und vermittels Bolzen befestigt und abgedichtet werden.

Bei dem Betrieb wird eine 500 V Hochfrequenzspannung parallel zu den Elektroden 4 und 5 beaufschlagt, wodurch benachbart zu der Sonde 1 ein elektrisches Feld erzeugt wird. Die Intensität dieses Feldes ist proportional zu der Spannung und der Kapazität zwischen den Elektroden. Die Kapazität zwischen den Elektroden ist klein während die Sonde durch Gase umgeben ist, sobald jedoch eine Schaufel an der Sonde vorbeitritt, nimmt die Kapazität zu aufgrund der höheren dielektrischen Konstante des Schaufelmaterials. Bei Zunahme der Kapazität erfolgt ein entsprechender Spannungsimpuls, der in dem Ausgang der Sonde 1 erzeugt wird. Es wird somit ein Impuls für jedes Vorbeitreten einer Schaufel an der Sonde erzeugt, wodurch ein genaues, auf die Geschwindigkeit bezogenes Signal für die die Geschwindigkeit überwachende Schaltung erzeugt wird. Da die Größe des Impulses umgekehrt proportional zu dem lichten Abstand zwischen der Schaufelspitze und den Sondenelektroden 4 und 5 ist, kann man ebenfalls eine Ablesung erzeugen, die einen Hinweis auf das lichte Abstandsverhältnis der Schaufelspitze gibt.

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Claims

AVCO CORPORATION 1275 King Street, Greenwich, Conn. 06830

Signal erzeugende Sonde für ein System zum Feststellen der Turbinengeschwindigkeit

Patentansprüche

1 ,/Sonde für das Feststellen des Umlaufes einer Rotorschaufel in dem heißen Turbinenabschnitt einer Gasturbine, gekennzeichnet durch die Kombination der nachfolgenden Merkmale:

a) ein Gehäuse (2) aus einem hochtemperaturfesten Material mit darin ausgebildeten offenen Behältnis;

b) wenigstens einem Elektrodenpaar (4,5)bestehend aus einem hochtemperaturfesten Material, das in dem Gehäuset2)befestigt ist und sich von hier aus nach außen erstreckt;

c) ein Isolationsteil (8,9) bestehend aus einem hochtemperaturfesten Isolationsmaterial befestigt in dem Behältnis des Gehäuses (2) für die Aufnahme und die Lageanordnung der Elektroden (4,5) in dem Gehäuse (2), wobei das Isolationsteil (8,9) so aufgebaut ist, daß dasselbe die Elektroden (4,5) gegenüber dem Gehäuse (2) isoliert und ein Luftspalt ausgebildet wird, der das Äußere jeder Elektrode (4,5) umgibt?

d) ein Kabel (3), das sich durch das Gehäuse (2) erstreckt und. darin einen Leiter (27,28) enthält, der mit jeder Elektrode (4,5) verbunden ist;

e) eine Anordnung für das Anordnen der Sonde (1) benachbart zu den Turbinenschaufeln der Gasturbine in einer Lage, in der sich

die Elektroden (4,5) in das Turbinengebiet ausreichend eng benachbart zu den Turbinenschaufeln dergestalt erstrecken, daß ein auf die Elektroden (4,5) beaufschlagtes elektrisches Feld durch den Vorbeitritt der Turbinenschaufeln verändert wird.
2. Sonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombination der nachfolgenden Merkmale:

a) einen Elektrodenstift (6,7) befestigt an dem Elektrodenleiter (27,28), wobei der Stift (6,7) so aufgebaut ist, daß derselbe in das Isolationsteil (8,9) paßt und hierdurch in eine derartige Lage gebracht wird,-daß sich derselbe aus dem Gehäuse (2) heraus erstreckt;

b) eine Elektrodenspitze (13,14) befestigt an dem äußeren Ende des Elektrodenstiftes (6,7), der sich querseitig hierzu in den Luftspalt erstreckt, wodurch der Oberflächenweg zwischen den Elektroden und zwischen den Elektroden und dem Gehäuse (2) vergrößert wird.
3. Sonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a) eine Spannungsquelle (19) parallel zu den Elektroden (4,5) der Sonde (1) geschaltet;

b) ein Hochpaßbandfilter (15) für die Aufnahme des von der Sonde (1) kommenden Signals;

c) einen Verstärker (16) für die Aufnahme des von dem Hochpaßband-•filter (15) kommenden gefilterten Signals .und für das Verstärken und Gleichrichten desselben und

d) eine optische Wiedergabeanlage (18) für die Aufnahme des von dem Verstärker (16) kommenden Signals und für das Umwandeln dieses Signals in eine Geschwindigkeitsangabe in lesbarer Form.
4. Sonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangsschaltkreis vorgesehen ist,, der ein Signal .bildet, das für die Steuerung des Turbinenbetriebes; angewandt werden kann.
5.' Sonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß. jede Elektrode die nachfolgenden Merkmale aufweist: a) einen Elektrodenstift (6,7) befestigt an dem Elektrodenleiter (27,28), wobei der Stift (6,7) so aufgebaut ist, daß derselbe in das Isolationsteil paßt und durch dasselbe so angeordnet wird, daß sich derselbe nach außerhalb des Gehäuses (2) erstreckt und

b) eine Elektrodenspitze (13,14) befestigt an dem äußeren Ende des Elektrodenstiftes (6,7), der sich querseitig hierzu in den Luftspalt erstreckt, wodurch der Oberflächenweg zwischen den Elektroden und dem Elektroden und dem Gehäuse (2) vergrößert wird.