DE4315125A1 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung des Spitzenspiels von Turbinenrotorschaufeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung des Spitzenspiels von Turbinenrotorschau­ feln gegenüber dem Turbinengehäuse sowie eine Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrads ist bei Turbinen ein möglichst geringes Spitzenspiel anzustreben. Die Spit­ zen der Rotorschaufeln können sich durch Temperatureinfluß und drehzahlabhängig radial verschieben. Die den Spitzen gegenüberliegende Gehäusewand kann der Verschiebung der Spitzen durch Heizen oder Kühlen gezielt nachgeführt wer­ den. Hierzu ist eine präzise Bestimmung des momentanen Spitzenspiels erforderlich.

Bekannte Meßverfahren basieren auf optischer oder kapazi­ tiver Messung oder dem Einsatz von Mikrowellen (z. B. DE 40 41 343 A1).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zur Messung des Spitzenspiels von Turbinenrotorschaufeln sowie eine Anordnung zur Durch­ führung eines solchen Verfahrens anzugeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Patentanspruch 1, die Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens im Pa­ tentanspruch 3 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er­ findung.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch gute Empfindlichkeit, insbesondere auf Veränderungen des Spit­ zenspiels, und kurze Reaktionszeit aus. Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens kann einfach und auch unter den Beanspruchungen des Turbinenbetriebs zuverlässig auf­ gebaut werden.

Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Ab­ bildung noch weiter veranschaulicht.

Eine Turbinenrotorschaufel SCH weist an ihrem radial außenliegenden Ende zwei in axialer Richtung voneinander beabstandete Spitzen SP1 und SP2 auf, die in geringen Ab­ ständen (Spiel) S1 bzw. S1 der Innenwand W des Gehäuses gegenüberstehen, wobei im skizzierten Beispiel die Ober­ fläche der Gehäuseinnenwand gegenüber der Spitze S1 durch eine Meßelektrode ME1 und gegenüber der Spitze S2 durch ein Abriebmaterial R gebildet ist. Vorzugsweise ist die Meßelektrode ME1 gegen das im Regelfall metallische Ge­ häuse isoliert. Die Meßelektrode kann auch aus dem Ab­ riebsmaterial bestehen, somit dieses ausreichend leitfähig ist. Vorzugsweise erstreckt sich die Meßelektrode nur über einen kurzen Kreisbogenausschnitt. Vorteilhafterweise sind mehrere Meßelektroden entlang einer Kreislinie verteilt in der Gehäusewand vorgesehen. Zwischen den einzelnen Elek­ troden sind dann vorteilhafterweise Ringabschnitte aus Ab­ riebmaterial in der Gehäusewand vorgesehen. Für die Mes­ sung des Spiels S2 der Spitzen SP2 können in entsprechen­ der Weise in der axialen Position des Abriebmaterials R eine oder mehrere Meßelektroden vorgesehen sein.

Ein Generator G erzeugt eine veränderliche, beispielsweise zeitlinear ansteigende Hochspannung UH, die mit einem Pol an der Meßelektrode ME1 angeschlossen ist und die mit dem anderen Pol an dem Schaufelrotor liegt. Die Hochspannung liegt damit über dem Spalt S1 zwischen der Spitze SP1 und der Meßelektrode ME1. Bei Erreichen einer Überschlagspan­ nung UZ zündet eine Funkenstrecke zwischen ME1 und SP1. Der Generator ist vorzugsweise so ausgeführt, daß mit dem Zünden der Funkenstrecke die Hochspannung abschaltet. Die Überschlagspannung UZ ist abhängig vom Spitzenspiel S1, so daß durch Ermitteln der Überschlagspannung das momentane Spitzenspiel bestimmt werden kann. Mittel zur Ermittlung der Überschlagsspannung direkt oder einer mit der Über­ schlagspannung korrelierten Größe, beispielsweise des Zündzeitpunkts bei bekannter Zeitfunktion UH(t) sind an sich bekannt.

Die Überschlagspannung ist noch abhängig von den momenta­ nen Eigenschaften des Arbeitsgasgemisches, insbesondere dessen Druck und Temperatur. Vorteilhafterweise werden da­ her diese Größen bei der Bestimmung des Spitzenspiels aus der ermittelten Überschlagsspannung mitberücksichtigt. An­ stelle der Messung der aktuellen Werte für diese Größen sieht eine bevorzugte Ausführung wie skizziert ein gegen das Gehäuse isoliertes Referenzelektrodenpaar RE vor, des­ sen Elektrodenabstand bekannt ist und das so in geringer Entfernung von der Meßelektrode ME1 angeordnet ist, daß das Arbeitsgas an den Referenzelektroden möglichst diesel­ ben aktuellen Eigenschaften besitzt wie an der Meßelek­ trode. Die Referenzelektroden werden ebenfalls mit einer Hochspannung beaufschlagt, deren Referenz-Überschlagsspan­ nungswert UR ermittelt wird. Durch Vergleich der Über­ schlagsspannung UZ an der Meßelektrode mit der Referenz­ überschlagsspannung UR, beispielsweise durch Quotienten­ bildung UZ/UR oder durch Verwendung von UR als weiteren Parameter einer analytischen oder empirischen Zuordnungs­ vorschrift (Tabelle, Gleichung) kann der Einfluß wechseln­ der Eigenschaften des Arbeitsgases bei der Bestimmung des Spitzenspiels kompensiert werden. Durch Verwenden dessel­ ben Hochspannungsgenerators G bei der Ermittlung beider Überschlagsspannungen UZ und UR kann ein das Meßergebnis verfälschender Einfluß unterschiedlicher Generatoren ver­ mieden werden. Die Umschaltung ist in der Skizze angedeu­ tet durch das Schalterpaar P. Bei Vorhandensein mehrerer Meßelektroden kann auch ein einziger Generator im Zeitmul­ tiplex für mehrere Elektroden eingesetzt werden.

Auch bei weiterem Abrieb durch Anlaufen der Schaufelspit­ zen an der Gehäusewandung bleibt die Erfindung unverändert funktionsfähig, da ein solcher Abrieb auf dem gesamten Kreisumfang der Wandung gleichmäßig auftritt und die ther­ mische Nachführung der Gehäusewandung den Abrieb aus­ gleicht und den vorgesehenen Sollwert für das Spitzenspiel wieder einstellt. Die Erfindung ist insbesondere auch un­ abhängig von den im allgemeinen komplizierten Oberflächen von Schaufelkopf und/oder Gehäusewand.

Claims (5)

1. Verfahren zur Bestimmung des Spitzenspiels von Turbi­ nenrotorschaufeln gegenüber dem Turbinengehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Überschlagspannung zwischen Schaufelspitzen und Gehäuse oder eine mit der Überschlagspannung korrelierte Größe ermittelt und daraus das momentane Spitzenspiel bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überschlagsspannung einer Referenz-Funkenstrecke mit bekanntem Elektrodenabstand gemessen und bei der Bestim­ mung des Spitzenspiels mit berücksichtigt wird.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, gekennzeichnet durch

• - einen Generator zur Erzeugung einer veränderlichen Hochspannung,
• - mindestens eine an der Gehäusewand gegenüber den Spitzen der Rotorschaufeln angeordnete Meßelek­ trode,
• - Mittel zur Messung der Überschlagsspannung zwi­ schen Meßelektrode und Rotorschaufelspitzen.

4. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch minde­ stens eine Referenzfunkenstrecke mit bekanntem festem Elektrodenabstand und Mittel zur Messung der Überschlag­ spannung zwischen den Elektroden der Referenzfun­ kenstrecke.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßelektrode gegen das Gehäuse elek­ trisch isoliert ist.