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Gegenstand
der Erfindung sind allgemein Turbinenschaufeln. Spezieller bezieht
sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Ermittlung des zustandsabhängigen Wartungsbedarfs
der Turbinenschaufeln der ersten Stufe.
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Ein
Gasturbinenantrieb ist eine Luft atmende Einrichtung, das abgasgetriebene
Turbinenräder
dazu nutzt, einen Kompressor anzutreiben, was den kontinuierlichen
Betreib des Triebwerks möglich
macht. Turbinen entziehen dem expandierenden Gasen kinetische Energie,
wenn diese aus den Brennkammern austreten. Die Turbinen wandeln
diese Energie in Wellenleistung zum Antrieb des Kompressors und
von Triebwerkzubehör.
Turbinen, die typischerweise zur Stromerzeugung genutzt werden,
weisen viele Stufen auf, wobei jede Stufe feste Teilwände und
eine Vielzahl von Turbinenschaufeln aufweist, die auch als „Blätter" bezeichnet werden
und an drehbaren Turbinenrädern
montiert sind.
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Turbinen
sind hohen Drehzahlen und hohen Temperaturen ausgesetzt. Diese hohen
Drehzahlen ergeben hohe Zentrifugalkräfte. Turbinen müssen nahe
der Temperaturgrenzen arbeiten, was, wenn sie überschritten werden, die Festigkeit
der zur Ausbildung der Turbinenkomponenten verwendeten Materialien
vermindert. Turbineschaufeln unterliegen einer Verformung oder Längung, die
als „Kriechen" bekannt ist. Kriechen
ist ein Sammelbegriff, der sich auf Dehnung oder Längung der
Schaufel bezieht. Die Kriechgeschwindigkeit wird durch die auf die
Turbine ausgeübte
Last und die Festigkeit der Schaufel bestimmt. Die Festigkeit der Schaufel
ist umgekehrt durch die Temperatur innerhalb der Turbine bestimmt.
Weil die Veränderungen
des Anstellwinkels und das Kriechen ausgeprägter wer den, wenn die Betriebsgrenzen
des Antriebs missachtet werden, muss den von dem Hersteller vorgegebenen
Temperatur- und Drehzahlgrenzen Folge geleistet werden.
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Die
Turbinenanordnung besteht aus zwei Hauptteilen: Der Scheibe oder
dem Rad und den Schaufeln oder Flügeln. Die Scheibe oder das
Rad ist eine statisch und dynamisch ausgewuchtete Einheit aus einem speziell
legierten Stahl. Üblicherweise
enthält
dieser große
Prozentanteile Chrom, Nickel und Kobalt. Nach dem Schmieden wird
die gesamte Oberfläche
der Scheibe bearbeitet und unter Verwendung von Röntgenstrahlen,
Magnetismus und anderen Inspektionsverfahren sorgfältig inspiziert,
um ihre strukturelle Integrität
sicherzustellen. Die Schaufeln werden aus hochlegiertem Stahl geschmiedet
und sorgfältig
bearbeitet und inspiziert bevor sie zur Verwendung zertifiziert
werden. Die Schaufeln sind an den Scheiben mittels eines Tannenbaumprofils
befestigt, um unterschiedliche Ausdehnungsraten der Scheibe und
der Schaufeln zu gestatten, wobei die Schaufel bezüglich der
Zentrifugallasten noch immer fest gehalten ist. Die Schaufel wird
gegen axiale Bewegung entweder durch Niete, spezielle Verriegelungsvorsprünge oder
Einrichtungen oder eine andere Turbinenstufe gesichert. Es ist möglich, dass
bei normalem Betrieb eine Oxidation der Turbinenschaufeln auftritt.
Diese Oxidation kann zu einer verkürzten Schaufellebensdauer und
nachfolgendem Ausfall der Turbinen führen. Die Anströmkantenoxidation
der Turbinenschaufeln der ersten Stufe spiegelt die lokale Überhitzung wieder,
die eine frühe
Ablösung
der Beschichtung und einen Angriff auf das Grundmetall verursachen
kann. Weil Schweißen
im Strömungsprofilbereich
verboten ist, können
diese Prozesse zu einer frühen
Aussonderung der Schaufeln führen,
wenn sie nicht entdeckt werden, bevor ein Angriff des Grundmetalls
erfolgt. Die Erfahrung hat gezeigt, dass Turbineschaufeln der ersten
Stufe schon bei dem ersten Heißgaspfad
Inspektionsintervall eine Anströmkantenoxidation
entwickeln können.
Jedoch existiert hinsichtlich des Ausmaßes der Oxidation zwischen
den Schaufeln einer gegebenen Einheit eine große Variabilität. Einige
Schaufeln haben eine Oxidation die lediglich ein Freilegen und Wiederbeschichten
erfordert, während
andere Schaufeln irreparabel sind und durch neue Schaufeln ersetzt
werden müssen.
Gegenwärtige
verfahren, die zur Bestimmung des Schaufelausfalls verwendet werden
sind nicht ideal. Allgemein werden Turbinenschaufeln in spezifizierten
Intervallen inspiziert. Diese Intervalle basieren auf eine Kombination
von Start- und Betriebsstunden. Die Inspektion erfordert ein Stoppen
der Turbine und Ermittlung, ob die Schaufel neu beschichtet oder
sogar ersetzt werden muss. Dieses Wartungsverfahren ist als intervallweises
Wartungsverfahren bekannt geworden.
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Im
Stand der Technik gibt es einen Bedarf für ein Verfahren zur Vorhersage,
ob eine Schaufel eine Wartung benötigt. dieses Verfahren sollte
die Überwachung
der Schaufel ohne Inspektion während
die Turbine in Betrieb ist ermöglichen.
Dieses Verfahren sollte außerdem
ein besseres Verständnis
des Einflusses der Unwägbarkeiten
hoher Temperaturen liefern. Ein besseres Verständnis der Temperaturunwägbarkeiten
würde zu der
Fähigkeit
führen,
Schaufelfehler vorherzusagen. Die
GB
2 133 877 offenbart ein Verfahren zur Überwachung des Zustandes einer
Turbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Verfahren zur Überwachung
des Zustands einer Turbinenschaufel geschaffen, das folgende Schritte
aufweist:
Einsetzen eines Temperatursensors in eine Turbine;
Messen
einer Temperatur einer Referenzturbinenschaufel mittels des Temperatursensors;
Messen
wenigstens einer Temperatur einer überwachten Turbinenschaufel
mittels des Temperatursensors und
Vergleich der gemessenen
Temperatur der überwachten
Turbinenschaufel mit der gemessenen Temperatur der Referenzturbinenschaufel
zur Bestimmung des Zustandes der überwachten Turbinenschaufel.
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Gemäß gewisser
bevorzugter Aspekte der Erfindung ist ein Verfahren zur zustandsabhängigen Wartung
der Turbinenschaufeln der ersten Stufe geschaffen. Dieses Verfahren
gestattet die Überwachung
der Schaufeln während
des Betriebs der Turbine. Das Verfahrne beinhaltet die Überwachung
eines oder mehrerer Parameter, die einen Schaufelfehler kennzeichnen.
Diese Parameter können
die Temperatur, die Oxidation der Schaufel, die Reduktion der Leistungsabgabe,
irregulären
Betrieb oder andere Parameter umfassen, die für einen Turbine- und Turbinenschaufelfehler
kennzeichnend sind. Die Oxidation der Schaufeln wird durch Überwachung
der Temperatur der Turbinenschaufeln direkt überwacht, um den Zustand der
Schaufeln zu bestimmen. Die Temperatur einer Turbinenschaufel wird
gemessen und mit der Temperatur einer Referenzturbinenschaufel verglichen,
die keine Oxidation aufweist. Der Vergleich der Temperatur der Turbinenschaufel
mit der Temperatur der Referenzschaufel ist als Relativtemperaturmessung
bekannt. Wie hier verwendet, bedeutet zustandsabhängige Wartung
die Wartung einer Komponente auf Basis des Zustands dieser Komponente.
Deshalb liegt, anders als bei oben diskutierten inter vallweisen
Wartung, zustandsabhängige
Wartung vor, wenn ein oder mehrere Parameter anzeigen, dass die
Turbineschaufel Wartung benötigt.
Zustandsabhängige
Wartung bietet verschiedene Vorzüge
im Vergleich zu intervallabhängiger
Wartung. Beispielsweise wird bei der intervallabhängigen Wartung
häufig
herausgefunden, dass die Turbinenkomponenten keine Wartung benötigen und
deshalb wurde die Turbine unnötigerweise
abgeschaltet. Zustandsbasierte Wartung verhindert unnötiges Abschalten
der Turbine und liefert somit zusätzliche Betriebszeit für die Turbine.
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Wie
hier verwendet bedeutet der Begriff Relativtemperaturmessung, dass
die Temperatur einer Turbinenschaufel gemessen und mit einer Referenzturbinenschaufel
verglichen wird, die keine Oxidation aufweist. Die keine Oxidation
aufweisende Schaufel wirkt als eine Kontrolle, Grundlinie oder Referenz
für alle
Messungen. Die Grundlinie normiert außerdem Messungen, die an verschiedenen
Tagen vorgenommen werden.
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Gemäß bevorzugten
Ausführungsformen
ist hier ein analytisches Verfahren beschrieben, das einen Temperatursensor
dazu nutzt, Relativtemperaturdaten zu berechnen. Vorzugsweise werden
optische Pyrometertemperaturdaten dazu verwendet, Relativtemperaturdaten
zu berechnen. Die Relativtemepraturdaten werdenals ein Indikator
des Beginns und des Fortschreitens der Oxidation der Anströmkante der
Turbinenschaufeln der ersten Stufe genutzt, die sich mit der Betriebszeit
der Turbine erhöhen.
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Vorzüge dieser
Erfindung liegen auch in einem Verfahren zur Bestimmung wann eine
Turbinenschaufel gewartet werden muss auf Basis einer Analyse von
Daten, die erhalten werden, während
die Turbine läuft, im
Gegensatz zu intervallweiser Wartung, die ein Abschalten der Turbine
erfordert. Die Nutzung dieses Verfahrens kann die Anzahl der Turbinenschaufeln
reduzieren, die in Folge ausgiebiger Oxidation irreparabel sind und
sie erhöht
die Betriebszeit der Turbinen.
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Diese
und andere Eigenschaften und Vorzüge der vorliegenden Erfindungen
werden im Hinblick auf die folgende detaillierte Beschreibung in
Verbindung mit den zugehörigen
Zeichnungen besser ersichtlich, in denen:
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1,
die eine Schnittansicht eines optischen Pyrometersystems gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, die dazu verwendet werden kann, Temperaturdaten zu
akquirieren, in einer Veranschaulichung in einer Installation an
einer Turbine;
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2 ist
eine Perspektivansicht, die eine von dem Pyrometer gemäß 1 gesehene
Sichtlinie veranschaulicht;
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3 ist
ein Graph, der die Anströmkante
und das Mittelsehnentemperaturprofil einer Turbinenschaufel veranschaulicht,
wie es von dem Pyrometer nach 1 beobachtet
wird;
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4 ist
ein Graph, der die relative Anströmkantentemperatur einer Oxidation
aufweisenden Schaufel und einer Schaufel ohne Oxidation veranschaulicht,
wie sie von dem Pyrometer nach 1 beobachtet
werden;
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5 ist
in Graph, der eine relative Mittelsehnentemperatur einer Schaufel
mit Oxidation und einer Schaufel ohne Oxidation veranschaulicht,
wie sie von dem Pyrometer nach 1 gesehen
werden;
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6 ist
ein Graph, der die relative Anströmkantentemperatur verschiedener
Schaufeln veranschaulicht, wie sie von dem Pyrometer nach 1 gesehen
werden;
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7 ist
ein Graph, der die Mittelsehnentemperatur verschiedener Schaufeln
veranschaulicht, wie sie von dem Pyrometer nach 1 gesehen
werden;
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8 ist
ein Graph, der die Differenz der mittleren Temperatur am Tag 0 veranschaulicht,
wie sie von dem Pyrometer nach 1 gesehen
wird, und
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9 ist
ein Graph, der die Differenz der mittleren Temperatur am Tag 179
veranschaulicht, wie sie von dem Pyrometer nach 1 beobachtet
wird.
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Es
sind viele Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung möglich
und dem Fachmann ersichtlich, der diese Beschreibung zu Rate zieht.
Die hier zur Erleichterung gegebene Beschreibung konzentriert sich
auf gewisse veranschaulichende und exemplarische Ausführungsformen.
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Gemäß bevorzugter
Ausführungsformen
ist ein Verfahren zur Vorhersage von Intervallen für die Wartung
von Schaufeln der ersten Turbinenstufe geschaffen. Dieses Verfahren
kann auf zahlreichen Parametern basieren, zu denen die Schaufeloxidation,
die Reduktion der Leistungsabgabe, irregulärer Betrieb und andere Parameter
gehören,
die Turbinen- und Schaufelfehler charakterisieren. Die Oxidationsdaten
werden unter Verwendung eines Temperatursensors, wie beispielsweise
eines Pyrometers, durch Temperaturmessungen erhalten. Ein Fachmann
erkennt, dass andere Einrichtungen, wie beispielsweise Thermometer,
Thermoelemente oder andere Einrichtungen verwendet werden können, die
einen Widerstandswert messen und den Widerstandswert in einen Temperaturwert
umsetzen, um die Temperatur innerhalb der Schaufel zu bestimmen.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsformen
können
Pyrometerdaten dazu verwendet werden, die Schaufeloxidation zu erfassen
und zu verfolgen. Die von den Pyrometermessungen erhaltenen Daten
werden unter Verwendung einer Technik der Relativtemperaturmessung
erhalten. Relativtemperaturmessung wird durchgeführt, indem Temperaturdaten
einer Schaufel ohne Oxidation an der Anströmkante oder Stellen an der Mittelsehne
genutzt werden. Die von einer Schaufel ohne Oxidation erhaltenen
Temperaturdaten werden als Grundlinie genutzt und von allen anderen
Temperaturdaten abgezogen, um Relativtemperaturdaten zu erhalten.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
kann jedes optische Pyrometersystem, wie beispielsweise das optische
Pyrometersystem TBTMS-Thermometer, das von Land Instruments International
hergestellt wird, dazu verwendet werden, um Pyrometertemperaturdaten
von Turbinenschaufeln der ersten Turbinenstufe einer Gasturbine
zu akquirieren. Bei einer speziell bevorzugten Ausführungsform
hat, wie in 1 veranschaulicht ein Pyrometer 1,
ein faseroptisches Lichtleitkabel 5, das einen Lichtübertragungsweg
für das
Pyrometer schafft. Das Pyrometer 1 enthält außerdem eine Befestigungsanordnung 10 für einen
optischen Kopf und druckdichtes Schauglas, das das Pyrometer 1 von
der inneren Gasturbinenumgebung isoliert. Von dem optischen Kopf
eingesammelte Strahlungsenergie wird durch den „nicht veranschaulichten" faseroptischen Lichtleiter
zu einem (nicht veranschaulichten) Signalkonditionierer übertragen,
der von der feindlichen Gasturbinenumgebung entfernt angeordnet
ist. Der Signalkonditionierer kann jede Kombination von Detektor
und Elektronik sein, die die Strahlungsenergie in ein lineares Stromausgangssignal
umsetzt, das der Temperatur proportional ist. Das Pyrometer wird
an einem modifizierten Mannlochdeckel 15 an dem Turbinengehäuse mit
einer Nabe montiert, an der die Sichtglasfensterbefestigung 10 montiert
ist. Zwischen dem Mannlochdeckel 15 und einem Düsenbefestigungsring 25 der
ersten Turbinenstufe ist ein Sichtrohr 20 installiert.
Zur Messung der Temperatur innerhalb der Turbinenschaufel 30 der
ersten Stufe wird ein Pyrometer 1 verwendet.
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In
dieser speziell bevorzugten Ausführungsform
sieht das Pyrometer 1 einen kontinuierlichen Sichtlinienweg
A-B-C, wie in 2 veranschaulicht. Der Weg verläuft von
der Saugseite des Turbinenschaufelprofils bis zu der Anströmkante bei
ungefähr
70 % seiner Spannenweite, springt über Teile der Druckseite, die
von der Krümmung
der Schaufel verdeckt sind, und dann diagonal die Druckseite des
Strömungsprofils
bis zur Schaufelplattform herunter.
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In
dem Graph nach 3 sind typische Temperaturmuster
wiedergegeben, die von dem Pyrometer beobachtet werden, wenn die
Schaufeln durch die Sichtlinie des Pyrometers hindurchdrehen. Die
Mittelsehnenspitze der Temperatur steht mit einer Mittelsehnenkühlkanalrippe
in Beziehung, die sich durch das Innere der Schaufel radial erstreckt
(nicht veranschaulicht). An allen ersten Gasturbinenstufen ist ein
Nutfasensensor angeordnet, um einen Schlitz (nicht veranschaulicht)
zu erfassen, der in die vordere Nabenwelle eingearbeitet ist. Weil
eine feste physische Beziehung zwischen einem Nutphasenschlitz den
Schaufeln der ersten Stufe besteht, wird das Nutphasensignal so
genutzt, dass die individuellen Schaufeltemperaturmuster auf einfache Weise
auf jede Schaufel in der Stufe zurückgeführt werden können. Dieses
Nutphasensignal gestattet es, Temperaturdaten, die Gasturbinenbetriebsgeschichte
und individuelle Schaufelbedingungen mit der entsprechenden Schaufel
zu korrelieren.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsformen
ist eine Testschaufel 60 (BKT #60) verwendet worden, die an ihrer
Anströmkante
stark oxidiert war und eine Referenzschaufel 2 (BKT #2), die keine
Oxidation aufgewiesen hat, um Relativtemperaturen an der Anströmkante und
der Mittelsehne jeder Schaufel zu ermitteln. In den 4 und 5 sind
Relativtemperaturdaten der Anströmkantentemperaturen
bzw. der Mittelsehnentemperaturen veranschaulicht. An der Stelle
der Anströmkante
neigt die Relativtemperatur, wie in 4 veranschaulicht,
für die
Schaufel 60 nach null Tagen zur Erhöhung und beginnt mit zunehmend
verstrichener Zeit ein Plateau. Dieses Ausnivellieren oder der Plateaubildungseffekt
ist ein Kennzeichen des Beginns und des Fortschreitens der Oxidation.
Die Anströmkantentemperatur
der Schaufel 2 bleibt über
die gesamte Zeitspanne von 0–179
Tage konstant, wie aus 4 ersehen werden kann. An der
Stelle der Mittelsehne, wo Schaufel 60 kein Anzeichen von Oxidation
aufweist, neigt die Relativtemperatur für die Schaufeln 2, 60 dazu,
wie in 5 veranschaulicht, sich über die Periode auf einem vernünftigen
Niveau wohl zu verhalten. Deshalb ist ersichtlich, dass eine Erhöhung der
Temperatur, gefolgt durch ein Plateau, eine erhöhte Oxidation anzeigt.
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Um
weiter zu bestimmen, ob das Ausnivellieren oder der Plateaubildungseffekt
ein guter Indikator der Oxidation ist, sind Temperaturmessungen
für eine
Serie von Schaufeln durchgeführt
worden, wie in 6 veranschaulicht ist. Die Schaufeln
2 und 69 hatten an ihrer Anströmkante
kein Anzei chen von Oxidation, während die
Schaufeln 25, 28, 65, 68 und 88 an ihrer Anströmkante wesentliche Oxidation
aufwiesen. Eine Zusammenfassung der Schaufeln ist in Tabelle 1 veranschaulicht.
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Es
ist ersichtlich, dass die Relativtemperaturen an der Anströmkante der
Schaufeln 2 und 69 über
die Spanne von 0–179
Tage im Wesentlichen konstant waren. Die Schaufeln 25, 28, 65, 68
und 88 zeigen jedoch über
den Zeitraum von 0–179
Tage hinweg einander ähnliche
Temperaturerhöhungen.
Wie in 7 veranschaulicht, zeigen Messungen an der Stelle
der Mittelsehne, wo kein Anzeichen von Oxidation irgendeiner der Schaufeln
vorliegt, dass die Relativtemperatur dazu neigt, über die
gesamte Periode auf einem moderaten Niveau zu bleiben.
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Der
Vorgang der Auswahl einer Schaufel zur Verwendung als Referenz zur
Berechnung der Relativtemperatur wird durch Bewertung der Temperaturverteilung
an jeder Schaufel bewerkstelligt. Die Temperaturdifferenz jeder
Schaufel kann mit der Mitteltemperatur verglichen werden. Eine ideale
Referenzschaufel ist eine Schaufel mit einer Differenz zu der Mittel temperatur
(DMT) an der Anströmkante,
die im Wesentlichen Null ist (das heißt konstant über die
gesamte Messperiode). Die Referenzschaufel muss ebenfalls überwacht
werden, um sicherzustellen, dass sich hier DMT nicht mit der Zeit
erhöht.
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Es
wird auf die 8 und 9 verwiesen,
in denen die DMT der Schaufeln 2 und 69 über das 180-Tage-Zeitintervall
ziemlich moderat bleiben, weil lediglich 8–10 Grad DMT an den Tagen 0
und 179 beobachtet werden. Das DMT für die Schaufeln 25, 28, 60,
65, 68 und 88 erhöht
sich in Folge von Oxidation. Deshalb muss ebenso der Zustand der
Referenzschaufel überwacht
werden, um sicherzustellen, dass präzise Relativtemperaturmessungen
erhalten werden.
