DE69208860T2 - Device for measuring the vibration of a turbine blade - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Schwingungen von rotierenden Schaufeln und betrifft insbesondere eine solche Vorrichtung für den Gebrauch mit einer Schaufel einer Gasturbine oder einer ähnlichen Maschine, deren Schaufeln während des Betriebs sehr heiß werden.The present invention relates to an apparatus for measuring the vibrations of rotating blades, and in particular to such an apparatus for use with a blade of a gas turbine or similar machine, the blades of which become very hot during operation.
Bisher sind die Schwingungen einer rotierenden Schaufel einer Turbine oder dergleichen während ihres Betriebs gemessen worden, indem an der Schaufel selbst ein Dehnungsmeßstreifen befestigt wird. Die vom Dehnungsmeßstreifen erzeugten elektrischen Signale werden an einen unbeweglichen Abschnitt der Vorrichtung über Übertragungsmittel wie etwa einen Gleitring, einen rotierenden Umformer oder einen Mikrosender übertragen und dann angezeigt oder aufgezeichnet.Previously, the vibrations of a rotating blade of a turbine or the like have been measured during its operation by attaching a strain gauge to the blade itself. The electrical signals generated by the strain gauge are transmitted to a fixed portion of the device via transmission means such as a slip ring, a rotating transducer or a micro transmitter and then displayed or recorded.
Dehnungsmeßstreifen besitzen jedoch in bezug auf ihre Betriebstemperatur eine obere Grenze von ungefähr 800 ºC, so daß sie nicht für die Messung von Schwingungen einer rotierenden Schaufel einer Gasturbine oder dergleichen verwendet werden können, deren Temperatur einen Wert von bis zu 1300º erreichen kann.However, strain gauges have an upper limit of about 800ºC with respect to their operating temperature, so that they cannot be used to measure vibrations of a rotating blade of a gas turbine or the like, the temperature of which can reach a value of up to 1300º.
Selbst in einer Dampfturbine oder dergleichen, in der ein Dehnungsmeßstreifen verwendet werden kann, weil die Turbinentemperatur unter der oberen Grenze seiner Betriebstemperatur liegt, erfordert die Installation des Signalsendemittels eine erhebliche Veränderung der Konstruktion der stationären und rotierenden Abschnitte der Turbine, außerdem kann die Befestigung des Dehnungsmeßstreifens an der Schaufel Veränderungen ihrer aerodynamischen Eigenschaften und ihrer Schwingungseigenschaften bewirken, woraus sich Schwierigkeiten bei der genauen Messung der inhärenten Schwingungseigenschaften der rotierenden Schaufel selbst ergeben.Even in a steam turbine or the like, where a strain gauge can be used because the turbine temperature is below the upper limit of its operating temperature, the installation of the signal transmitting means requires a significant change in the design of the stationary and rotating sections of the turbine, and the attachment of the strain gauge to the blade may cause changes in its aerodynamic properties and their vibration characteristics, resulting in difficulties in accurately measuring the inherent vibration characteristics of the rotating blade itself.
Um einige dieser Schwierigkeiten bei der Überwachung von Motorlauf-Spielräumen zwischen einer Turbinenschaufel und einem Turbinengehäuse in der fraglichen Umgebung einer Gasturbine zu vermeiden, projiziert eine aus der GB-A-2 066 449 bekannte Vorrichtung Licht von einem Ende einer Lichtleitfaser durch ein Linsensystem auf eine Schaufelspitze. Durch das Linsensystem wird reflektiertes Licht zurückgeschickt und auf photoelektrische Zellen zurückprojiziert, die durch Lichtleitfasern versorgt werden, die symmetrisch um die projizierende Lichtleitfaser angeordnet sind. Die Signale von den Zellen werden kombiniert, um eine Messung der Form des Bildes an einer Schaufelspitze und folglich der Spielräume zu schaffen.To avoid some of these difficulties in monitoring engine running clearances between a turbine blade and a turbine casing in the gas turbine environment in question, an apparatus known from GB-A-2 066 449 projects light from one end of an optical fibre through a lens system onto a blade tip. Reflected light is returned by the lens system and projected back onto photoelectric cells fed by optical fibres arranged symmetrically around the projecting optical fibre. The signals from the cells are combined to provide a measurement of the shape of the image at a blade tip and hence of the clearances.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obigen Nachteile zu beseitigen und eine verbesserte Vorrichtung zum Messen der Schwingungen einer rotierenden Schaufel zu schaffen, die keinen an der rotierenden Schaufel befestigten Dehnungsmeßstreifen verwendet und die Schwingungen einer bei einer hohen Temperatur arbeitenden rotierenden Schaufel messen kann, ohne irgendwelche Anderungen der Schwingungseigenschaften der Schaufel hervorzurufen.It is the object of the present invention to eliminate the above disadvantages and to provide an improved device for measuring the vibrations of a rotating blade, which does not use a strain gauge attached to the rotating blade and can measure the vibrations of a rotating blade operating at a high temperature without causing any changes in the vibration characteristics of the blade.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung für den Gebrauch beim Messen der Schwingungen einer rotierenden Schaufel einer Gasturbine oder einer ähnlichen Maschine gekennzeichnet durch einen Fühler, der ein äußeres Gehäuse enthält, das eine lichtprojizierende Lichtleitfaser, eine lichtempfangende Lichtleitfaser, eine Quarzglaslinse am Auslaßende der lichtprojizierenden Faser sowie an der Spitze des Fühlers ein Schutzglas aus Quarzglas enthält, wobei durch das äußere Gehäuse Kühlmittelkanäle verlaufen. Somit ermöglicht die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, daß ein Lichtstrahl, vorzugsweise ein Laserstrahl, vom Ende der lichtprojizierenden Lichtleitfaser auf die Spitzen der Turbinenschaufeln projiziert wird und daß dieser Strahl in die lichtempfangende Lichtleitfaser zurückreflektiert wird, wobei der pulsierende Strahl anschließend analysiert werden kann, um den Grad oder die Art der von den Schaufeln ausgeführten Oszillationen zu bestimmen. Die Lichtleitfasern sind vor einer Beschädigung durch das Quarzglas geschützt, ferner wird der Fühler durch die Zirkulation von Kühlmittel durch die Kühlmittelkanäle auf einer annehmbaren Temperatur gehalten.According to the present invention, an apparatus for use in measuring the vibrations of a rotating blade of a gas turbine or similar machine is characterized by a sensor comprising an outer casing which includes a light-projecting optical fiber, a light-receiving optical fiber, a quartz glass lens at the outlet end of the light-projecting fiber, and a protective glass made of quartz glass at the tip of the sensor. with coolant channels extending through the outer casing. Thus, the apparatus according to the present invention enables a beam of light, preferably a laser beam, to be projected from the end of the light-projecting optical fibre onto the tips of the turbine blades and for this beam to be reflected back into the light-receiving optical fibre, which pulsating beam can then be analysed to determine the degree or type of oscillations performed by the blades. The optical fibres are protected from damage by the quartz glass and the sensor is maintained at an acceptable temperature by the circulation of coolant through the coolant channels.
Vorzugsweise sind die lichtprojizierende und die lichtempfangende Lichtleitfaser koaxial angeordnet.Preferably, the light-projecting and the light-receiving optical fiber are arranged coaxially.
Die vorliegende Erfindung umfaßt auch eine Gasturbine oder eine ähnliche Maschine, die eine solche Vorrichtung enthält, wobei in diesem Fall bevorzugt wird, daß die Gasturbine ein Gehäuse besitzt, in dem ein Luftkanal definiert ist, wobei die Spitze des Fühlers zu den Schaufeln der Gasturbine gerichtet ist und sich in der Luftströmung durch den Luftkanal befindet. Vorzugsweise ist in der inneren Oberfläche des Luftkanals ein Loch vorhanden, durch das der von der lichtprojizierenden Lichtleitfaser projizierte Lichtstrahl zu den Turbinenschaufeln verlaufen kann und durch das Luft vom Luftdurchlaß in den Innenraum der Turbine strömt, wobei die Spitze des Fühlers inhärent von einer Kühlungsluftströmung umgeben ist.The present invention also encompasses a gas turbine or similar machine incorporating such a device, in which case it is preferred that the gas turbine has a housing defining an air duct, the tip of the sensor being directed towards the blades of the gas turbine and being in the air flow through the air duct. Preferably, there is a hole in the inner surface of the air duct through which the light beam projected by the light projecting optical fiber can pass to the turbine blades and through which air from the air passage flows into the interior of the turbine, the tip of the sensor being inherently surrounded by a cooling air flow.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden deutlich aus der folgenden Beschreibung einer besonderen Ausführungsform, die lediglich anhand eines Beispiels mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen gegeben wird, in denen:Further features and details of the invention will become clear from the following description of a particular embodiment, which is given by way of example only. Reference is made to the accompanying drawings in which:
Fig. 1 eine vergrößerte vertikale Schnittansicht der Meßvorrichtung in Form eines Fühlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist;Fig. 1 is an enlarged vertical sectional view of the measuring device in the form of a probe according to the present invention;
Fig. 2 eine diagrammartige vertikale Seitenschnittansicht einer Gasturbine ist, an der der Fühler von Fig. 1 befestigt ist;Fig. 2 is a diagrammatic vertical sectional side view of a gas turbine to which the sensor of Fig. 1 is attached;
Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie III-III in Fig. 1 ist;Fig. 3 is a sectional view taken along the line III-III in Fig. 1;
Fig. 4 eine Schnittansicht längs der Linie IV-IV in Fig. 1 ist; undFig. 4 is a sectional view along the line IV-IV in Fig. 1; and
Fig. 5 eine diagrammartige, perspektivische Darstellung ist, die den Gesamtaufbau des die Meßvorrichtung von Fig. 1 enthaltenden Meßgeräts darstellt.Fig. 5 is a diagrammatic perspective view showing the overall structure of the measuring device incorporating the measuring device of Fig. 1.
Die in Fig. 2 gezeigte Gasturbine enthält Schaufeln 1, die im Gebrauch rotieren, und eine stationäre Düse 2. Das Turbinengehäuse 3 ist mit Fühlern 4 versehen, die im folgenden beschrieben werden und ein jeweiliges Spitzenende 5 besitzen, das zu den Spitzen der rotierenden Schaufeln 1 gerichtet ist.The gas turbine shown in Fig. 2 includes blades 1, which rotate in use, and a stationary nozzle 2. The turbine casing 3 is provided with sensors 4, which are described below and have a respective tip end 5 directed towards the tips of the rotating blades 1.
Wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist, enthält jeder Fühler 4 eine zentrale lichtprojizierende Lichtleitfaser 6 und eine diese konzentrisch umgebende lichtempfangende Lichtleitfaser 7. Die Lichtleitfaser 6 besitzt eine Linse 8 mit kleinem Durchmesser, die aus Quarzglas hergestellt ist und an ihrem Auslaßende angebracht ist. Eine Linse 9 mit großem Durchmesser, die aus Quarzglas hergestellt ist, ist in einem bestimmten Abstand vor der Linse 8 angebracht, weiterhin ist an einem Punkt vor der Linse 9, d. h. noch weiter vor der Linse 8, eine Schutzplatte oder ein Schutzblock 10 aus Quarzglas angebracht. Die Lichtleitfasern 6 und 7, die Linsen 8 und 9 und das Schutzglas 10 sind in einem Außengehäuse 11 untergebracht.As shown in Figs. 1 and 3, each sensor 4 comprises a central light-projecting optical fiber 6 and a light-receiving optical fiber 7 concentrically surrounding the central light-projecting optical fiber 6. The optical fiber 6 has a small-diameter lens 8 made of quartz glass attached to its outlet end. A large-diameter lens 9 made of quartz glass is attached at a certain distance in front of the lens 8. Furthermore, a protective plate or a protective block 10 made of quartz glass is attached at a point in front of the lens 9, ie even further in front of the lens 8. The optical fibers 6 and 7, the lenses 8 and 9 and the protective glass 10 are accommodated in an outer housing 11.
Durch das Gehäuse 11 verlaufen Kühlmittelkanäle 12 und 13, die in Umfangsrichtung abwechseln, wie in Fig. 3 gezeigt ist, und die an ihren Spitzen durch entsprechende Verbindungskanäle 14 paarweise verbunden sind (siehe Fig. 1 und 4), so daß das durch einen Kühlmittelkanal 12 geschickte Kühlmittel durch den zugehörigen Kanal 14 geschickt wird und durch den anderen Kühlmittelkanal 13 zurückfließt, wodurch der Fühler 4 gekühlt wird.Through the housing 11 there run coolant channels 12 and 13 which alternate in the circumferential direction as shown in Fig. 3 and which are connected in pairs at their tips by corresponding connecting channels 14 (see Figs. 1 and 4), so that the coolant sent through one coolant channel 12 is sent through the associated channel 14 and flows back through the other coolant channel 13, thereby cooling the sensor 4.
Wie in Fig. 2 gezeigt, verläuft durch das Gehäuse 3 der Gasturbine ein Luftkanal 15. Die Gasturbine ist mit einem Kompressor versehen, der Druckluft für die Verbrennung des Kraftstoffs erzeugt, wobei ein Teil der in diesem Kompressor erzeugten Druckluft durch den Luftkanal 15 geschickt wird und das Gehäuse 3 kühlt. Ein Teil der Druckluft wird durch ein Loch 16 geschickt und um die Spitze 5 des Fühlers 4 geblasen, wo sie den Fühler 4 kühlt und ein Verflecken des Schutzglases 10 verhindert. Dann wird sie durch ein Loch 17 in den Innenraum 24 der Gasturbine geleitet.As shown in Fig. 2, an air duct 15 runs through the casing 3 of the gas turbine. The gas turbine is provided with a compressor which generates compressed air for the combustion of the fuel, part of the compressed air generated in this compressor being sent through the air duct 15 and cooling the casing 3. Part of the compressed air is sent through a hole 16 and blown around the tip 5 of the sensor 4, where it cools the sensor 4 and prevents staining of the protective glass 10. It is then led through a hole 17 into the interior 24 of the gas turbine.
Die Fühler 4 sind an mehreren Stellen an der äußeren Oberfläche des Gehäuses 3 der Gasturbine angebracht, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Jeder Fühler 4 ist über eine Lichtleitfaser-Einheit 18 mit einem Laserstrahlgeneratorund Linsensystem 19 verbunden, das die konzentrisch angeordneten lichtprojizierenden und lichtempfangenden Lichtleitfasern 6 und 7 umfaßt (siehe Fig. 1 und 3). Das Laserlinsensystem 19 wird durch eine Leistungsquelle 23 mit Leistung versorgt und ist mit der lichtprojizierenden Faser 6 verbunden. Die lichtempfangende Faser 7 ist mit einem photoelektrischen Wandler 20 verbunden, der seinerseits über ein Kabel 21 mit einem Analysator 22 verbunden ist.The sensors 4 are mounted at several locations on the outer surface of the casing 3 of the gas turbine, as shown in Fig. 5. Each sensor 4 is connected via an optical fiber unit 18 to a laser beam generator and lens system 19 comprising the concentrically arranged light-projecting and light-receiving optical fibers 6 and 7 (see Figs. 1 and 3). The laser lens system 19 is powered by a power source 23 and is connected to the light-projecting Fiber 6. The light-receiving fiber 7 is connected to a photoelectric converter 20, which in turn is connected to an analyzer 22 via a cable 21.
Ein vom Laserlinsenystem 19 erzeugter Laserstrahl wird durch die lichtprojizierende Lichtleitfaser 6 in den Fühler 4, die Linsen 8 und 9 und das Schutzglas 10 geschickt (siehe Fig. 1). Dann verläuft das Licht, wie in Fig. 2 gezeigt ist, von der Spitze 5 des Fühlers 4 durch das Loch 17 zu den Spitzen der rotierenden Schaufeln 1, auf die die Linsen 8 und 9 fokussiert sind. Der Laserstrahl wird von den Spitzen der rotierenden Schaufeln reflektiert und kehrt durch das Loch 17, das Schutzglas 10 und die Linse 9 zurück, welche den Strahl parallel zur optischen Achse in die Lichtempfangs-Lichtleitfaser 7 leitet, so daß der Laserstrahl den photoelektrischen Wandler 20 erreicht, wie in Fig. 5 gezeigt ist, wo er in elektrische Impulssignale umgewandelt wird, die zum Analysator 22 geschickt werden. Wenn irgendeine der rotierenden Schaufeln 1 schwingt, tritt im Zeitverlauf des reflektierenden Impulslaserstrahls aufgrund der Verformung der Spitze der rotierenden Schaufel 1 eine geringe Abweichung auf. Die Art und der Grad der Schwingungen der rotierenden Schaufel können durch Analyse dieser Abweichung gemessen werden.A laser beam generated by the laser lens system 19 is sent through the light projecting optical fiber 6 into the sensor 4, the lenses 8 and 9 and the protective glass 10 (see Fig. 1). Then, as shown in Fig. 2, the light passes from the tip 5 of the sensor 4 through the hole 17 to the tips of the rotating blades 1, on which the lenses 8 and 9 are focused. The laser beam is reflected from the tips of the rotating blades and returns through the hole 17, the protective glass 10 and the lens 9, which guides the beam parallel to the optical axis into the light receiving optical fiber 7, so that the laser beam reaches the photoelectric converter 20 as shown in Fig. 5, where it is converted into electrical pulse signals which are sent to the analyzer 22. When any of the rotating blades 1 vibrates, a slight deviation occurs in the time history of the reflected pulse laser beam due to the deformation of the tip of the rotating blade 1. The type and degree of vibration of the rotating blade can be measured by analyzing this deviation.
Im Meßbetrieb wird die Druckluft im Luftkanal 15 durch das Loch 16 um die Spitze 5 des Fühlers 4 und das Loch 17 in den Innenraum 24 der Gasturbine geblasen, um die Spitze 5 zu kühlen, die außerdem durch das durch die Kühlmittelkanäle 12 und 13 zurückströmende Kühlmittel gekühlt wird. Die Druckluft dient außerdem dazu, eine Verfärbung des Schutzglases 10 an der Spitze 5 des Fühlers 4 zu verhindern.During measurement, the compressed air in the air duct 15 is blown through the hole 16 around the tip 5 of the sensor 4 and the hole 17 into the interior 24 of the gas turbine in order to cool the tip 5, which is also cooled by the coolant flowing back through the coolant ducts 12 and 13. The compressed air also serves to prevent discoloration of the protective glass 10 at the tip 5 of the sensor 4.
Auf diese Weise können unter Verwendung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung Schwingungen einer rotierenden Schaufel ohne Verwendung eines Dehnungsstreifens an der Schaufel gemessen werden, so daß keine Veränderung der Schwingungseigenschaften der Schaufel durch die Nessung hervorgerufen wird. Alles, was erforderlich ist, ist eine einfache Umwandlungsoperation, die lediglich die Anbringung von Fühlern am Gehäuse der Gasturbine umfaßt.In this way, using the apparatus according to the present invention, vibrations of a rotating blade can be measured without using a strain gauge on the blade, so that no change in the vibration characteristics of the blade is caused by the measurement. All that is required is a simple conversion operation involving merely attaching sensors to the casing of the gas turbine.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ergebnis, daß die Fühler mittels der Linsen und des Schutzglases, die aus hochtemperaturbeständigem Quarzglas hergestellt sind, und mittels der Flüssigkeitskühlung durch das durch die Kühlmittelkanäle strömende Kühlmittel sowie mittels der Luftkühlung durch die durch den Luftkanal in den Innenraum der Gasturbine geblasenen Druckluft vor einer Beschädigung, die andernfalls durch die hohe Temperatur verursacht würde, geschützt sind, so daß eine Messung des Grades der Schwingungen der rotierenden Schaufeln im Bereich höherer Temperatur der Turbine möglich ist.The present invention has the result that the sensors are protected from damage that would otherwise be caused by the high temperature by means of the lenses and the protective glass made of high-temperature-resistant quartz glass and by means of the liquid cooling by the coolant flowing through the coolant channels and by means of the air cooling by the compressed air blown into the interior of the gas turbine through the air channel, so that a measurement of the degree of vibration of the rotating blades in the higher temperature region of the turbine is possible.
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