EP1766191A1 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung des kühlluftsystems einer turbine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur überwachung des kühlluftsystems einer turbine

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EP1766191A1
EP1766191A1 EP05760977A EP05760977A EP1766191A1 EP 1766191 A1 EP1766191 A1 EP 1766191A1 EP 05760977 A EP05760977 A EP 05760977A EP 05760977 A EP05760977 A EP 05760977A EP 1766191 A1 EP1766191 A1 EP 1766191A1
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cooling air
turbine
collecting space
pressure
air collecting
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EP05760977A
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Andreas Lüttenberg
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Siemens AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2270/301—Pressure
    • F05D2270/3011—Inlet pressure

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for monitoring the cooling system of a turbine, wherein at least one row of blades of the turbine cooling air is supplied.
  • the turbine blades are charged with a very hot drive gas, which is generated in a combustion chamber.
  • a cooling air system is usually provided, by means of which cooling air is introduced into the interior of the turbine blades for cooling the turbine blades.
  • the turbine blades are therefore usually formed as a hollow body, which has a number of cooling air ducts to direct the cooling air inside the turbine blade.
  • a cooling air flow for example, is deflected several times within the turbine blade and exits atdeluftaus- outlet openings from the turbine blade.
  • the cooling air channels and / or the cooling air inlet and / or cooling air outlet openings of the turbine blades usually have small diameters, so that they tend to blockage as a result of contaminants in the cooling air.
  • Clogged cooling air openings and / or cooling air ducts of the turbine blade are in many cases the cause of overheating. tongues of the turbine blade, in particular in the region of the cooling air outlet openings.
  • Such overheating can destroy the turbine blade, in particular its heat-resistant ceramic coating.
  • the invention is therefore based on the object to provide a verbes ⁇ sertes method and an apparatus for monitoring the cooling air system of a turbine, wherein at least one ner blade row of the turbine cooling air is supplied.
  • the object is achieved according to the invention by a method according to the preamble, wherein an air pressure in at least one Cooling air collecting space is determined, from which thederuft removed and the blade row is supplied.
  • the air pressure in the cooling air collecting space is a measure of the extent to which the cooling air flow through the turbine blades may already be disturbed.
  • the cooling air collecting space is arranged in a turbine housing of the turbine. Particularly preferably, this is arranged in a ring around a turbine axis.
  • the cooling air collecting space is fed with compressed air from a compressor and it communicates directly with the turbine blade row via a cooling air duct.
  • the cooling air collecting space is arranged very close to the row of blades to be cooled, which leads to an efficient cooling with little pressure losses of the cooling air flow.
  • the air pressure is preferably determined by means of at least one pressure sensor, which is arranged in the cooling air collecting space.
  • the transmission of a current value of the air pressure is wirelessly transmitted to an evaluation unit.
  • a blockage of at least one cooling air inlet or / and cooling air outlet opening and / or a turbine blade cooling air duct or / and its cooling air duct enclosed by at least one turbine blade is closed.
  • a blockage of one of the mentioned means leads to a rise in the air pressure due to backflow of the supplied cooling air; This is a clear indication of a present constipation.
  • the object is achieved by a device for monitoring thede Kunststoff ⁇ system of a turbine, wherein at least one row of blades of the turbine cooling air can be supplied with at least one arranged in a cooling air collecting space pressure sensor, wherein the cooling air collecting chamber, the cooling air removed and the blade row is fed.
  • the cooling air collecting space is arranged in a turbine housing of the turbine.
  • the cooling air collecting space is arranged annularly around a turbine axis.
  • the device further comprises a compressor for feeding the cooling air collecting space with compressed air, the cooling air collecting space communicating directly with the turbine blade row via a cooling air duct.
  • FIG. 3 shows a device according to the invention for monitoring the cooling system of a turbine.
  • FIG. 1 shows a device 1 according to the invention by means of which a cooling air system 3 of a turbine 5 can be monitored.
  • the turbine 5 comprises in the present embodiment, four turbine blade rows 7, which are formed as blades aus ⁇ .
  • the guide blade row usually arranged in the hot gas flow direction in front of each row of blades is not shown in the exemplary embodiment.
  • the cooling air system 3 can likewise be provided in addition to the cooling of the guide window rows.
  • the blade rows 7 which are subjected to the highest temperature are the rows of blades closest to the hot drive gas in the hot gas direction.
  • the cooling air system 3 is designed to cool the first two blade rows 7.
  • the cooling system 3 is designed only for one of the blade rows 7, in particular for the first, or even for several or all blade rows 7.
  • the turbine blades of the blade rows 7 are designed as Hohlkör ⁇ per, in which cooling air 9 is introduced.
  • the turbine blades in the interior usually have a number of turbine blade cooling air ducts, in which the cooling air 9 is guided. Furthermore, the turbine blades comprise cooling air inlet and cooling air outlet openings.
  • the cooling air 9 is provided by a compressor 19 which feeds cooling air collecting chambers 11 with compressed air as cooling air 9.
  • the cooling air collecting chambers 11 are rotationally symmetrical and annularly arranged around a turbine axis 17 and within a turbine housing 15.
  • At least one pressure sensor 13 is provided in each case. rather, preferably wirelessly, is connected to an evaluation unit 23.
  • the cooling air 9 provided in the cooling air collecting chambers 11 for the blade rows 7 is guided via cooling air channels 21 into the turbine blade rows 7.
  • Turbine blade cooling air ducts is detected by means of the pressure sensor 13, since such a blockage leads to a backlog of cooling air 9 in at least one cooling air collecting space 11, which in turn is reflected in an increasing air pressure in the respective cooling air collecting space 11.
  • the evaluation unit 23 is capable of detecting such a rise in the air pressure and, for example, generating a corresponding warning or error message for the operating personnel of the turbine 5.
  • the absolute air pressure of the cooling air 9 or its change in at least one cooling air collecting space 11 is preferably determined.

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Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zur Überwachung des Kühlluft systems (3) einer Turbine (5), wobei mindestens einer Schaufelreihe (7) der Turbine (5) Kühlluft (9) zugeführt wird. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren und einer Vorrichtung (1) ist die Ermittlung eines Luftdrucks in mindestens einem Kühlluft-Sammelraum (11) vorgesehen, wobei aus dem Kühlluft-Sammelraum (11) die Kühlluft (9) entnommen und der Schaufelreihe (7) zugeführt wird. Bevorzugt wird der mittels eines Drucksensors (13) aufgenommene Luftdruck drahtlos an eine Auswerteeinheit (23) übertragen.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung des KühlluftSystems einer Turbine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Kühlsystems einer Turbine, wobei mindestens einer Schaufelreihe der Turbine Kühlluft zugeführt wird.
Bei Gasturbinen werden die Turbinenschaufeln mit einem sehr heißen Antriebsgas beaufschlagt, welches in einer Brennkammer erzeugt wird.
Um eine Beschädigung der Turbinenschaufeln zu vermeiden, ist meist ein Kühlluftsystem vorgesehen, mittels welchem Kühlluft zur Kühlung der Turbinenschaufeln in das Innere der Turbinen¬ schaufeln eingeleitet wird.
Die Turbinenschaufeln sind daher meist als Hohlkörper ausge- bildet, der eine Anzahl an Kühlluftkanälen aufweist, um die Kühlluft im Inneren der Turbinenschaufel gezielt zu leiten.
Dabei wird ein Kühlluftstrom beispielsweise innerhalb der Turbinenschaufel mehrmals umgelenkt und tritt an Kühlluftaus- lassöffnungen aus der Turbinenschaufel aus.
Die Kühlluftkanäle und/oder die Kühllufteinlass- und/oder Kühlluftauslassöffnungen der Turbinenschaufeln weisen meist kleine Durchmesser auf, so dass sie infolge von Verunreini- gungen in der Kühlluft zu Verstopfungen neigen.
Verstopfte Kühlluftöffnungen und/oder Kühlluftkanäle der Tur¬ binenschaufel sind in vielen Fällen die Ursache für Überhit- zungen der Turbinenschaufel, insbesondere im Bereich der Kühlluftaustrittsoffnungen.
Durch derartige überhitzungen kann die Turbinenschaufel zer- stört werden, insbesondere deren hitzefeste Keramikbeschich- tung.
Um derartige Schäden zu vermeiden, ist es bekannt, bei einer Turbine Wartungszyklen vorzusehen, bei welchen in der Regel eine zumindest teilweise Demontage erforderlich ist, um durch Sichtprüfung sich anbahnende oder bereits eingetretene Be¬ schädigungen an Turbinenschaufeln feststellen zu können.
Derartige bekannte Verfahren sind sehr aufwendig, da hierfür die Turbine außer Betrieb genommen werden muss, was zu Pro¬ duktionsausfällen führt. Darüber hinaus sind die Wartungsma߬ nahmen selbst sehr aufwendig, insbesondere wegen der meist erforderlichen zumindest teilweisen Demontage der Turbine.
Des Weiteren können derartige Wartungsmaßnahmen offenbaren, dass überhaupt keine Beschädigung vorliegt und die Maßnahme daher nicht erforderlich war oder dass bereits eine weit fortgeschrittene Schädigung vorliegt, deren Ausmaß bei einer früheren Erkennung des Schadens hätte verhindert werden kön- nen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbes¬ sertes Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Überwachung des KühlluftSystems einer Turbine anzugeben, wobei mindestens ei— ner Schaufelreihe der Turbine Kühlluft zugeführt wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein gattungsge¬ mäßes Verfahren, wobei ein Luftdruck in mindestens einem Kühlluft-Sammelraum ermittelt wird, aus welchem die Kühlruft entnommen und der Schaufelreihe zugeführt wird.
Dadurch ist es möglich, Verstopfungen von Kühllufteintritts- Öffnungen und/oder Kühlluftaustrittsöffnungen und/oder Kühl¬ luftkanälen frühzeitig zu erkennen, was zu einer Vermeidung von Beschädigungen der Turbinenbeschaufelung beiträgt.
Der Luftdruck im Kühlluft-Sammelraum ist ein Maß dafür, in— wieweit der Kühlluftdurchfluss durch die Turbinenschaufeln ggf. bereits gestört ist.
In einer Ausführungsform ist der Kühlluft-Sammelraum in einem Turbinengehäuse der Turbine angeordnet. Besonders bevorzugt ist dieser ringförmig um eine Turbinenachse angeordnet.
Durch eine derartige rotationssymmetrische Ausbildung des Kühlluft-Sammelraums ist eine gleichmäßige Kühlung der eben¬ falls rotationssymmetrisch angeordneten Turbinenschaufeln möglich.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Kühl¬ luft-Sammelraum mit verdichteter Luft aus einem Verdichter gespeist und er kommuniziert direkt mit der Turbinenschaufel- reihe über einen Kühlluftkanal.
Bei dieser Ausführungsform ist der Kühlluft-Sammelraum sehr nahe bei der zu kühlenden Schaufelreihe angeordnet, was zu einer effizienten Kühlung mit wenig Druckverlusten des Kühl- luftstroms führt. Der Luftdruck wird bevorzugt mittels mindestens eines Druck¬ sensors ermittelt, welcher im Kühlluft-Sammelraum angeordnet ist.
Besonders bevorzugt geschieht die Übermittelung eines aktuel¬ len Werts des Luftdrucks drahtlos an eine Auswerteeinheit.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird aufgrund eines ansteigenden Luftdrucks im Kühlluft-Sammelraum auf eine Verstopfung mindestens einer von mindestens einer Turbinen¬ schaufel umfassten Kühllufteintritts- oder/und Kühlluftaus- trittsöffnung oder/und eines Turbinenschaufelkühlluftkanals oder/und dessen Kühlluftkanals geschlossen.
Eine Verstopfung eines der genannten Mittel führt durch Rück¬ stau der zugeführten Kühlluft zu einem Ansteigen des Luft¬ drucks; dies ist ein deutliches Indiz für eine vorliegende Verstopfung.
Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Überwachung des Kühlluft¬ systems einer Turbine, wobei mindestens einer Schaufelreihe der Turbine Kühlluft zuführbar ist, mit mindestens einem in einem Kühlluft-Sammelraum angeordneten Drucksensor, wobei aus dem Kühlluft-Sammelraum die Kühlluft entnehmbar und der Schaufelreihe zuführbar ist.
Bevorzugt ist der Kühlluft-Sammelraum in einem Turbinengehäu¬ se der Turbine angeordnet.
Der Kühlluft-Sammelraum ist in einer Ausführungsform ringför¬ mig um eine Turbinenachse angeordnet. Besonders bevorzugt umfasst die Vorrichtung weiterhin einen Verdichter zur Speisung des Kühlluft-Sammelraums mit verdich¬ teter Luft, wobei der Kühlluft-Sammelraum über einen Kühl¬ luftkanal direkt mit der Turbinenschaufelreihe kommuniziert.
Besonders vorteilhaft ist der Drucksensor zur drahtlosen Ü- bertragung eines aktuellen Luftdrucks an eine Auswerteeinheit ertüchtigt.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher dargestellt.
Es zeigt:
FIG eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung des Kühlsystems einer Turbine.
In der Figur ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 darge¬ stellt, mittels welcher ein KühlluftSystem 3 einer Turbine 5 überwachbar ist.
Die Turbine■ 5 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Turbinenschaufelreihen 7, welche als Laufschaufeln aus¬ gebildet sind. Die üblicherweise in HeißgasStrömungsrichtung vor jeder Laufschaufelreihe angeordnete Leitschaufelreihe ist im Ausführungsbeispiel nicht dargestellt.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung kann das Kühl¬ luftsystem 3 ebenfalls ergänzend zur Kühlung der Leitschau- feireihen vorgesehen sein. Die am stärksten temperaturbeanspruchten Schaufelreihen 7 sind die dem heißen Antriebsgas in Heißgasrichtung am nächs¬ ten gelegenen Schaufelreihen.
Daher ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel das Kühlluft¬ system 3 zur Kühlung der ersten beiden Schaufelreihen 7 aus¬ gelegt. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass das Kühlsystem 3 nur für eine der Schaufelreihen 7, insbesondere für die ers¬ te, oder auch für mehrere oder alle Schaufelreihen 7 ausge- legt ist.
Die Turbinenschaufeln der Schaufelreihen 7 sind als Hohlkör¬ per ausgelegt, in welche Kühlluft 9 eingeleitet wird.
Dazu weisen die Turbinenschaufeln im Inneren üblicherweise eine Anzahl an Turbinenschaufelkühlluftkanälen auf, in wel¬ chen die Kühlluft 9 geführt wird. Des Weiteren umfassen die Turbinenschaufeln Kühllufteintritts- und Kühlluftaustritts- öffnungen.
Die genannten Details bezüglich der Kühlluftführung in den Turbinenschaufeln sind in der Figur nicht näher dargestellt.
Die Kühlluft 9 wird von einem Verdichter 19 bereitgestellt, welcher Kühlluft-Sammelräume 11 mit verdichteter Luft als Kühlluft 9 speist.
Die Kühlluft-Sammelräume 11 sind rotationssymmetrisch und ringförmig um eine Turbinenachse 17 und innerhalb eines Tur- binengehäuses 15 angeordnet.
Zur Ermittlung des Luftdrucks in den Kühlluft-Sammelräumen 11 ist jeweils mindestens ein Drucksensor 13 vorgesehen, wel- eher, bevorzugt drahtlos, mit einer Auswerteeinheit 23 ver¬ bunden ist.
Die in den Kühlluft-Sammelräumen 11 bereitgestellte Kühlluft 9 für die Schaufelreihen 7 wird über Kühlluftkanäle 21 in die Turbinenschaufelreihen 7 geleitet.
Eine Verstopfung der Kühlluftkanäle 21 oder/und von Kühlluft¬ eintrittsoffnungen der Turbinenschaufeln oder/und von Kühl- luftaustrittsöffnungen der Turbinenschaufeln oder/und von
Turbinenschaufelkühlluftkanälen wird mittels des Drucksensors 13 detektiert, da eine derartige Verstopfung zu einem Rück¬ stau an Kühlluft 9 in mindestens einem Kühlluft-Sammelraum 11 führt, was sich wiederum in einem ansteigenden Luftdruck im jeweiligen Kühlluft-Sammelraum 11 niederschlägt.
Die Auswerteeinheit 23 ist ertüchtigt, ein derartiges Anstei¬ gen des Luftdrucks zu detektieren und beispielsweise eine entsprechende Warn- oder Fehlermeldung für das Bedienpersonal der Turbine 5 zu erzeugen.
Im Zusammenhang mit der Erfindung wird bevorzugt der absolute Luftdruck der Kühlluft 9 oder dessen Änderung in mindestens einem Kühlluft-Sammelraum 11 ermittelt. Bezüglich der ersten Laufschaufelreihe wird der Luftdruck zwischen der zentralen
Hohlwelle und der ersten Turbinenradscheibe gemessen; dement¬ sprechend erfolgt die Messung des Luftdrucks für die zweite Laufschaufelreihe zwischen der ersten und der zweiten Turbi¬ nenradscheibe.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung des Kühlluftsystems (3) einer Turbine (5) , wobei mindestens einer Schaufelreihe (7) der Turbine (5) Kühlluft (9) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftdruck in mindestens einem Kühlluft-Sammelraum (11) ermittelt wird, aus welchem die Kühlluft (9) entnommen und der Schaufelreihe (7) zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluft-Sammelraum (11) in einem Turbinengehäuse (15) der Turbine (5) angeordnet ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluft-Sammelraum (11) ringförmig um eine Turbinenachse (17) angeordnet ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluft-Sammelraum (11) mit verdichteter Luft aus einem Verdichter (19) gespeist wird und mit der Turbinen- schaufelreihe (7) über einen Kühlluftkanal (21) direkt kommu¬ niziert.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftdruck mittels mindestens eines Drucksensors (13) er¬ mittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktueller Wert des Luftdrucks drahtlos an eine Auswerte¬ einheit (23) übermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grund eines ansteigenden Luftdrucks auf eine Verstopfung mindestens einer von mindestens einer Turbinenschaufel um- fassten Kühllufteintritts- oder/und -austrittsöffnung o- der/und eines Turbinenschaufelkühlluftkanals oder/und des Kühlluftkanals (21) geschlossen wird.
8. Vorrichtung (1) zur Überwachung des KühlluftSystems (3) einer Turbine (5), wobei mindestens einer Schaufelreihe (7) der Turbine (5) Kühlluft (9) zuführbar ist, gekennzeichnet durch mindestens einen, in einem Kühlluft-Sammelraum (11) angeord¬ neten Drucksensor (13) , wobei" aus dem Kühlluft-Sammelraum (11) die Kühlluft (9) entnehmbar und der Schaufelreihe (7) zuführbar ist.
9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluft-Sammelraum (11) in einem Turbinengehäuse (15) der Turbine (5) angeordnet ist.
10. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluft-Sammelraum (11) ringförmig um eine Turbinenachse (17) angeordnet ist.
11. Vorrichtung (1) nach einem Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch einen Verdichter (19) zur Speisung des Kühlluft-Sammelraums (11) mit verdichteter Luft, wobei der Kühlluft-Sammelraum (11) über einen Kühlluftkanal (21) direkt mit der Turbinen- schaufelreihe (7) kommuniziert.
12. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (13) zur drahtlosen Übertragung eines aktuel¬ len Luftdrucks an eine Auswerteeinheit (23) ertüchtigt ist.
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