EP1860282A1 - Verdichterschaufel mit integrierten Sensorelementen, sowie entsprechender Verdichter - Google Patents

Verdichterschaufel mit integrierten Sensorelementen, sowie entsprechender Verdichter Download PDF

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EP1860282A1
EP1860282A1 EP06010777A EP06010777A EP1860282A1 EP 1860282 A1 EP1860282 A1 EP 1860282A1 EP 06010777 A EP06010777 A EP 06010777A EP 06010777 A EP06010777 A EP 06010777A EP 1860282 A1 EP1860282 A1 EP 1860282A1
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EP
European Patent Office
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compressor
flow
compressor blade
fluid
blade
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06010777A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thorsten Dr. Engler
Bernward Dr. Mertens
Stefan Dr. Mählmann
Uwe Sieber
Dieter Simon
Dieter Wamack
Frank Weidner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Publication of EP1860282A1 publication Critical patent/EP1860282A1/de
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/001—Testing thereof; Determination or simulation of flow characteristics; Stall or surge detection, e.g. condition monitoring
    • 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
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/02—Arrangement of sensing elements
    • F01D17/08—Arrangement of sensing elements responsive to condition of working-fluid, e.g. pressure
    • 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
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/02—Arrangement of sensing elements
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
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    • F04D29/321—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps for axial flow compressors
    • F04D29/324—Blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/10—Purpose of the control system to cope with, or avoid, compressor flow instabilities
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    • F05D2270/101—Compressor surge or stall
    • F05D2270/102—Compressor surge or stall caused by working fluid flow velocity profile distortion

Definitions

  • the invention relates to a compressor blade for a compressor of a turbine, in particular a gas turbine, with a flow surface, on which flows during operation of the compressor, a flow fluid along.
  • the invention further relates to a compressor for a turbine, in particular for a gas turbine, with such a compressor blade and a compressor for a turbine, in particular for a gas turbine with a compressor stage, a compressor blade, a flow channel for guiding a flow fluid in the axial direction of the flow channel and at least two means arranged on the flow channel, each of which enable the detection of a characteristic property of the flow fluid has.
  • the aforesaid compressor blade or the aforementioned compressor is intended in particular for use in a gas turbine of a thermal power plant, but may also be designed for use in an aircraft engine or in a turbine for generating energy in the chemical industry.
  • Flow boundary layers in such a compressor tend to separate the flow. Resulting detachment areas in the compressor lead to increased losses in the efficiency of the compressor.
  • With large-scale flow separation the flow in the compressor can completely reverse - then there is a compressor instability, which manifests itself in a surge, whereupon the compressor must be switched off quickly. Before such a compressor instability, there is a counter to the direction of rotation of the rotor of the compressor rotating separation of the flow (rotating stall).
  • the pressure ratio between the compressor inlet and the compressor outlet is monitored in conventional compressors. Exceeds the pressure ratio a certain Value, then an instrumentation measure is taken to counteract a flow separation.
  • An object underlying the invention is to improve a compressor with a compressor blade of the type mentioned in that a flow separation or flow anomaly can be detected faster and more accurate in the compressor.
  • This object is achieved according to the invention with the generic compressor blade, which has at least one device which enables the detection of a characteristic property of the flow of fluid flowing along the compressor blade. Furthermore, the object is achieved according to the invention with a compressor which is provided with such a compressor blade. Furthermore, the object is achieved according to the invention with a compressor of the type mentioned further, in which the means in the axial direction of the flow channel offset from one another in the region of the compressor stage and / or the compressor blade are arranged.
  • the compressor blade according to the invention is in particular a moving blade of a compressor.
  • the provision according to the invention of a device for detecting a characteristic property of the flow fluid as part of the compressor blade can locally detect the flow state of the flow fluid flowing along the flow surface of the compressor blade.
  • the solution according to the invention makes it possible to detect the flow state near the location where a flow separation from the compressor blade is formed.
  • a deterioration of the flow state can be detected around the compressor blade much faster and with greater accuracy.
  • a surge in the compressor can be reliably prevented.
  • the means according to the invention for detecting the characteristic property of the flow fluid in a manner offset relative to one another in the axial direction of the flow channel in the area of the compressor stage and / or the compressor blade, a separation of the flow rotating against the rotor rotation direction (rotating stall) can be effected particularly quickly and precisely detect.
  • the pressure difference measurement according to the invention takes place in a locally more limited area of the compressor.
  • the characteristic characteristic of the flow fluid flowing along the compressor blade comprises a pressure of the flow fluid applied to the compressor blade and / or a flow velocity of the flow fluid flowing along the compressor blade.
  • the device comprises a pressure sensor and / or a flow rate sensor, in particular a hot-film anemometer, with a respective transmitter, which is arranged in particular on the flow surface of the compressor blade.
  • a hot-film anemometer an electrical resistance is typically brought to a heater temperature in the form of a thin patterned metal film.
  • the passing fluid flow with a lower ambient temperature compared to the heater temperature cools the heater differently depending on the speed of the fluid flow. From the amount of Joule heat to be supplied electrically to achieve a constant heater temperature, it is possible to deduce the velocity of the flow fluid.
  • the transmitter of the pressure sensor or the flow velocity sensor near the measuring point or on the flow surface of the compressor blade according to the invention, the measured variable can be determined particularly accurately.
  • the transmitter is arranged flush with the wall of the compressor blade.
  • the device has a fluid-conducting connecting channel, which connects a detection point on the flow surface of the compressor blade with a transmitter.
  • a fluid-conducting connection channel With such a fluid-conducting connection channel, in particular, the pressure present at the detection point can be transmitted well to the measuring transmitter.
  • the transmitter can thus be arranged at a sufficient space bidding point in the compressor blade or outside the compressor blade.
  • the connecting channel of the device can be designed in particular as a so-called pressure bore in the compressor blade.
  • a flow anomaly on the compressor blade can be measured particularly effectively if the at least one device for measuring a change in the characteristic property is continuously operable, in particular it is advantageous if the device has a pressure change sensor.
  • the device has a pressure change sensor.
  • the measured time signal can then be evaluated by means of Fourier transformation, RMS (root mean square) processing or a wavelet transformation for early pump detection.
  • two devices arranged at different detection points, on the flow surface are provided which respectively enable the detection of the characteristic property at the respective detection point.
  • the detected characteristic property may be the applied pressure or the flow velocity of the flow fluid flowing along the detection point.
  • a spatial pressure distribution or a distribution of the flow velocity along the flow surface can be measured.
  • ten to twenty devices or sensors arranged above the flow area of the compressor blade are provided for measuring such a spatial pressure distribution.
  • the spatial pressure distribution can be obtained by means of a stationary measurement. From the structure of the spatial pressure distribution, an incipient flow separation can be locally accurately and reliably detected. If the buoyancy of the compressor blade detected by means of pressure measurement drops, a warning signal is then advantageously sent to the control system of the compressor or the turbine.
  • a compressor blade wherein the flow area at one At least one of the devices on the suction-side section and at least one of the devices is disposed on the pressure-side portion of the compressor blade on the suction side of the compressor blade arranged suction-side section and arranged on a pressure side of the compressor blade pressure side section.
  • the compressor stage comprises a housing surrounding the flow channel, on which the means are arranged.
  • a developing "rotating stall" can be identified particularly well at measuring points on the housing.
  • the two means include an axial portion of the compressor, in which the compressor blade is located.
  • the compressor stage has an inlet region, through which the flow fluid enters the compressor, and an outlet region, through which the fluid flows out of the compressor, wherein one of the means in the region of the inlet region and one of the means in the region of Exit area is arranged.
  • This can be one in a compressor stage occurring flow separation in the form of a "rotating stalls" quickly and accurately.
  • the means arranged in the region of the inlet region is arranged a short distance upstream with respect to the inlet region. That is, the flow fluid first passes through the agent before it enters the inlet shortly thereafter.
  • the means arranged in the region of the outlet region is advantageously arranged a short distance downstream with respect to the outlet region.
  • the characteristic property of the flow fluid comprises the pressure and / or the flow velocity of the flow fluid and thus the at least two means each have a pressure sensor and / or a flow velocity sensor, in particular a hot-film anemometer.
  • the at least two means are each operable to measure a change in the characteristic property of the flow fluid. This makes it possible to measure a transient pressure or velocity distribution in the compressor, as a result of which particularly rapid and accurate detection of flow instabilities is possible.
  • the compressor has an evaluation device which is set up to display a time signal describing a change of the characteristic property, in particular by means of RMS analysis (root mean square), Fourier transformation (in particular FFT) and / or wavelet analysis. Evaluate transformation. Due to the result of the evaluation, a warning signal is sent to the control system of the compressor or of the turbine in the event of an imminent flow separation.
  • FIG. 1 and FIG. 2 show a first exemplary embodiment of a compressor blade 10 according to the invention in the form of a moving blade, which in each case flows around a flow fluid 20.
  • the compressor blade 10 has a flow area 12, along which the flow fluid 20 flows during operation of the compressor.
  • the flow area 12 is subdivided into a suction-side section 12a and a pressure-side section 12b.
  • the compressor blade 10 has an inflow edge 14 that flows in from the flow fluid 18 and an outflow edge 16 from which the flow fluid 20 flows again.
  • the compressor blade 10 further comprises a device 22 arranged flush with the flow surface 12 in the form of a pressure sensor or a velocity sensor for measuring a pressure of the flow fluid 20 at a detection point 26 of the sensor or the velocity of the flow fluid 20 flowing past the detection point 26.
  • the device 22 has a transmitter 24, which is arranged flush with the flow surface 12 close to the flow surface 12, preferably at the detection point 26.
  • FIG. 1a shows the measuring signal measured by the device 22 in the case of the interference-free flow according to FIG. 1 over time.
  • this measurement signal can represent either a pressure or a flow velocity.
  • the measurement signal has only slight fluctuations over time.
  • flow pattern shown in Figure 2 occurs above the detection point 26 on a flow separation 28.
  • the measurement signal resulting in this case is shown in FIG. 2a and has substantially greater fluctuations than the measurement signal according to FIG. 1a.
  • countermeasures are automatically taken in the control system of the compressor. These may consist, for example, of a reduction in the power of the compressor or of the turbine, in order to prevent the formation of a pump surge. In order to optimally monitor the entire flow area 12 of the compressor blade with respect to the occurrence of a flow separation, it is advantageous if many such devices 22 are distributed over the flow area 12.
  • FIG. 3 and 4 second embodiment of a compressor blade 10 differs from the embodiment shown in Figures 1 and 2 of a compressor blade in that at the location of the detection point 26 no transmitter 24 of a sensor, but a device 52 in the form of a pressure bore is provided.
  • the means 52 in the form of a pressure bore also serves to detect the pressure of the flow fluid 20 at the detection point 26 and the flow velocity of the flow fluid 20 flowing therealong.
  • FIG. 3 a shows a stationary pressure field measured by means 52 with a trouble-free flow distribution according to FIG. 3.
  • the pressure distribution along the suction-side portion 12a and the pressure-side portion 12b of the flow area 12 shown.
  • FIG. 4 a shows the corresponding pressure field when a flow separation 54 occurs. As shown in Fig. 4a, the pressure difference between the suction-side portion 12a and the pressure-side portion 12b of the flow surface 12 is reduced. This change in the pressure distribution automatically leads to countermeasures from the control system of the compressor or the turbine.
  • FIG. 5 two embodiments of a compressor 130 according to the invention are shown schematically combined in half section.
  • the compressor 130 has a flow channel 140 with a longitudinal axis 142 extending in the axial direction 144.
  • the flow channel 140 is surrounded by a housing 146.
  • a flow fluid 118 flows through the flow channel 140 in the axial direction 144 of the flow channel 140.
  • a compressor blade 110 is arranged within the flow channel 140.
  • the compressor blade 110 according to the first exemplary embodiment of the compressor 130 has an inflow edge 114, which flows into the flow fluid 118, and an outflow edge 116, from which the flow fluid 118 flows.
  • the compressor stage 110 in which a plurality of compressor blades are arranged, has an inlet region 114, through which the fluid 118 enters the compressor stage 110, and an outlet region 116, through which the fluid 118 flows the compressor stage 110 exits.
  • a first means 148 and a second means 150 are each arranged in the form of a pressure sensor or a speed sensor.
  • the first means 148 is upstream upstream just before the leading edge 114 and the inlet region 114 is arranged.
  • the second means 150 is arranged a short distance downstream of the outflow edge 116 and the exit region 116, respectively.

Abstract

Eine Verdichterschaufel (10) für einen Verdichter einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine, mit einer Strömungsfläche (12), an welcher im Betrieb des Verdichters ein Strömungsfluid (18) entlang strömt, ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch mindestens eine Einrichtung (22, 52), welche das Erfassen einer charakteristischen Eigenschaft des an der Verdichterschaufel (10) entlang strömenden Strömungsfluids (20) ermöglicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verdichterschaufel für einen Verdichter einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine, mit einer Strömungsfläche, an welcher im Betrieb des Verdichters ein Strömungsfluid entlang strömt. Die Erfindung betrifft ferner einen Verdichter für eine Turbine, insbesondere für eine Gasturbine, mit einer derartigen Verdichterschaufel sowie einen Verdichter für eine Turbine, insbesondere für eine Gasturbine mit einer Verdichterstufe, die eine Verdichterschaufel, einen Strömungskanal zum Führen eines Strömungsfluids in Axialrichtung des Strömungskanals sowie mindestens zwei an dem Strömungskanal angeordnete Mittel, welche jeweils das Erfassen einer charakteristischen Eigenschaft des Strömungsfluids ermöglichen, aufweist.
  • Die vorgenannte Verdichterschaufel bzw. der vorgenannte Verdichter ist insbesondere zum Einsatz in einer Gasturbine eines thermischen Kraftwerks vorgesehen, kann aber auch zum Einsatz in einem Flugzeugtriebwerk oder in einer Turbine zur Energieerzeugung in der chemischen Industrie gestaltet sein. Strömungsgrenzschichten in einem derartigen Verdichter neigen zur Ablösung der Strömung. So entstehende Ablösegebiete im Verdichter führen zu vergrößerten Verlusten im Wirkungsgrad des Verdichters. Bei großflächiger Strömungsablösung kann sich die Strömung im Verdichter komplett umkehren - dann kommt es zu einer Verdichterinstabilität, die sich in einem Pumpstoß äußert, woraufhin der Verdichter schnell abgeschaltet werden muss. Vor einer derartigen Verdichterinstabilität kommt es zu einer sich entgegen der Drehrichtung des Rotors des Verdichters drehenden Ablösung der Strömung (rotating stall).
  • Um das Auftreten derartiger Strömungsablösungen zu detektieren, wird bei herkömmlichen Verdichtern das Druckverhältnis zwischen dem Verdichtereintritt und dem Verdichteraustritt überwacht. Überschreitet das Druckverhältnis einen bestimmten Wert, so wird daraufhin eine leittechnische Maßnahme ergriffen, um einer Strömungsablösung entgegen zu wirken.
  • Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Verdichter mit einer Verdichterschaufel der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine Strömungsablösung bzw. Strömungsanomalie in dem Verdichter schneller und genauer erfasst werden kann.
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit der gattungsgemäßen Verdichterschaufel gelöst, die mindestens eine Einrichtung aufweist, welche das Erfassen einer charakteristischen Eigenschaft des an der Verdichterschaufel entlang strömenden Strömungsfluids ermöglicht. Ferner ist die Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Verdichter gelöst, der mit einer derartigen Verdichterschaufel versehen ist. Weiterhin ist die Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Verdichter der weiterhin eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Mittel in Axialrichtung des Strömungskanals zueinander versetzt im Bereich der Verdichterstufe und/oder der Verdichterschaufel angeordnet sind.
  • Die Verdichterschaufel nach der Erfindung ist insbesondere eine Laufschaufel eines Verdichters. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen einer Einrichtung zum Erfassen einer charakteristischen Eigenschaft des Strömungsfluids als Teil der Verdichterschaufel kann der Strömungszustand des an der Strömungsfläche der Verdichterschaufel entlang strömenden Strömungsfluids lokal erfasst werden. Im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten globalen Messung, bei der lediglich das Druckverhältnis zwischen Verdichtereintritt und Verdichteraustritt überwacht wird, ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung eine Erfassung des Strömungszustands nahe dem Ort, an dem sich eine Strömungsablösung von der Verdichterschaufel ausbildet. Damit kann eine Verschlechterung des Strömungszustandes um die Verdichterschaufel wesentlich schneller und mit größerer Genauigkeit erkannt werden. Daraufhin können dann insbesondere automatisierte, an die gemessene Strömungsanomalie angepasste Gegenmaßnahmen aus der Leittechnik des Verdichters ergriffen werden. Diese können zum Beispiel eine Leistungsabsenkung des Verdichters bzw. der Turbine beinhalten. Damit kann ein Pumpstoß im Verdichter verlässlich verhindert werden.
  • Durch das weiterhin erfindungsgemäße Anordnen der Mittel zum Erfassen der charakteristischen Eigenschaft des Strömungsfluids in einer in Axialrichtung des Strömungskanals zueinander versetzten Weise im Bereich der Verdichterstufe und/oder der Verdichterschaufel lässt sich eine entgegen der Rotordrehrichtung drehende Ablösung der Strömung (rotating stall) besonders schnell und präzise erkennen. Im Vergleich zum Stand der Technik, in dem lediglich eine globale Druckdifferenzmessung zwischen Verdichtereintritt und Verdichteraustritt vorgenommen wird, erfolgt die Druckdifferenzmessung gemäß der Erfindung in einem lokal begrenzteren Bereich des Verdichters. Durch die in Axialrichtung des Strömungskanal zueinander versetzte Anordnung der Mittel kann die tatsächliche Druckdifferenz zwischen den beiden Positionen der Mittel im Strömungskanal mit einer Solldruckdifferenz, die zum Betrieb des Verdichters zwischen den beiden Positionen auftreten soll, verglichen werden. Weicht die tatsächlich gemessene Druckdifferenz von dieser Solldruckdifferenz ab, so weist dies auf eine Ausbildung bzw. ein Vorliegen eines "rotating stalls" in diesem Bereich des Verdichters hin.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Verdichterschaufel nach der Erfindung umfasst die charakteristische Eigenschaft des an der Verdichterschaufel entlang strömenden Strömungsfluids einen an der Verdichterschaufel anliegenden Druck des Strömungsfluids und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit des an der Verdichterschaufel entlang strömenden Strömungsfluids. Durch die Erfassung des Drucks bzw. der Strömungsgeschwindigkeit mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung an der Verdichterschaufel können Strömungsablösungen besonders gut identifiziert werden.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Einrichtung einen Drucksensor und/oder einen Strömungsgeschwindigkeitssensor, insbesondere ein Heißfilm-Anemometer, mit einem jeweiligen Messwertgeber umfasst, welcher insbesondere an der Strömungsfläche der Verdichterschaufel angeordnet ist. Bei einem Heißfilm-Anemometer wird ein elektrischer Widerstand in der Regel in Form eines dünnen strukturierten Metallfilms auf eine Heizertemperatur gebracht. Die vorbeiziehende Fluidströmung mit einer im Vergleich zur Heizertemperatur geringeren Umgebungstemperatur kühlt den Heizer abhängig von der Geschwindigkeit des Strömungsfluids unterschiedlich stark ab. Aus der Menge der zum Erreichen einer konstanten Heizertemperatur elektrisch zuzuführenden Jouleschen Wärme lässt sich auf die Geschwindigkeit des Strömungsfluids zurück schließen. Durch das erfindungsgemäße Anordnen des Messwertgebers des Drucksensors bzw. des Strömungsgeschwindigkeitssensors nahe der Messstelle bzw. an der Strömungsfläche der Verdichterschaufel kann die gemessene Größe besonders genau bestimmt werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Messwertgeber wandbündig an der Verdichterschaufel angeordnet ist.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Einrichtung einen fluidleitenden Verbindungskanal aufweist, der einen Erfassungspunkt an der Strömungsfläche der Verdichterschaufel mit einem Messwertgeber verbindet. Mit einem derartigen fluidleitenden Verbindungskanal lässt sich besonders der an dem Erfassungspunkt vorliegende Druck gut zu dem Messwertgeber übertragen. Der Messwertgeber kann damit an einer genügend Raum bietenden Stelle in der Verdichterschaufel oder auch außerhalb der Verdichterschaufel angeordnet werden. Damit kann die geometrische Form der Verdichterschaufel bezüglich ihres Strömungsverhaltens ohne wesentliche räumliche Einschränkungen hinsichtlich der Beherbergung des Messwertgebers optimiert werden. Der Verbindungskanal der Einrichtung kann insbesondere als so genannte Druckbohrung in der Verdichterschaufel ausgeführt sein.
  • Eine Strömungsanomalie an der Verdichterschaufel kann besonders wirksam gemessen werden, wenn die mindestens eine Einrichtung zum Messen einer Änderung der charakteristischen Eigenschaft stetig betreibbar ist, insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Einrichtung einen Druckänderungssensor aufweist. Damit können mit einer oder wenigen derartigen Einrichtungen mit instationär messenden Sensoren Bereiche der Strömungsfläche der Verdichterschaufel, die besonders zu einer Strömungsablösung neigen, wirksam überwacht werden. Das gemessene Zeitsignal kann dann mittels Fourier-Transformation, RMS (root mean square)-Verarbeitung oder einer Wavelet-Transformation zur Pumpfrüherkennung ausgewertet werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind zwei an verschiedenen Erfassungspunkten, an der Strömungsfläche angeordnete Einrichtungen vorgesehen, welche jeweils das Erfassen der charakteristischen Eigenschaft an dem jeweiligen Erfassungspunkt ermöglichen. Die erfasste charakteristische Eigenschaft kann der anliegende Druck bzw. die Strömungsgeschwindigkeit des am Erfassungspunkt entlang strömenden Strömungsfluids sein. Mittels der mindestens zwei Einrichtungen kann eine räumliche Druckverteilung bzw. eine Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit entlang der Strömungsfläche gemessen werden. Vorteilhafterweise sind zur Messung einer derartigen räumlichen Druckverteilung zehn bis zwanzig über die Strömungsfläche der Verdichterschaufel angeordnete Einrichtungen bzw. Sensoren vorgesehen. Die räumliche Druckverteilung kann mittels einer stationären Messung erlangt werden. Aus der Struktur der räumlichen Druckverteilung lässt sich eine beginnende Strömungsablösung örtlich genau und verlässlich detektieren. Sinkt der mittels Druckmessung detektierte Auftrieb der Verdichterschaufel, wird daraufhin vorteilhafterweise ein Warnsignal an die Leittechnik des Verdichters bzw. der Turbine gesandt.
  • Um Strömungsablösungen besonders genau und räumlich umfassend erkennen zu können, ist es vorteilhaft, wenn bei einer Verdichterschaufel, bei der die Strömungsfläche einen an einer Saugseite der Verdichterschaufel angeordneten saugseitigen Abschnitt sowie einen an einer Druckseite der Verdichterschaufel angeordneten druckseitigen Abschnitt aufweist, mindestens eine der Einrichtungen an dem saugseitigen Abschnitt und mindestens eine weitere der Einrichtungen an dem druckseitigen Abschnitt der Verdichterschaufel angeordnet ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters, bei dem die Mittel in Axialrichtung des Strömungskanals zueinander versetzt im Bereich der Verdichterstufe und/oder der Verdichterschaufel angeordnet sind, umfasst die Verdichterstufe ein den Strömungskanal umgebendes Gehäuse, an dem die Mittel angeordnet sind. Ein sich ausbildender "rotating stall" lässt sich besonders gut an Messpunkten am Gehäuse erkennen.
  • Um eine örtlich besonders genaue Erfassung eines "rotating stalls" zu ermöglichen, ist es besonders vorteilhaft, wenn bei einer Verdichterschaufel, die eine von dem Strömungsfluid angeströmte Anströmkante sowie eine Abströmkante, von der das Strömungsfluid abströmt, aufweist, eines der Mittel im Bereich der Anströmkante und eines der Mittel im Bereich der Abströmkante angeordnet ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das im Bereich der Anströmkante angeordnete Mittel eine kurze Distanz strömungsaufwärts bezüglich der Anströmkante und das im Bereich der Abströmkante angeordnete Mittel eine kurze Distanz strömungsabwärts bezüglich der Abströmkante angeordnet ist. Damit schließen die beiden Mittel einen Axialabschnitt des Verdichters ein, in dem die Verdichterschaufel liegt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Verdichterstufe einen Eintrittsbereich, durch den das Strömungsfluid in den Verdichter eintritt, und einen Austrittsbereich, durch den das Strömungsfluid aus dem Verdichter austritt, auf, wobei eines der Mittel im Bereich des Eintrittsbereichs und eines der Mittel im Bereich des Austrittsbereichs angeordnet ist. Damit lässt sich eine in einer Verdichterstufe auftretende Strömungsablösung in Form eines "rotating stalls" schnell und genau erkennen. Es ist besonders vorteilhaft, wenn das im Bereich des Eintrittsbereichs angeordnete Mittel eine kurze Distanz strömungsaufwärts bezüglich des Eintrittsbereichs angeordnet ist. Das heißt, das Strömungsfluid passiert zunächst das Mittel bevor es kurz danach in den Eintrittsbereich eintritt. Das im Bereich des Austrittsbereichs angeordnete Mittel ist vorteilhafterweise eine kurze Distanz strömungsabwärts bezüglich des Austrittsbereichs angeordnet.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die charakteristische Eigenschaft des Strömungsfluids den Druck und/oder die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsfluids umfasst und damit die mindestens zwei Mittel jeweils einen Drucksensor und/oder einen Strömungsgeschwindigkeitssensor, insbesondere ein Heißfilm-Anemometer aufweisen.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die mindestens zwei Mittel jeweils zum Messen einer Änderung der charakteristischen Eigenschaft des Strömungsfluids betreibbar sind. Damit lässt sich eine instationäre Druck- bzw. Geschwindigkeitsverteilung in dem Verdichter messen, wodurch eine besonders schnelle und genaue Erkennung von Strömungsinstabilitäten möglich ist.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Verdichter eine Auswertungsvorrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein eine Änderung der charakteristischen Eigenschaft beschreibendes Zeitsignal, insbesondere mittels RMS-Analyse (root mean square), Fourier-Transformation (insbesondere FFT) und/oder Wavelet-Transformation auszuwerten. Aufgrund des Ergebnisses der Auswertung wird bei einer sich ankündigenden Strömungsablösung ein Warnsignal an die Leittechnik des Verdichters bzw. der Turbine gesandt.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel sowie eines erfindungsgemäßen Verdichters anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
    • Figur 1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel mit einer Veranschaulichung des Strömungsverlaufs von die Verdichterschaufel umströmendem Strömungsfluid bei störungsfreier Strömung,
    • Figur 1a den zeitlichen Verlauf des Messsignals einer charakteristischen Eigenschaft des an der Verdichterschaufel entlang strömenden Strömungsfluids mit dem in Figur 1 veranschaulichten Strömungsverlauf,
    • Figur 2 die Verdichterschaufel gemäß Figur 1 mit einer Veranschaulichung des Strömungsverlaufs von dem die Verdichterschaufel umströmenden Strömungsfluid beim Auftreten einer Strömungsablösung,
    • Figur 2a den zeitlichen Verlauf des Messsignals einer charakteristischen Eigenschaft des an der Verdichterschaufel entlang strömenden Strömungsfluids mit dem in Figur 2 veranschaulichten Strömungsverlauf,
    • Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel mit einer Veranschaulichung des Strömungsverlaufs von die Verdichterschaufel umströmendem Strömungsfluid bei störungsfreier Strömung,
    • Figur 3a die örtliche Verteilung des Messsignals einer charakteristischen Eigenschaft des an der Verdichterschaufel entlang strömenden Strömungsfluids mit dem in Figur 3 veranschaulichten Strömungsverlauf,
    • Figur 4 die Verdichterschaufel gemäß Figur 3 mit einer Veranschaulichung des Strömungsverlaufs von die Verdichterschaufel umströmendem Strömungsfluid beim Auftreten einer Strömungsablösung,
    • Figur 4a die räumliche Verteilung des Messsignals einer charakteristischen Eigenschaft des an der Verdichterschaufel gemäß Figur 4 entlang strömenden Strömungsfluids mit dem in Figur 4 veranschaulichten Strömungsverlauf sowie
    • Figur 5 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verdichters.
  • Figur 1 und Figur 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel 10 in Gestalt einer Laufschaufel, die jeweils von einem Strömungsfluid 20 umströmt wird. Die Verdichterschaufel 10 weist eine Strömungsfläche 12 auf, an welcher im Betrieb des Verdichters das Strömungsfluid 20 entlang strömt. Dabei unterteilt sich die Strömungsfläche 12 in einen saugseitigen Abschnitt 12a und einen druckseitigen Abschnitt 12b.
  • Weiterhin weist die Verdichterschaufel 10 eine von dem Strömungsfluid 18 angeströmte Anströmkante 14 sowie eine Abströmkante 16 auf, von der das Strömungsfluid 20 wieder abströmt. Die Verdichterschaufel 10 umfasst darüber hinaus eine wandbündig an der Strömungsfläche 12 angeordnete Einrichtung 22 in Gestalt eines Drucksensors oder eines Geschwindigkeitssensors zum Messen eines an einem Erfassungspunkt 26 des Sensors anliegenden Drucks des Strömungsfluids 20 bzw. der Geschwindigkeit des an dem Erfassungspunkt 26 vorbei strömenden Strömungsfluids 20. Die Einrichtung 22 weist einen Messwertgeber 24 auf, der nahe an der Strömungsfläche 12, vorzugsweise am Erfassungspunkt 26 bündig in die Strömungsfläche 12 integriert angeordnet ist.
  • Figur 1a zeigt das von der Einrichtung 22 im Fall der störungsfreien Strömung gemäß Figur 1 gemessene Messsignal über die Zeit. Wie bereits vorstehend erwähnt, kann dieses Messsignal entweder einen Druck, oder eine Strömungsgeschwindigkeit darstellen. Wie aus dem Diagramm gemäß Figur 1a zu sehen ist, weist das Messsignal nur geringfügige Schwankungen im Zeitverlauf auf. Beim in Figur 2 dargestellten Strömungsverlauf tritt oberhalb des Erfassungspunktes 26 eine Strömungsablösung 28 auf. Das in diesem Fall resultierende Messsignal ist in Figur 2a dargestellt und weist wesentlich größere Schwankungen als das Messsignal gemäß Figur 1a auf. Tritt ein Messsignal der in Figur 2a dargestellten Art auf, werden automatisch Gegenmaßnahmen in der Leittechnik des Verdichters ergriffen. Diese können z.B. in einer Leistungsabsenkung des Verdichters bzw. der Turbine bestehen, um das Ausbilden eines Pumpstoßes zu verhindern. Um die gesamte Strömungsfläche 12 der Verdichterschaufel hinsichtlich des Auftretens einer Strömungsablösung optimal zu überwachen, ist es vorteilhaft, wenn viele derartige Einrichtungen 22 über die Strömungsfläche 12 verteilt sind.
  • Das in den Figuren 3 und 4 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel 10 unterscheidet sich von dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Verdichterschaufel dadurch, dass am Ort des Erfassungspunktes 26 kein Messwertgeber 24 eines Sensors, sondern eine Einrichtung 52 in Gestalt einer Druckbohrung vorgesehen ist. Die Einrichtung 52 in Gestalt einer Druckbohrung dient ebenfalls dem Erfassen des an dem Erfassungspunkt 26 anliegenden Drucks des Strömungsfluids 20 bzw. der Strömungsgeschwindigkeit des daran entlang strömenden Strömungsfluids 20. Dabei sind eine Vielzahl von Einrichtungen 52, idealerweise zehn bis zwanzig Einrichtungen 52 über sowohl den saugseitigen Abschnitt 12a als auch den druckseitigen Abschnitt 12b der Strömungsfläche 12 verteilt.
  • Die Einrichtungen 52 in Gestalt von Druckbohrungen führen jeweils zu einem Messwertgeber eines Drucksensors oder eines Strömungsgeschwindigkeitssensors, welcher entweder in einem von dem entsprechenden Erfassungspunkt 26 entfernt gelegenen Teil der Verdichterschaufel 10 oder außerhalb davon angeordnet sein kann. In Figur 3a ist ein mittels der Einrichtungen 52 bei einer störungsfreien Strömungsverteilung gemäß Figur 3 gemessenes stationäres Druckfeld dargestellt. Dabei ist die Druckverteilung entlang des saugseitigen Abschnitts 12a und des druckseitigen Abschnitts 12b der Strömungsfläche 12 gezeigt.
  • In Figur 4a ist das entsprechende Druckfeld beim Auftreten einer Strömungsablösung 54 dargestellt. Wie aus Figur 4a ersichtlich, ist der Druckunterschied zwischen dem saugseitigen Abschnitt 12a und dem druckseitigen Abschnitt 12b der Strömungsfläche 12 verringert. Diese Änderung in der Druckverteilung führt automatisiert zu Gegenmaßnahmen aus der Leittechnik des Verdichters bzw. der Turbine.
  • In Figur 5 sind zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Verdichters 130 schematisch im Halbschnitt kombiniert dargestellt. Der Verdichter 130 weist einen Strömungskanal 140 mit einer in Axialrichtung 144 verlaufenden Längsachse 142 auf. Der Strömungskanal 140 ist von einem Gehäuse 146 umgeben. Ein Strömungsfluid 118 durchströmt den Strömungskanal 140 in Axialrichtung 144 des Strömungskanals 140. Innerhalb des Strömungskanals 140 ist gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des Verdichters 130 eine Verdichterschaufel 110 angeordnet.
  • Die Verdichterschaufel 110 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel des Verdichters 130 weist eine von dem Strömungsfluid 118 angeströmte Anströmkante 114 sowie eine Abströmkante 116 auf, von der das Strömungsfluid 118 abströmt. In dem ebenfalls mittels der Figur 5 veranschaulichten zweiten Ausführungsbeispiel weist die Verdichterstufe 110, in der eine Vielzahl Verdichterschaufeln angeordnet ist, einen Eintrittsbereich 114, durch den das Strömungsfluid 118 in die Verdichterstufe 110 eintritt, und einen Austrittsbereich 116 auf, durch den das Strömungsfluid 118 aus der Verdichterstufe 110 austritt.
  • Am Gehäuse 146 ist ein erstes Mittel 148 sowie ein zweites Mittel 150 jeweils in Gestalt eines Drucksensors oder eines Geschwindigkeitssensors angeordnet. Das erste Mittel 148 ist strömungsaufwärtsseitig kurz vor der Anströmkante 114 bzw. dem Eintrittsbereich 114 angeordnet. Das zweite Mittel 150 ist eine kurze Distanz strömungsabwärtsseitig bezüglich der Abströmkante 116 bzw. des Austrittsbereichs 116 angeordnet. Durch Auswertung der Messsignale der beiden Mittel 148 und 150 kann eine sich entgegen der Drehung des Rotors des Verdichters 130 drehende Ablösung der Strömung (rotating stall) detektiert werden, woraufhin entsprechende leittechnische Maßnahmen ergriffen werden können.

Claims (15)

  1. Verdichterschaufel (10) für einen Verdichter einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine, mit einer Strömungsfläche (12), an welcher im Betrieb des Verdichters ein Strömungsfluid (20) entlang strömt,
    gekennzeichnet durch
    mindestens eine Einrichtung (22, 52), welche das Erfassen einer charakteristischen Eigenschaft des an der Verdichterschaufel (10) entlang strömenden Strömungsfluids (20) ermöglicht.
  2. Verdichterschaufel (10) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die charakteristische Eigenschaft des an der Verdichterschaufel (10) entlang strömenden Strömungsfluids (20) einen an der Verdichterschaufel (10) anliegenden Druck des Strömungsfluids (20) und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit des an der Verdichterschaufel (10) entlang strömenden Strömungsfluids (20) umfasst.
  3. Verdichterschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Einrichtung (22, 52) einen Drucksensor und/oder einen Strömungsgeschwindigkeitssensor, insbesondere ein Heißfilm-Anemometer, mit einem jeweiligen Messwertgeber (24) umfasst, welcher insbesondere an der Strömungsfläche (12) der Verdichterschaufel (10) angeordnet ist.
  4. Verdichterschaufel (10) nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Einrichtung (52) einen fluidleitenden Verbindungskanal aufweist, der einen Erfassungspunkt (26) an der Strömungsfläche (12) der Verdichterschaufel (10) mit einem Messwertgeber (24) verbindet.
  5. Verdichterschaufel (10) nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die mindestens eine Einrichtung (22, 52) zum Messen einer Änderung der charakteristischen Eigenschaft über Zeit betreibbar ist.
  6. Verdichterschaufel (10) nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zwei an verschiedenen Erfassungspunkten (26), an der Strömungsfläche (12) angeordnete Einrichtungen (22, 52) vorgesehen sind, welche jeweils das Erfassen der charakteristischen Eigenschaft an dem jeweiligen Erfassungspunkt (26) ermöglichen.
  7. Verdichterschaufel (10) nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Strömungsfläche (12) einen an einer Saugseite der Verdichterschaufel angeordneten saugseitigen Abschnitt (12a) sowie einen an einer Druckseite der Verdichterschaufel angeordneten druckseitigen Abschnitt (12b) aufweist,
    wobei mindestens eine der Einrichtungen (22, 52) an dem saugseitigen Abschnitt (12b) und mindestens eine weitere der Einrichtungen (22, 52) an dem druckseitigen Abschnitt (12b) der Verdichterschaufel (10) angeordnet ist.
  8. Verdichter (130) für eine Turbine,
    insbesondere für eine Gasturbine,
    mit einer Verdichterschaufel (10) nach einem der vorausgehenden Ansprüche.
  9. Verdichter (130) für eine Turbine,
    insbesondere für eine Gasturbine,
    mit einer Verdichterstufe (110), die eine Verdichterschaufel (110), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, einen Strömungskanal (140) zum Führen eines Strömungsfluids (118) in Axialrichtung (144) des Strömungskanals (140) sowie
    mindestens zwei an dem Strömungskanal (140) angeordnete Mittel (148, 150), welche jeweils das Erfassen einer charakteristischen Eigenschaft des Strömungsfluids (118) ermöglichen, aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Mittel (148, 150) in Axialrichtung (144) des Strömungskanals (140) zueinander versetzt im Bereich der Verdichterstufe (110) und/oder der Verdichterschaufel (110) angeordnet sind.
  10. Verdichter (130) nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Verdichterstufe (110) ein den Strömungskanal (140) umgebendes Gehäuse (146) umfasst, an dem die Mittel (148, 150) angeordnet sind.
  11. Verdichter (130) nach Anspruch 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Verdichterschaufel (110) eine von dem Strömungsfluid (118) angeströmte Anströmkante (114) sowie eine Abströmkante (116) aufweist, von der das Strömungsfluid (118) abströmt,
    wobei eines (148) der Mittel (148, 150) im Bereich der Anströmkante (114) und eines (150) der Mittel (148; 150) im Bereich der Abströmkante (116) angeordnet ist.
  12. Verdichter (130) nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Verdichterstufe (110) einen Eintrittsbereich (114), durch den das Strömungsfluid (118) in die Verdichterstufe (110) eintritt, und einen Austrittsbereich (116), durch den das Strömungsfluid (118) aus der Verdichterstufe (118) austritt, aufweist,
    wobei eines (148) der Mittel (148, 150) im Bereich des Eintrittsbereichs (114) und eines (150) der Mittel (148, 150) im Bereich des Austrittsbereichs (116) angeordnet ist.
  13. Verdichter (130) nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die charakteristische Eigenschaft des Strömungsfluids (118) den Druck und/oder die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsfluids (118) umfasst und damit die mindestens zwei Mittel (148, 150) jeweils einen Drucksensor und/oder einen Strömungsgeschwindigkeitssensor, insbesondere ein Heißfilm-Anemometer, aufweisen.
  14. Verdichter (130) nach einem der Ansprüche 9 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die mindestens zwei Mittel (148, 150) jeweils zum Messen einer Änderung der charakteristischen Eigenschaft des Strömungsfluids (118) betreibbar sind.
  15. Verdichter (130) nach einem der Ansprüche 9 bis 14,
    gekennzeichnet durch
    eine Auswertungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein eine Änderung der charakteristischen Eigenschaft beschreibendes Zeitsignal, insbesondere mittels RMS-Analyse, Fourier-Transformation und/oder Wavelet-Transformation auszuwerten.
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