EP2565387A1

EP2565387A1 - Flow engine with a contactless temperature sensor

Info

Publication number: EP2565387A1
Application number: EP11179161A
Authority: EP
Inventors: Guido Ahaus; Ingo Balkowski; Patrick Ronald Flohr; Waldemar Heckel; Harald Hoell; Christian Lyko; Oliver Ricken; Uwe Sieber; Sebastian Stock; Vyacheslav Veitsman; Frank Woditschka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2013-03-06

Abstract

The turbo machine has a turbine unit for driving a compressor. The rotor has a tie rod (124) that comprises a groove (126) at a region (130). The groove is extended in the axial direction and is in the form of dovetail. A non-contact temperature measuring device (134) is arranged at end of the groove. A mirror is arranged in groove.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem Rotor.The invention relates to a turbomachine with a rotor.

Eine Strömungsmaschine ist eine Fluidenergiemaschine, bei der die Energieübertragung zwischen Fluid und Maschine in einem offenen Raum durch eine Strömung nach den Gesetzen der Fluiddynamik über den Umweg der kinetischen Energie erfolgt. Die Energieübertragung erfolgt normalerweise mittels Rotorblättern, Flügeln oder Schaufeln, die derart profiliert sind, dass durch die Umströmung eine Druckdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite entsteht (Tragflächenprofil). Eine Strömungsmaschine besteht typischerweise aus einem rotierenden Teil, dem Rotor, und einem statischen Teil, dem Stator.A turbomachine is a fluid energy machine in which the energy transfer between the fluid and the machine takes place in an open space through a flow according to the laws of fluid dynamics via the kinetic energy. The energy transfer normally takes place by means of rotor blades, vanes or blades, which are profiled in such a way that a pressure difference arises between the front and the back (airfoil profile) due to the flow around the air. A turbomachine typically consists of a rotating part, the rotor, and a static part, the stator.

Eine Gasturbine ist eine Strömungsmaschine, in der ein unter Druck stehendes Gas expandiert. Sie besteht aus einer Turbine oder Expander, einem vorgeschalteten Verdichter und einer dazwischengeschalteten Brennkammer. Das Wirkungsprinzip beruht auf dem Kreisprozess (Joule-Prozess): Dieser komprimiert über die Beschaufelung einer oder mehrerer Verdichterstufen Luft, mischt diese anschließend in der Brennkammer mit einem gasförmigen oder flüssigen Treibstoff, zündet und verbrennt. Außerdem wird die Luft zur Kühlung insbesondere thermisch stark beanspruchter Bauteile eingesetzt.A gas turbine is a turbomachine in which a pressurized gas expands. It consists of a turbine or expander, an upstream compressor and an intermediate combustion chamber. The principle of operation is based on the cycle process (joule process): this compresses air via the blading of one or more compressor stages, then mixes these in the combustion chamber with a gaseous or liquid fuel, ignites and burns. In addition, the air is used for cooling in particular thermally stressed components.

So entsteht ein Heißgas (Mischung aus Verbrennungsgas und Luft), das im nachfolgenden Turbinenteil entspannt, wobei sich thermische in mechanische Energie umwandelt und zunächst den Verdichter antreibt. Der verbleibende Anteil wird beim Wellentriebwerk zum Antrieb eines Generators, eines Propellers oder anderen rotierenden Verbrauchern verwendet. Beim Strahltriebwerk dagegen beschleunigt die thermische Energie den heißen Gasstrom, was den Schub erzeugt.The result is a hot gas (mixture of combustion gas and air), which relaxes in the subsequent turbine part, with thermal converts into mechanical energy and first drives the compressor. The remaining portion is used in the shaft engine for driving a generator, a propeller or other rotating consumers. In the jet engine, on the other hand, the thermal energy accelerates the hot gas flow, which generates the thrust.

Der Rotor einer Strömungsmaschine ist insbesondere bei Gasturbinen ein thermisch und mechanisch hoch beanspruchtes Bauteil. Insbesondere beim Kaltstart der Strömungsmaschine werden die Rotorscheiben sehr stark beansprucht. Einerseits werden die Rotoren im Bereich der Schaufelfüße, mittels derer die Schaufeln an einer Rotorwelle befestigt sind, stark erwärmt, andererseits wird der Rotor von Kühlluft durchströmt, damit die Materialtemperatur nicht die Festigkeitsgrenzen überschreitet.The rotor of a turbomachine is particularly in gas turbines, a thermally and mechanically highly stressed component. In particular, during the cold start of the turbomachine, the rotor disks are very heavily stressed. On the one hand, the rotors in the region of the blade roots, by means of which the blades are fastened to a rotor shaft, are heated strongly, on the other hand the cooling air flows through the rotor, so that the material temperature does not exceed the strength limits.

Die sich im Inneren des Rotors einstellenden Strömungsstrukturen und Wärmeübergangseffekte sind äußerst komplex und seit Jahrzehnten weltweit Gegenstand der universitären Forschung. Dies gilt erst recht für die transienten Vorgänge beim An- und Abfahren der Maschinen.The flow structures and heat transfer effects occurring inside the rotor are extremely complex and have been the subject of academic research worldwide for decades. This applies a fortiori to the transient processes when starting and stopping the machines.

Die im Rotor auftretenden Temperaturen und insbesondere die Temperaturgradienten, die zu Thermospannungen führen, werden in der Praxis zurzeit konservativ, d. h. eher zur sicheren Seite hin abgeschätzt. Hierbei kommt häufig die FEM (Finite-Elemente-Methode) zu Anwendung, ein numerisches Verfahren zur Lösung von partiellen Differentialgleichungen, mit dem Festkörpersimulationen durchgeführt werden können. Die Randbedingungen werden hier anhand einzelner Prototypenmessungen bestimmt. Hier werden teilweise auch Stichprobenmessungen der Temperatur einzelner Rotorkomponenten durchgeführt.The temperatures occurring in the rotor, and in particular the temperature gradients which lead to thermal stresses, are currently becoming conservative in practice, i. H. rather estimated to the safe side. Frequently used is the FEM (Finite Element Method), a numerical method for solving partial differential equations that allows solid-state simulations to be performed. The boundary conditions are determined here on the basis of individual prototype measurements. In some cases, sample measurements of the temperature of individual rotor components are also carried out here.

Die so gewonnenen Daten werden genutzt, um einerseits die maximale Anzahl an Startzyklen abzuschätzen, die ein Rotor übersteht, bevor er ausgetauscht werden muss, und um andererseits eine in einigen Fällen notwendige Vorheizzeit des Rotors abzuschätzen, die erforderlich ist, um Thermospannungen auf ein erträgliches Maß zu reduzieren und die Anzahl an erlaubten Startzyklen hoch genug zu halten.The data obtained in this way are used, on the one hand, to estimate the maximum number of starting cycles that a rotor can survive before it has to be replaced, and, on the other hand, to estimate a rotor preheating time which is necessary in some cases, which is necessary to reduce thermoelectric voltages to an acceptable level and to keep the number of allowed start cycles high enough.

Allerdings bedeutet ein Abwarten einer bestimmten Zeit vor der Inbetriebnahme des Rotors stets einen erhöhten Energieverbrauch und eine längere Anlaufzeit der Strömungsmaschine, was gerade z. B. bei Gas- und Dampfturbinenkraftwerken unerwünscht ist, da diese oft kurzfristige Leistungsspitzenanforderungen des Stromnetzes decken müssen.However, waiting a certain time before starting the rotor always means increased energy consumption and a longer start-up time of the turbomachine, what just z. B. is undesirable in gas and steam turbine power plants, as they often have to cover short-term power peak requirements of the power grid.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Strömungsmaschine anzugeben, welche ein schnelleres Anfahren erlaubt, ohne dabei die Lebensdauer des Rotors zu reduzieren, und gleichzeitig bessere Vorhersagen über die verbleibende Lebensdauer des Rotors ermöglicht.The object of the invention is therefore to provide a turbomachine, which allows a faster start, without reducing the life of the rotor, while allowing better predictions over the remaining life of the rotor.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem sich von einem Bereich des Rotors in axialer Richtung eine in ein Rotorbauteil eingebrachte Nut erstreckt, an deren Ende eine berührungslose Temperaturmesseinrichtung angeordnet ist.This object is achieved according to the invention by extending from a region of the rotor in the axial direction an introduced into a rotor component groove at the end of a non-contact temperature measuring device is arranged.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass ein schnelleres Anfahren und eine bessere Abschätzung der Lebensdauer insbesondere dadurch möglich wäre, dass besonders genaue und aktuelle Daten zum Temperaturverhalten des Rotors zur Verfügung gestellt werden. Hierzu können beispielsweise basierend auf der Anpassung an transiente Temperaturverläufe aus FEM-Modellen analytische Temperaturformeln abgeleitet werden, mit Hilfe derer die Materialtemperatur anhand erfasster Betriebsdaten abgeschätzt werden kann. Eine derartige Abschätzung muss jedoch hinsichtlich der Betriebssicherheit und Lebensdauer stets konservativ ausfallen. Dies kann z. B. dazu führen, dass beim Anfahren das Abwarten der entsprechenden Temperaturverhältnisse unnötig lange dauert oder sogar der Startvorgang der Strömungsmaschine verriegelt wird, obwohl die erforderliche Materialtemperatur erreicht ist, aber durch die Temperaturformel als zu niedrig abgeschätzt wird.The invention is based on the consideration that a faster start-up and a better estimation of the service life would be possible in particular because particularly accurate and up-to-date data on the temperature behavior of the rotor are made available. For this purpose, for example based on the adaptation to transient temperature profiles, analytical temperature formulas can be derived from FEM models with the aid of which the material temperature can be estimated on the basis of acquired operating data. However, such an estimate must always be conservative in terms of operational safety and service life. This can be z. B. lead to wait for the appropriate temperature conditions unnecessarily long when starting or even the starting process of the turbomachine is locked, although the required material temperature is reached, but is estimated by the temperature formula as too low.

Daher sollte die Genauigkeit der Temperaturbestimmung weiter verbessert werden. Dies ist erreichbar, indem die Temperatur in dem interessierenden Bereich des Rotors direkt gemessen wird. Allerdings ist hierbei problematisch, dass einige Bereiche des Rotors, insbesondere die besonders thermisch belasteten Scheibennaben, im Inneren der Strömungsmaschine angeordnet und daher schwer zugänglich sind. Daher sollte eine Möglichkeit gefunden werden, die Materialtemperatur an einer besser zugänglichen Stelle des Rotors zu messen. Dies ist erreichbar, indem die Temperaturmesseinrichtung an einer solchen besser zugänglichen Stelle angebracht ist, nämlich im Bereich der Rotorachse, aber außerhalb des thermisch stark belasteten Bereiches. Der zu messende Bereich sollte dann mit dem Bereich der Temperaturmesseinrichtung durch eine axiale Nut in einem Rotorbauteil verbunden werden. Um dann eine Übertragung der Wärmeinformation durch die verbindende Nut besonders einfach zu ermöglichen, sollte die Temperaturmesseinrichtung berührungslos ausgestaltet sein, das heißt z. B. mittels optischer Methoden eine Messung der Temperatur am anderen, interessierenden Ende der Nut bewerkstelligen zu können.Therefore, the accuracy of the temperature determination should be further improved. This is achievable by directly measuring the temperature in the region of interest of the rotor. However, it is problematic here that some areas of the rotor, in particular the particularly thermally loaded Disc hubs, arranged inside the turbomachine and therefore difficult to access. Therefore, a way should be found to measure the material temperature at a more accessible location of the rotor. This can be achieved by the temperature measuring device is attached to such a more accessible location, namely in the region of the rotor axis, but outside the thermally heavily loaded area. The area to be measured should then be connected to the area of the temperature measuring device by an axial groove in a rotor component. In order then to facilitate a transfer of heat information through the connecting groove particularly easy, the temperature measuring device should be configured without contact, ie z. Example, by means of optical methods to accomplish a measurement of the temperature at the other, interesting end of the groove can.

Vorteilhafterweise ist der Bereich des Rotors der im Vergleich zu anderen Bereichen der thermisch am höchsten belastete Bereich. Nicht alle Bereiche des Rotors der Strömungsmaschine sind nämlich im Betrieb gleich hoch belastet. So sind z. B. die Scheiben-Naben des Rotors vergleichsweise hoch belastete Teile. Um keine Temperaturmessung in sämtlichen Bereichen durchführen zu müssen, sollte sichergestellt werden, dass in jedem Fall die hoch belasteten Bereiche, die für die Lebensdauerberechnung kritisch sind, genau gemessen werden. So wird bei reduziertem Aufwand die Lebensdauerbestimmung des Rotors verbessert.Advantageously, the area of the rotor is the area which is subjected to the highest thermal load in comparison to other areas. Not all areas of the rotor of the turbomachine are in fact the same load during operation. So z. B. the disc hubs of the rotor comparatively high loaded parts. In order not to have to measure temperature in all areas, it should be ensured that in each case the high-stress areas that are critical for the lifetime calculation are accurately measured. Thus, with reduced effort, the service life of the rotor is improved.

Vorteilhafterweise ist die Temperaturmesseinrichtung als Infrarot-Temperaturmesseinrichtung ausgestaltet. Dies ermöglicht eine besonders einfache berührungsfreie Messung in den in einer Strömungsmaschine vorherrschenden Temperaturbereichen.Advantageously, the temperature measuring device is designed as an infrared temperature measuring device. This allows a particularly simple non-contact measurement in the prevailing in a turbomachine temperature ranges.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist in der Nut in dem Bereich des Rotors ein Infrarotspiegel angeordnet. Durch einen derartigen Spiegel, der Infrarotlicht reflektiert, können auch Bereiche senkrecht zu der Nut, z. B. Rotorscheiben etc. durch die Temperaturmesseinrichtung erfasst werden. Generell erlaubt ein derartiger Spiegel eine größere Flexibilität hinsichtlich Anordnung von Nut und zu messendem Bereich.In a further advantageous embodiment, an infrared mirror is arranged in the groove in the region of the rotor. By such a mirror that reflects infrared light, areas perpendicular to the groove, z. B. rotor disks etc. are detected by the temperature measuring device. In general, such a mirror allows greater flexibility with regard to the arrangement of the groove and the area to be measured.

Vorteilhafterweise ist in der Nut ein Rohr angeordnet. Ein derartiges Rohr fungiert dann quasi als Pipeline für die Infrarotstrahlung und schirmt von weiteren äußeren Einflüssen und Wärmestrahlung von außerhalb des zu messenden Bereichs ab. Gleichzeitig ist eine Verschiebung des Rohres in axialer Richtung möglich, so dass verschiedene axiale Bereiche gemessen werden können, ohne mehrere Temperaturmesseinrichtungen vorzusehen. Dies gilt insbesondere, wenn ein Infrarotspiegel an dem Rohr und nicht in der Nut selbst fixiert ist.Advantageously, a tube is arranged in the groove. Such a tube acts as a kind of pipeline for the infrared radiation and shields from further external influences and heat radiation from outside the region to be measured. At the same time a displacement of the tube in the axial direction is possible, so that different axial areas can be measured without providing a plurality of temperature measuring devices. This is especially true when an infrared mirror is fixed to the pipe and not in the groove itself.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist die Nut in Schwalbenschwanzform ausgestaltet. Die Verjüngung des Schwalbenschwanzreliefs sollte dabei in radialer Richtung ausgerichtet sein. Dadurch wird das Rohr unter Einwirkung der Fliehkraft bei Rotation des Rotors in radialer Richtung fixiert. Gleichzeitig bleibt durch die Nutöffnung der Sichtkontakt zu den zu messenden Bereichen erhalten.In a further advantageous embodiment, the groove is designed in dovetail shape. The taper of the dovetail relief should be aligned in the radial direction. As a result, the tube is fixed under the action of centrifugal force during rotation of the rotor in the radial direction. At the same time, the visual contact with the areas to be measured is maintained through the slot opening.

Vorteilhafterweise ist das Rotorbauteil ein Zuganker, d. h., die Nut wird in den Zuganker des Rotors eingebracht, auf den die Rotorscheiben aufgefädelt und mit Naben fixiert werden. Dies bietet eine besonders einfache Möglichkeit der Einbringung der Nut bei der Konstruktion des Rotors. Gleichzeitig sind so sämtliche Scheiben über die gesamte axiale Länge von der Temperaturmesseinrichtung erfassbar.Advantageously, the rotor component is a tie rod, d. h., The groove is introduced into the tie rod of the rotor, to which the rotor discs are threaded and fixed with hubs. This provides a particularly simple way of introducing the groove in the construction of the rotor. At the same time all disks over the entire axial length of the temperature measuring device can be detected.

Vorteilhafterweise ist die Strömungsmaschine eine Gasturbine. Gerade in Gasturbinen, die die vergleichsweise höchsten thermischen und mechanischen Belastungen an ihren Bauteilen, insbesondere dem Rotor aufweisen, ist die beschriebene Ausgestaltung von erheblichem Vorteil hinsichtlich der Lebensdauerbestimmung und verkürzt die Anfahrzeit ohne Einbußen hinsichtlich der Betriebssicherheit oder Lebensdauer.Advantageously, the turbomachine is a gas turbine. Especially in gas turbines, which have the comparatively highest thermal and mechanical loads on their components, in particular the rotor, the described design of considerable advantage in terms of lifetime determination and shortens the startup time without sacrificing the reliability or service life.

Eine derartige Strömungsmaschine kommt vorteilhafterweise in einem Kraftwerk zum Einsatz.Such a turbomachine is advantageously used in a power plant.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Messung über die gesamte Lebensdauer der Strömungsmaschine aktuelle Daten zum Temperaturverhalten des Rotors zur Verfügung stehen. Mit Hilfe dieser Daten können wesentlich genauere Lebensdauerabschätzungen für Rotoren gemacht werden und die Anzahl der zu erlaubenden Starts entsprechend physikalischer Gegebenheiten aktuell angepasst werden. Dies ist insbesondere bei Anlagen mit häufigen Kaltstarts ein unmittelbarer wirtschaftlicher Vorteil für den Betreiber. Gleichzeitig wird durch eine kontinuierliche Temperaturmessung eine bessere Abschätzung der Rotorlebensdauer und eine Verkürzung des Anfahrprozesses ohne Reduzierung der Lebensdauer ermöglicht. Neben der Zeitersparnis und damit höheren Flexibilität wird dabei auch weniger Energie beim Anfahren verbraucht. Die berührungsfreie Messung der Temperatur in Verbindung mit optischer Weiterleitung der Infrarotstrahlung stellt weiterhin ein besonders ausfallsicheres System zur kontinuierlichen Temperaturmessung dar.The advantages achieved by the invention are in particular that current data on the temperature behavior of the rotor are available through the measurement over the entire service life of the turbomachine. With the help of these data, significantly more accurate lifetime estimates for rotors can be made and the number of starts to be allowed to be adjusted according to physical conditions. This is an immediate economic advantage for the operator, especially in systems with frequent cold starts. At the same time, a continuous temperature measurement enables a better estimation of the rotor life and a shortening of the start-up process without reducing the service life. In addition to the time savings and thus greater flexibility while less energy is consumed during startup. The non-contact measurement of temperature in conjunction with optical transmission of infrared radiation continues to be a particularly fail-safe system for continuous temperature measurement.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1: einen axialen Schnitt durch eine Gasturbine,
FIG 2: einen axialen Schnitt durch einen Teilbereich des Rotors der Gasturbine aus FIG 1.
FIG 3: eine Vergrößerung eines Teilbereichs der FIG 2,
FIG 4: einen radialen Schnitt durch den Zuganker des Rotors aus FIG 2 und 3, und
FIG 5: eine Vergrößerung eines Teilbereichs der FIG 4.

The invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:

FIG. 1: an axial section through a gas turbine,
FIG. 2: an axial section through a portion of the rotor of the gas turbine FIG. 1 ,
FIG. 3: an enlargement of a portion of the FIG. 2 .
FIG. 4: a radial section through the tie rod of the rotor FIGS. 2 and 3 , and
FIG. 5: an enlargement of a portion of the FIG. 4 ,

Gleiche Teile sind in allen FIGs mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical parts are provided with the same reference numerals in all FIGS.

Eine Gasturbine 101, wie in FIG 1 dargestellt, ist eine Strömungsmaschine. Sie weist einen Verdichter 102 für Verbrennungsluft, eine Brennkammer 104 sowie eine Turbineneinheit 106 zum Antrieb des Verdichters 102 und eines nicht dargestellten Generators oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbineneinheit 106 und der Verdichter 102 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 108 angeordnet, mit der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist, und die um ihre Mittelachse 109 drehbar gelagert ist. Diese Einheiten bilden den Rotor der Gasturbine 101. Die in der Art einer Ringbrennkammer ausgeführte Brennkammer 104 ist mit einer Anzahl von Brennern 110 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt.A gas turbine 101, as in FIG. 1 is a turbomachine. It has a compressor 102 for combustion air, a combustion chamber 104 and a turbine unit 106 for driving the compressor 102 and a generator, not shown, or a working machine. For this purpose, the turbine unit 106 and the compressor 102 are arranged on a common turbine shaft 108, also referred to as a turbine runner, to which the generator or the working machine is also connected and which is rotatably mounted about its central axis 109. These units form the rotor of the gas turbine 101. The combustion chamber 104, which is designed in the manner of an annular combustion chamber, is equipped with a number of burners 110 for the combustion of a liquid or gaseous fuel.

Die Turbineneinheit 106 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 108 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 112 auf. Die Laufschaufeln 112 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 108 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelkränzen oder -reihen. Weiterhin umfasst die Turbineneinheit 106 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 114, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Leitschaufelträger 116 der Turbineneinheit 106 befestigt sind. Die Laufschaufeln 112 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 108 durch Impulsübertrag vom die Turbineneinheit 106 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 114 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen aufeinander folgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinander folgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 114 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Laufschaufeln 112 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.The turbine unit 106 has a number of rotatable blades 112 connected to the turbine shaft 108. The blades 112 are annularly disposed on the turbine shaft 108 and thus form a number of blade rings or rows. Furthermore, the turbine unit 106 includes a number of stationary vanes 114 which are also annularly attached to a vane support 116 of the turbine unit 106 to form rows of vanes. The blades 112 serve to drive the turbine shaft 108 by momentum transfer from the turbine unit 106 flowing through the working medium M. The vanes 114, however, serve to guide the flow of the working medium M between two seen in the flow direction of the working medium M consecutive blade rows or blade rings. A successive pair of a ring of vanes 114 or a row of vanes and a ring of blades 112 or a blade row is also referred to as a turbine stage.

Jede Leitschaufel 114 weist eine Plattform 118 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 114 an einem Leitschaufelträger 116 der Turbineneinheit 106 als Wandelement angeordnet ist. Die Plattform 118 ist dabei ein thermisch vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung eines Heißgaskanals für das die Turbineneinheit 106 durchströmende Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 112 ist in analoger Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 119 an der Turbinenwelle 108 befestigt.Each vane 114 has a platform 118 arranged to fix the respective vane 114 to a vane support 116 of the turbine unit 106 as a wall member. The platform 118 is a thermally comparatively heavily loaded component, which forms the outer boundary of a hot gas channel for the turbine unit 106 flowing through the working medium M. Each blade 112 is fastened to the turbine shaft 108 in an analogous manner via a platform 119, also referred to as a blade root.

Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 118 der Leitschaufeln 114 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Ringsegment 121 an einem Leitschaufelträger 1 der Turbineneinheit 106 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Ringsegments 121 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbineneinheit 106 durchströmenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende der ihm gegenüber liegenden Laufschaufeln 112 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Ringsegmente 121 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die das Innengehäuse im Leitschaufelträger 116 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 106 durchströmende heiße Arbeitsmedium M schützen.Between the spaced-apart platforms 118 of the guide vanes 114 of two adjacent rows of guide vanes, a ring segment 121 is respectively arranged on a guide vane carrier 1 of the turbine unit 106. The outer surface of each ring segment 121 is also exposed to the hot, the turbine unit 106 flowing through the working medium M and spaced in the radial direction from the outer end of the opposed blades 112 through a gap. The arranged between adjacent rows of stator ring segments 121 serve in particular as cover that protect the inner housing in the guide blade carrier 116 or other housing-mounting components from thermal overload by the turbine 106 flowing through the hot working medium M.

Die Brennkammer 104 ist im Ausführungsbeispiel als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 108 herum angeordneten Brennern 110 in einen gemeinsamen Brennkammerraum münden. Dazu ist die Brennkammer 104 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 108 herum positioniert ist.The combustion chamber 104 is configured in the exemplary embodiment as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of burners 110 arranged around the turbine shaft 108 in the circumferential direction open into a common combustion chamber space. For this purpose, the combustion chamber 104 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the turbine shaft 108 around.

Um nun eine bessere Vorhersage über die Lebensdauer des Rotors und die notwendigen eventuellen Vorheizzeiten zu ermöglichen, ist die Gasturbine 101 für eine Temperaturmessung im Rotor ausgelegt. Dies ist in FIG 2 gezeigt, die einen vergrößerten Schnitt durch den Rotor der Gasturbine 101 darstellt.In order to enable a better prediction over the lifetime of the rotor and the necessary possible preheating times, the gas turbine 101 is for a temperature measurement in the Rotor designed. This is in FIG. 2 showing an enlarged section through the rotor of the gas turbine 101.

Gezeigt ist hier der detailliertere Aufbau des Rotors im axialen Schnitt: Die bereits beschriebenen Laufschaufeln 114 der Turbineneinheit 106 sind mit den Plattformen 119 pro Laufschaufelreihe jeweils an einer Rotorscheibe 122 befestigt. Die Rotorscheiben 122 sind auf einem Zuganker 124 befestigt. In den Randbereich der Zugankers 124 ist eine in axialer Richtung verlaufende Nut 126 eingebracht. In der Nut 126 liegt ein Rohr 128. Nut 126 und Rohr 128 erstrecken sich in axialer Richtung von dem temperaturmäßig zu messenden, thermisch vergleichsweise am höchsten belasteten Bereich 130 bis zu einer in axialer Richtung von der Brennkammer 104 entfernt angeordneten Temperaturmesseinrichtung 134, die zur Infrarotmessung der Temperatur ausgestaltet ist.Shown here is the more detailed structure of the rotor in axial section: The blades 114 of the turbine unit 106 already described are attached to the platforms 119 per blade row each on a rotor disk 122. The rotor disks 122 are mounted on a tie rod 124. In the edge region of the tie rod 124 has a groove 126 extending in the axial direction is introduced. In the groove 126 is a tube 128. Groove 126 and pipe 128 extend in the axial direction of the thermally comparatively measured, thermally comparatively highest loaded area 130 to a remote from the combustion chamber 104 in the axial direction of temperature measuring device 134, the infrared measurement the temperature is designed.

In FIG 3 ist der Bereich 130 vergrößert dargestellt. Hier ist erkennbar, dass im Ende des Rohres 128 im Bereich 130 ein Infrarotspiegel 136 angeordnet ist. Die durch eine Öffnung 138 in radialer Richtung von den Rotorscheiben 122 eintretende Infrarot-Wärmestrahlung wird durch den Infrarotspiegel in axiale Richtung umgeleitet und erreicht durch das Rohr 128 die Temperaturmesseinrichtung 134.In FIG. 3 the area 130 is shown enlarged. Here it can be seen that in the end of the tube 128 in the region 130, an infrared mirror 136 is arranged. The infrared heat radiation entering through an opening 138 in the radial direction from the rotor disks 122 is redirected in the axial direction by the infrared mirror and reaches the temperature measuring device 134 through the pipe 128.

FIG 4 und FIG 5 zeigen einen radialen Schnitt durch den Zuganker 124 zur Verdeutlichung der Form und Lage der Nut 126 und des Rohrs 128. Die Nut 126 ist in einen Randbereich des Zugankers 124 eingebracht. Die vergrößerte Darstellung in FIG 5 zeigt die Schwalbenschwanzform der Nut 126, so dass das darin liegende Rohr 128 durch die Zentrifugalkraft bei Rotation des Zugankers 124 in der Nut 126 fixiert wird. 4 and FIG. 5 show a radial section through the tie rod 124 to illustrate the shape and position of the groove 126 and the tube 128. The groove 126 is inserted into an edge region of the tie rod 124. The enlarged view in FIG. 5 shows the dovetail shape of the groove 126, so that the tube 128 therein is fixed by the centrifugal force upon rotation of the tie rod 124 in the groove 126.

Durch die Temperaturmessung wird einerseits die Anfahrzeit der Gasturbine 101 reduziert. Andererseits stehen Temperaturdaten des Rotors zur Verfügung, was besonders genaue Vorhersagen hinsichtlich der Lebensdauer der Gasturbine 101 ermöglicht.On the one hand, the startup time of the gas turbine 101 is reduced by the temperature measurement. On the other hand, temperature data of the rotor are available, which allows particularly accurate predictions regarding the service life of the gas turbine 101.

Claims

Turbomachine (101) with a rotor,
wherein a groove (126) inserted into a rotor component (124) extends from a region (130) of the rotor in the axial direction, at the end of which a contactless temperature measuring device (134) is arranged.

Turbomachine (101) according to claim 1,
wherein the region (130) of the rotor is the region (130) that is subjected to the highest thermal stress in comparison to other regions.

Turbomachine (101) according to one of the preceding claims,
in which the temperature measuring device (134) is designed as an infrared temperature measuring device (134).

Turbomachine (101) according to claim 3,
wherein an infrared mirror (136) is disposed in the groove (126) in the region (130) of the rotor.

Turbomachine (101) according to one of the preceding claims,
in which a tube is arranged in the groove (126).

Turbomachine (101) according to claim 5,
in which the groove (126) is designed in dovetail shape.

Turbomachine (101) according to one of the preceding claims,
wherein the rotor component (124) is a tie rod (124).

Turbomachine (101) according to one of the preceding claims,
which is designed as a gas turbine (101).

Power plant with a turbomachine (101) according to one of the preceding claims.