EP2870439A2 - Method for monitoring the operation of a gas turbine - Google Patents

Method for monitoring the operation of a gas turbine

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Publication number
EP2870439A2
EP2870439A2 EP13745023.5A EP13745023A EP2870439A2 EP 2870439 A2 EP2870439 A2 EP 2870439A2 EP 13745023 A EP13745023 A EP 13745023A EP 2870439 A2 EP2870439 A2 EP 2870439A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas turbine
signal
component
acceleration sensor
oscillation period
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13745023.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Böttcher
Peter Kaufmann
Tobias Krieger
Jaap Van Kampen
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 Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2870439A2 publication Critical patent/EP2870439A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00—Testing of engines
    • G01M15/14—Testing gas-turbine engines or jet-propulsion engines
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G01H1/003—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H17/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves, not provided for in the preceding groups

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring the operation of a gas turbine, wherein component vibrations are detected by an acceleration sensor arranged on the component during operation of the gas turbine, and the signal forwarded by the acceleration sensor is detected by means of a plurality of frequency bands determined.
  • Vibrations occur with an amplitude exceeding the associated limit, a warning is displayed to the gas turbine operator and, if necessary, an emergency shutdown of the gas turbine performed to the combustion chambers To protect against the component damaging vibrations.
  • the skilled person calls this shutdown as "Trip”.
  • combustion chambers in particular hardened annular combustion chambers, are subjected to a visual inspection at regular time intervals during an inspection. This should be detected early on such defects. In the presence of defects then the damaged components or components are replaced.
  • the visual inspection of the gas turbine requires downtime, which reduces the availability of the gas turbine.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for monitoring the operation of a gas turbine, in which previously unnecessary stoppages of the gas turbine for visual inspections can be avoided.
  • the method according to the invention for monitoring the operation of a gas turbine in which component vibrations are detected by an acceleration sensor arranged on the component during operation of the gas turbine and that from a signal representing the accelerations, which is located on the signal from the Acceleration sensor forwarded signal is divided by a frequency band or by means of several frequency bands in a signal section (s), provides that a total oscillation period is determined by a count of those time intervals in which the largest amplitudes in individual signal sections are greater than an associated frequency band specific limit.
  • the component is preferably designed as a combustion chamber, so that combustion chamber oscillations and / or combustion chamber accelerations are detected by the sensor arranged thereon.
  • the signal provided by the sensor is then processed by means of a Fourier transformation at short time intervals-which are generally less than one second-and then further processed as a signal representing the accelerations for this short time interval.
  • the counter is compared with a limit value or the total vibration duration with a total vibration duration limit value and, when the overall vibration duration limit value is exceeded, an inspection of the gas turbine, maintenance of the gas turbine and / or replacement of gas turbine components is performed.
  • FIG. 1 shows a stationary gas turbine 10 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 10 has inside a rotatably mounted about an axis of rotation 12 rotor 14, which is also referred to as a turbine runner.
  • a turbine runner Along the rotor 14 successive an intake housing 16, a Axialturbover Noticer 18, a toroidal annular combustion chamber 20 with a plurality of rotationally symmetrical mutually arranged burners 22, a turbine unit 24 and a turbine outlet housing 26th
  • the axial turbo-compressor 18 comprises an annularly shaped compressor channel 25 with compressor stages of rotor blade and guide blade rings which follow one another in cascade.
  • the rotor blades 14 arranged on the blades 27 lie with their free-ending blade tips 29 a outer channel wall 42 of the compressor passage 25 opposite.
  • the compressor channel 25 opens via a
  • Compressor outlet diffuser 36 in a plenum 38 therein, the annular combustion chamber 20 is provided with its combustion chamber 28, which communicates with an annular hot gas channel 30 of the turbine unit 24. In the turbine unit 24 four successive turbine stages 32 are arranged. On the rotor 14, a generator or a working machine (each not shown) is coupled.
  • the axial turbocharger 18 draws in ambient air 34 through the intake housing 16 as a medium to be compressed and compresses it.
  • the compressed air is guided through the compressor outlet diffuser 36 into the plenum 38, from where it flows into the burner 22.
  • Fuel also passes into the combustion space 28 via the burners 22. There, the fuel is burned to a hot gas M with the addition of the compressed air.
  • the hot gas M then flows into the hot gas duct 30, where it relaxes to perform work on the turbine blades of the turbine unit 24.
  • the signal section occurring in the frequency band fb 34 has the greatest amplitude for the acceleration of the annular combustion chamber 20 as a component of the gas turbine 10 to be monitored.
  • the conditioned signal 39 does not have to be completely divided into immediately successive signal sections.
  • a total vibration duration should be determined.
  • the signal section of a frequency band or the respective signal sections of a plurality of frequency bands of the time-varying conditioned signal 39 of the acceleration sensor 40 is continuously monitored. If the amplitude (n) of the respective signal sections currently occurring in the frequency band fb or in the several frequency bands fb is greater than a frequency band-specific limit value GW, the time duration for which the amplitudes of the meeting signal sections are greater than the associated frequency band-specific limit value GW, the total oscillation added up. This applies to every considered frequency band fb.
  • the invention is based on the recognition that not every greater amplitude of an acceleration of the monitored component - usually the annular combustion chamber 20 - is detrimental to the component in question, remain some signal portions of the processed signal 39 of the acceleration sensor 40, which are therefore outside the frequency bands fb, disregarded.

Abstract

The invention relates to a method for monitoring the operation of a gas turbine 10, in which component vibrations are detected during the operation of the gas turbine 10 by an acceleration sensor 40 arranged on the component, a plurality of signal sections being determined by means of a plurality of frequency bands fb from the signal 39 forwarded and processed by the acceleration sensor 40. To avoid an unnecessary shutdown of the gas turbine 10 to perform an inspection which subsequently proves unnecessary, thereby increasing the availability of the gas turbine 10, the invention proposes determining a total vibration period by adding together the vibration periods of signal sections during which the amplitudes of the signal sections concerned are greater than a frequency band-specific threshold.

Description

Beschreibung description
Verfahren zum Überwachen des Betriebs einer Gasturbine Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Betriebs einer Gasturbine, bei dem während des Betriebs der Gasturbine Bauteilschwingungen durch einen am Bauteil angeordneten Beschleunigungssensor erfasst werden und das aus dem vom Beschleunigungssensor weitergeleitete Signal mittels meh- rerer Frequenzbänder mehrere Signalabschnitte ermittelt. The invention relates to a method for monitoring the operation of a gas turbine, wherein component vibrations are detected by an acceleration sensor arranged on the component during operation of the gas turbine, and the signal forwarded by the acceleration sensor is detected by means of a plurality of frequency bands determined.
Derartige Überwachungsmethoden sind bei Gasturbinen häufig im Einsatz, da bei der Verbrennung von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen VerbrennungsSchwingungen auftreten können, die den Verbrennungsraum umgebenden Bauteile in Bewegung versetzen können. Die den Verbrennungsraum umgebenden Bauteile werden dabei als Brennkammer bezeichnet, wobei derartige Verbrennungsschwingungen sowohl bei Gasturbinen mit nur einer einzigen ringförmigen Brennkammer auftreten können als auch bei Gasturbinen mit mehreren über den Umfang gleichmäßig verteilte rohrförmigen Brennkammern. Diese rohrförmigen Brennkammern sind im Englischen als „cans" bezeichnet. Die Beschleunigungssensoren liefern ein Signal, welches einerseits die Größe der Beschleunigung und andererseits ein Frequenz - Spektrum der Brennkammerbeschleunigungen wiedergeben. Such monitoring methods are often used in gas turbines, since in the combustion of gaseous and liquid fuels combustion vibrations can occur, which can put the combustion chamber surrounding components in motion. The components surrounding the combustion chamber are referred to as a combustion chamber, wherein such combustion vibrations can occur both in gas turbines with only a single annular combustion chamber as well as gas turbines with several evenly distributed over the circumference tubular combustion chambers. These tubular combustion chambers are referred to as "cans." The acceleration sensors provide a signal which, on the one hand, represents the magnitude of the acceleration and, on the other hand, a frequency spectrum of the combustion chamber accelerations.
Beim Stand der Technik wird das kontinuierliche Zeitsignal in kurzen Zeitabständen - beispielsweise kleiner eine Sekunde - mittels einer Fourier-Transformation in ein diskretes Fre- quenzsignal, das ein entsprechendes Zeitintervall repräsentiert, aufbereitet. Das so ermittelte Frequenzspektrum des aufbereiteten Signals wird dann in mehrere Frequenzbänder unterteilt und für jedes Frequenzband ein individueller Grenzwert festgelegt . Sofern innerhalb eines Frequenzbandes In the prior art, the continuous time signal is processed at short time intervals-for example, less than one second-by means of a Fourier transformation into a discrete frequency signal, which represents a corresponding time interval. The thus determined frequency spectrum of the processed signal is then divided into several frequency bands and set an individual limit for each frequency band. If within a frequency band
Schwingungen mit einer Amplitude auftreten, die den zugehörigen Grenzwert überschreitet, wird eine Warnung dem Gasturbinenbetreiber angezeigt und falls erforderlich, eine Notabschaltung der Gasturbine durchgeführt, um die Brennkammern vor das Bauteil schädigenden Schwingungen zu schützen. Der Fachmann bezeichnet diese Abschaltung als „Trip". Vibrations occur with an amplitude exceeding the associated limit, a warning is displayed to the gas turbine operator and, if necessary, an emergency shutdown of the gas turbine performed to the combustion chambers To protect against the component damaging vibrations. The skilled person calls this shutdown as "Trip".
Dennoch können auch diejenigen Beschleunigungen der Brennkam- mer, die keinen „Trip" auslösen, zu strukturmechanischen Beschädigungen führen. Bei mit keramischen Hitzeschildsteinen ausgekleideten Ringbrennkammern dann können Risse in den Steinen auftreten, was deren Stabilität und Integrität negativ beeinflusst. Zudem können Folgeschäden auftreten bei- spielsweise in Form von Verzunderung an der Tragstruktur der Steine durch Heißgaseinzug in die Risse. Nevertheless, even those accelerations of the combustion chamber that do not trigger a "trip" can lead to structural mechanical damage.For ring heat chambers lined with ceramic heat-shield bricks, cracks can occur in the bricks, which negatively influences their stability and integrity. For example, in the form of scaling on the support structure of the stones by hot gas in the cracks.
Aus diesem Grunde werden Brennkammern, insbesondere besteinte Ringbrennkammern, in regelmäßigen Zeitintervallen während ei- ner Inspektion einer Sichtkontrolle unterzogen. Damit sollen derartige Mängel frühzeitig festgestellt werden. Bei Vorhandensein der Mängel werden dann die beschädigten Komponenten bzw. Bauteile ausgetauscht. Die Sichtkontrolle der Gasturbine erfordert jedoch Stillstandzeiten, die die Verfügbarkeit der Gasturbine reduzieren. For this reason, combustion chambers, in particular hardened annular combustion chambers, are subjected to a visual inspection at regular time intervals during an inspection. This should be detected early on such defects. In the presence of defects then the damaged components or components are replaced. However, the visual inspection of the gas turbine requires downtime, which reduces the availability of the gas turbine.
Es hat sich gezeigt, dass auch Sichtkontrollen durchgeführt werden, ohne dass ein Schadensbefund notiert wird. In diesem Fall wurde die Sichtkontrolle unnötiger Weise durchgeführt. It has been shown that visual inspections are also carried out without a damage finding being noted. In this case, the visual inspection was carried out unnecessarily.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens zur Überwachung des Betriebs einer Gasturbine, bei dem bisher unnötige Stillstände der Gasturbine für Sichtkontrollen vermieden werden können. The object of the invention is therefore to provide a method for monitoring the operation of a gas turbine, in which previously unnecessary stoppages of the gas turbine for visual inspections can be avoided.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . The object underlying the invention is achieved by a method according to the features of claim 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen des Betriebs einer Gasturbine, bei dem während des Betriebs der Gasturbine Bauteilschwingungen durch einen am Bauteil angeordneten Beschleunigungssensor erfasst werden und das aus einem die Beschleunigungen repräsentierenden Signal, welches auf dem vom Beschleunigungssensor weitergeleiteten Signals basiert, mittels eines Frequenzbands oder mittels mehrerer Frequenzbänder in einen Signalabschnitt bzw. mehrere Signalabschnitt (e) unterteilt wird, sieht vor, dass eine Gesamtschwingungsdauer ermittelt wird durch eine Zählung derjenigen Zeitintervalle, in denen die größten Amplituden in einzelnen Signalabschnitte größer sind als ein zugehöriger frequenzbandspezifischer Grenzwert. Vorzugsweise ist das Bauteil als Brennkammer ausgebildet, so dass vom daran angeordneten Sensor Brennkammer- Schwingungen und/oder Brennkammerbeschleunigungen erfasst werden. Das vom Sensor bereitgestellte Signal wird dann mittels einer Fourier-Transformation in kurzen Zeitabständen - die in der Regel kleiner als eine Sekunde sind - aufbereitet und als ein die Beschleunigungen für dieses kurze Zeitinter- vall repräsentierendes Signal anschließend weiterverarbeitet. The method according to the invention for monitoring the operation of a gas turbine, in which component vibrations are detected by an acceleration sensor arranged on the component during operation of the gas turbine and that from a signal representing the accelerations, which is located on the signal from the Acceleration sensor forwarded signal is divided by a frequency band or by means of several frequency bands in a signal section (s), provides that a total oscillation period is determined by a count of those time intervals in which the largest amplitudes in individual signal sections are greater than an associated frequency band specific limit. The component is preferably designed as a combustion chamber, so that combustion chamber oscillations and / or combustion chamber accelerations are detected by the sensor arranged thereon. The signal provided by the sensor is then processed by means of a Fourier transformation at short time intervals-which are generally less than one second-and then further processed as a signal representing the accelerations for this short time interval.
Vom aufbereiteten Signal wird frequenzbandabhängig durch eine mit der Schwingungsdauer gewichtete Zählung entsprechender Zeitintervalle eine Gesamtschwingungsdauer ermittelt. Unab- hängig davon, ob die Zeitintervalle gezählt werden oder eine Gesamtschwingungsdauer ermittelt wird, werden nur diejenigen Zeitintervalle berücksichtigt, bei denen Amplituden innerhalb der schadbringenden Frequenzbänder auftreten, die größer als der zugehörige frequenzbandspezifische Grenzwert sind. Diese frequenzbandspezifischen Grenzwerte können im Vergleich zu den einen „Trip" auslösenden Grenzwerten kleiner sein. Auch ist möglich, dass alle Grenzwerte der Frequenzbänder gleich groß sind. Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, dass nicht jede eine vergleichsweise große Amplitude aufweisende Frequenz schädlich für das schwingende Bauteil und deren Nachbarbauteile ist. Insofern liefert die Erfindung eine Lösung, derartige Amplituden herauszufiltern . From the processed signal, a total oscillation period is determined as a function of the frequency band by a count of corresponding time intervals weighted by the oscillation period. Regardless of whether the time intervals are counted or a total duration of oscillation is determined, only those time intervals are considered at which amplitudes within the harmful frequency bands occur that are greater than the associated frequency band-specific limit. It is also possible that all limit values of the frequency bands are the same size. The invention is therefore based on the finding that not every frequency having a comparatively large amplitude is detrimental to the frequency In this respect, the invention provides a solution to filter out such amplitudes.
Um vorzugsweise nicht vorzeitig eine maximal zulässige Gesamtschwingungsdauer bzw. einen Zähl -Grenzwert zu erreichen, ist vorgesehen, dass aus dem aufbereiten Signal einige Sig- nalabschnitte ausgewählt werden, in welchen auf Dauer schadenbringende Amplituden auftreten können. Mit anderen Worten: es werden bei der Erfindung diejenigen Frequenzbänder nicht berücksichtigt, deren Frequenzen trotz vergleichsweiser gro- ßer Amplituden die Gasturbinenbauteile nicht schädigen. In order preferably not to prematurely reach a maximum permissible total oscillation period or a count limit value, it is provided that some signals from the processed signal nalabschnitte be selected in which permanent damage-causing amplitudes may occur. In other words: in the invention, those frequency bands are not taken into consideration whose frequencies do not damage the gas turbine components despite comparatively large amplitudes.
Alternativ dazu könnte auch denjenigen Frequenzbändern, in denen unschädliche Frequenzen auftreten, einen Grenzwert zugeordnet werden, der so groß gewählt ist, dass dieser nie er- reicht wird. Insofern wird zu diesen Frequenzbändern nie eine Schwingungsdauer auftreten, die der Gesamtschwingungsdauer hinzuzuaddieren ist. Alternatively, it would also be possible to assign to those frequency bands in which harmless frequencies occur a limit value which is chosen so large that it is never reached. In this respect, no oscillation period will ever occur for these frequency bands, which is to be added to the total oscillation period.
Mit der vorgeschlagenen Lösung können unnötige Stillstände der Gasturbine und daraus resultierende befundlose Inspektionen vermieden werden, was die Verfügbarkeit der Gasturbine erhöhen kann. With the proposed solution, unnecessary stoppages of the gas turbine and resulting ununduted inspections can be avoided, which can increase the availability of the gas turbine.
Mithin werden nur diejenigen Beschleunigungen aufsummiert, die in einem für das Bauteil, insbesondere für die Brennkammer, kritischen Frequenzband liegen. Auftretende Beschleunigungen in anderen unkritischen Frequenzbändern werden erfindungsgemäß nicht berücksichtigt. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Diese können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. Consequently, only those accelerations are summed, which are in a for the component, in particular for the combustion chamber, critical frequency band. Occurring accelerations in other uncritical frequency bands are not considered according to the invention. Advantageous embodiments and further developments of the invention are specified in the dependent claims. These can be combined with each other in any way.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Zähler mit einem Grenzwert oder die Gesamtschwingungsdauer mit einem Gesamtschwingungsdauer-Grenzwert verglichen und bei Überschreitung des Gesamtschwingungsdauer-Grenzwerts eine Inspektion der Gasturbine, eine Wartung der Gasturbine und/oder ein Austausch von Gasturbinenbauteilen durchgeführt. In accordance with an advantageous embodiment of the invention, the counter is compared with a limit value or the total vibration duration with a total vibration duration limit value and, when the overall vibration duration limit value is exceeded, an inspection of the gas turbine, maintenance of the gas turbine and / or replacement of gas turbine components is performed.
Eine Vorrichtung zum Überwachen des Betriebs einer Gasturbine und zur Durchführung des Verfahrens umfasst somit zumindest einen Beschleunigungssensor zur Erfassung einer Beschleuni- gung eines durch Schwingungen zum Schwingen anregbaren Bauteils der Gasturbine und eine Berechnungseinheit zur Berechnung einer Gesamtschwingungsdauer durch Aufsummierung der Schwingungsdauer des schwingenden Bauteils, wobei die Aufsum- mierung frequenzbandabhängig erfolgt . A device for monitoring the operation of a gas turbine and for carrying out the method thus comprises at least one acceleration sensor for detecting an acceleration Supply of a vibratable by vibrations to vibrate component of the gas turbine and a calculation unit for calculating a total vibration duration by summing the period of oscillation of the vibrating component, wherein the cumulation occurs frequency band-dependent.
Die sich für die Vorrichtung ergebenden Vorteile sind analog zu dem erfindungsgemäßen Verfahren. Vorzugsweise ist die Vorrichtung geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. The advantages resulting for the device are analogous to the method according to the invention. Preferably, the device is suitable for carrying out the method according to the invention.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind in der Figurenbeschreibung angegeben. Es zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. Further advantages and features of the invention are given in the description of the figures. Show it:
FIG 1 einen Längs-Teil-Querschnitt durch eine stationäre 1 shows a longitudinal partial cross section through a stationary
Gasturbine,  Gas turbine,
FIG 2 das Frequenzspektrum eines von einem Beschleunigungssensor zum Zeitpunkt t = t0 erfassten Signals 2 shows the frequency spectrum of a signal detected by an acceleration sensor at time t = t 0
Figur 1 zeigt eine stationäre Gasturbine 10 in einem Längsteilschnitt. Die Gasturbine 10 weist im Innern einen um eine Rotationsachse 12 drehgelagerten Rotor 14 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 14 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 16, ein Axialturboverdichter 18, eine torusartige Ringbrennkammer 20 mit mehreren rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Brennern 22, eine Turbineneinheit 24 und ein Turbinenausgangsgehäuse 26. FIG. 1 shows a stationary gas turbine 10 in a longitudinal partial section. The gas turbine 10 has inside a rotatably mounted about an axis of rotation 12 rotor 14, which is also referred to as a turbine runner. Along the rotor 14 successive an intake housing 16, a Axialturboverdichter 18, a toroidal annular combustion chamber 20 with a plurality of rotationally symmetrical mutually arranged burners 22, a turbine unit 24 and a turbine outlet housing 26th
Der Axialturboverdichter 18 umfasst einen ringförmig ausge- bildeten Verdichterkanal 25 mit darin kaskadisch aufeinanderfolgenden Verdichterstufen aus Laufschaufei- und Leitschaufelkränzen. Die am Rotor 14 angeordneten Laufschaufeln 27 liegen mit ihren frei endenden Schaufelblattspitzen 29 einer äußeren Kanalwand 42 des Verdichterkanals 25 gegenüber. Der Verdichterkanal 25 mündet über einen The axial turbo-compressor 18 comprises an annularly shaped compressor channel 25 with compressor stages of rotor blade and guide blade rings which follow one another in cascade. The rotor blades 14 arranged on the blades 27 lie with their free-ending blade tips 29 a outer channel wall 42 of the compressor passage 25 opposite. The compressor channel 25 opens via a
Verdichterausgangsdiffusor 36 in einem Plenum 38. Darin ist die Ringbrennkammer 20 mit ihrem Verbrennungsraum 28 vorgese- hen, der mit einem ringförmigen Heißgaskanal 30 der Turbineneinheit 24 kommuniziert. In der Turbineneinheit 24 sind vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 32 angeordnet. Am Rotor 14 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (jeweils nicht dargestellt) angekoppelt.  Compressor outlet diffuser 36 in a plenum 38. Therein, the annular combustion chamber 20 is provided with its combustion chamber 28, which communicates with an annular hot gas channel 30 of the turbine unit 24. In the turbine unit 24 four successive turbine stages 32 are arranged. On the rotor 14, a generator or a working machine (each not shown) is coupled.
Im Betrieb der Gasturbine 10 saugt der Axialturboverdichter 18 durch das Ansauggehäuse 16 als zu verdichtendes Medium Umgebungsluft 34 an und verdichtet diese. Die verdichtete Luft wird durch den Verdichterausgangsdiffusor 36 in das Plenum 38 geführt, von wo aus es in die Brenner 22 einströmt. Über die Brenner 22 gelangt auch Brennstoff in den Verbrennungsraum 28. Dort wird der Brennstoff unter Zugabe der verdichteten Luft zu einem Heißgas M verbrannt . Das Heißgas M strömt anschließend in den Heißgaskanal 30, wo es sich arbeitsleistend an den Turbinenschaufeln der Turbineneinheit 24 entspannt.During operation of the gas turbine 10, the axial turbocharger 18 draws in ambient air 34 through the intake housing 16 as a medium to be compressed and compresses it. The compressed air is guided through the compressor outlet diffuser 36 into the plenum 38, from where it flows into the burner 22. Fuel also passes into the combustion space 28 via the burners 22. There, the fuel is burned to a hot gas M with the addition of the compressed air. The hot gas M then flows into the hot gas duct 30, where it relaxes to perform work on the turbine blades of the turbine unit 24.
Die währenddessen freigesetzte Energie wird vom Rotor 14 aufgenommen und einerseits zum Antrieb des Axialturboverdichters 18 und andererseits zum Antrieb einer Arbeitsmaschine oder elektrischen Generators genutzt. The energy released during this time is absorbed by the rotor 14 and used on the one hand to drive the axial turbocharger 18 and on the other hand to drive a working machine or electric generator.
An der Ringbrennkammer 20 ist mindestens ein Beschleunigungssensor 40 zur Erfassung der Beschleunigung der Ringbrennkammer 20 angeordnet. Es können auch mehrere Sensoren 40 vorgesehen sein, aus denen entweder ein resultierendes Signal er- mittelt wird oder deren Signale separat entsprechend der Erfindung verarbeitet werden. Das und/oder die Sensor-Signale werden mittels einer schnellen Fourier-Transformation in Echtzeit aufbereitet und als diskrete Frequenzsignale 39 weiter verarbeitet. Diese Frequenzsignale werden nachfolgend als aufbereitete Signale 39 bezeichnet. At least one acceleration sensor 40 for detecting the acceleration of the annular combustion chamber 20 is arranged on the annular combustion chamber 20. Several sensors 40 can also be provided, from which either a resulting signal is determined or the signals of which are processed separately according to the invention. The and / or the sensor signals are processed in real time by means of a fast Fourier transformation and further processed as discrete frequency signals 39. These frequency signals are referred to below as conditioned signals 39.
FIG 2 zeigt das aufbereitete Signal 39 des Beschleunigungssensors 40 zum Zeitpunkt t = t0, der das entsprechende Zeit- intervall repräsentiert. Gleichzeitig sind im Diagramm mehrere Grenzfrequenzen fi mit i=l...n dargestellt. Im Ausführungsbeispiel existieren insgesamt sieben Grenzfrequenzen fi bis f7. Mit Hilfe der Grenzfrequenzen fi mit i=l...n können n-1 Frequenzbänder fbi,i+i definiert werden. Die Frequenzbänder fb erhalten die entsprechenden Indizes der Grenzfrequenzen, so dass beispielsweise das Frequenzband fb34 zwischen den beiden Grenzfrequenz f3 und f4 liegt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der im Frequenzband fb34 auftretende Signalab- schnitt die größte Amplitude für die Beschleunigung der Ringbrennkammer 20 als zu überwachendes Bauteil der Gasturbine 10 auf. Selbstverständlich muss das aufbereitete Signal 39 nicht vollständig in unmittelbar aufeinander folgende Signalabschnitte aufgeteilt werden. Selbstverständlich besteht die Möglichkeit auch nur einzelne, voneinander beabstandete Frequenzbänder fb vorzusehen und somit einzelne, voneinander beabstandete Signalabschnitte zu überwachen. Ein Beispiel hierfür wäre die alleinige Verwendung von zwei Frequenzbändern, beispielsweise fbi2 und fb34, für das erfindungsgemäße Verfahren. FIG. 2 shows the processed signal 39 of the acceleration sensor 40 at the time t = t 0 , which determines the corresponding time interval. represents interval. At the same time, several limit frequencies fi with i = 1... N are shown in the diagram. In the exemplary embodiment, a total of seven limit frequencies fi to f7 exist. With the help of the cutoff frequencies fi with i = l ... n n-1 frequency bands fbi, i + i can be defined. The frequency bands fb receive the corresponding indices of the cutoff frequencies, so that, for example, the frequency band fb 3 4 lies between the two cutoff frequencies f 3 and f 4 . In the exemplary embodiment shown, the signal section occurring in the frequency band fb 34 has the greatest amplitude for the acceleration of the annular combustion chamber 20 as a component of the gas turbine 10 to be monitored. Of course, the conditioned signal 39 does not have to be completely divided into immediately successive signal sections. Of course, it is also possible to provide only individual, spaced-apart frequency bands fb and thus to monitor individual, spaced-apart signal sections. An example of this would be the sole use of two frequency bands, for example fb i2 and fb 3 4, for the method according to the invention.
Der Vollständigkeit halber ist für jedes im Ausführungsbeispiel dargestellte Frequenzband fbi,i+i für i = 1...6 ein Grenzwert GW im Diagramm nach FIG 2 dargestellt. Entsprechend der Indizierung für die Frequenzbänder fb existieren somit sieben Grenzwerte für i = 1...6. Diese Grenzwerte GW können unterschiedlich groß sein. For the sake of completeness, a limit value GW in the diagram according to FIG. 2 is shown for each frequency band fbi, i + i shown in the exemplary embodiment for i = 1. According to the indexing for the frequency bands fb, there are thus seven limit values for i = 1 ... 6. These limit values GW can vary in size.
Gemäß dem bevorzugten Verfahren soll eine Gesamtschwingungs- dauer ermittelt werden. Bei der Ermittlung der Gesamtschwin- gungsdauer wird der Signalabschnitt eines Frequenzbandes oder die jeweiligen Signalabschnitte mehrerer Frequenzbänder des zeitlich variierenden aufbereiteten Signals 39 des Beschleunigungssensors 40 kontinuierlich überwacht. Sofern die in dem Frequenzband fb bzw. in den mehreren Frequenzbändern fb aktuell auftretenden Amplitude (n) der betreffenden Signalabschnitte größer sind als ein frequenzbandspezifischer Grenzwert GW, wird die Zeitdauer, für die die Amplituden der be- treffenden Signalabschnitte größer sind als der zugehörige frequenzbandspezifische Grenzwert GW, der Gesamtschwingungs- dauer aufaddiert. Dies gilt für jedes betrachtete Frequenzband fb . According to the preferred method, a total vibration duration should be determined. In determining the total oscillation period, the signal section of a frequency band or the respective signal sections of a plurality of frequency bands of the time-varying conditioned signal 39 of the acceleration sensor 40 is continuously monitored. If the amplitude (n) of the respective signal sections currently occurring in the frequency band fb or in the several frequency bands fb is greater than a frequency band-specific limit value GW, the time duration for which the amplitudes of the meeting signal sections are greater than the associated frequency band-specific limit value GW, the total oscillation added up. This applies to every considered frequency band fb.
Da der Erfindung die Erkenntnis zugrunde liegt, dass nicht jede größere Amplitude einer Beschleunigung des überwachten Bauteils - zumeist der Ringbrennkammer 20 - schädlich für das betreffende Bauteil ist, bleiben einige Signalabschnitte des aufbereiteten Signals 39 des Beschleunigungssensors 40, die folglich außerhalb der Frequenzbänder fb liegen, unberücksichtigt . Since the invention is based on the recognition that not every greater amplitude of an acceleration of the monitored component - usually the annular combustion chamber 20 - is detrimental to the component in question, remain some signal portions of the processed signal 39 of the acceleration sensor 40, which are therefore outside the frequency bands fb, disregarded.
Die Nicht-Berücksichtigung eines nicht schadenbringenden Fre- quenzbands fb könnte auch dadurch erreicht werden, dass dessen Grenzwert GW auf einen derart großen Wert festgesetzt wird, welcher beim Betrieb der Gasturbine 10 physikalisch nie erreicht wird. Weiter ist vorgesehen, dass die Gesamtschwingungsdauer mit einem Gesamtschwingungsdauer-Grenzwert verglichen wird und wenn die Gesamtschwingungsdauer den Gesamtschwingungsdauer- Grenzwert überschreitet eine Inspektion der Gasturbine 10, eine Wartung der Gasturbine 10 und/oder ein Austausch von Gasturbinenbauteilen durchgeführt werden. The non-consideration of a non-damaging frequency band fb could also be achieved by setting its limit value GW to such a large value that is never physically achieved during operation of the gas turbine 10. It is further provided that the total vibration duration is compared with a total vibration duration limit value and when the total vibration duration exceeds the total vibration duration limit, an inspection of the gas turbine 10, a maintenance of the gas turbine 10 and / or an exchange of gas turbine components are performed.
Insgesamt betrifft die Erfindung somit ein Verfahren zum Überwachen des Betriebs einer Gasturbine 10, bei dem während des Betriebs der Gasturbine 10 Bauteilschwingungen durch ei- nen am Bauteil angeordneten Beschleunigungssensor 40 erfasst werden, und dass aus dem vom Beschleunigungssensor 40 weitergeleiteten und aufbereiteten Signal 39 mittels mehrerer Frequenzbänder fb mehrere Signalabschnitte ermittelt werden. Um ein unnötiges Stillsetzen der Gasturbine 10 zur Durchführung einer im Nachhinein unnötigen Inspektion zu vermeiden und somit die Verfügbarkeit der Gasturbine 10 zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass eine Gesamtschwingungsdauer ermittelt wird durch eine Aufsummierung derjenigen Schwingungsdauern von Signalabschnitten, währenddessen die Amplituden der betreffenden Signalabschnitten größer ist als ein frequenzbandspezifischer Grenzwert sind. Overall, the invention thus relates to a method for monitoring the operation of a gas turbine 10, during which component vibrations are detected by an acceleration sensor 40 disposed on the component during operation of the gas turbine 10, and that from the 39 forwarded by the acceleration sensor 40 and processed signal 39 by means of several Frequency bands fb several signal sections are determined. In order to avoid an unnecessary shutdown of the gas turbine 10 for carrying out an afterwards unnecessary inspection and thus to increase the availability of the gas turbine 10, it is proposed that an overall oscillation period is determined by adding up those oscillation periods of Signal sections, during which the amplitudes of the respective signal sections are greater than a frequency band-specific limit.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Überwachen des Betriebs einer Gasturbine (10), A method of monitoring the operation of a gas turbine (10),
bei dem während des Betriebs der Gasturbine (10) Bauteil - Schwingungen durch einen am Bauteil angeordneten Beschleunigungssensor (40) erfasst werden und  in which during the operation of the gas turbine (10) component vibrations are detected by an acceleration sensor (40) arranged on the component, and
ein die Beschleunigungen repräsentierendes diskretes Fre- quenzsignal (39) basierend auf dem vom Beschleunigungssensor (40) weitergeleiteten Signal mittels eines Frequenzbands (fb) oder mittels mehrerer Frequenzbänder (fb) in einen Signalabschnitt bzw. mehrere Signalabschnitt (e) unterteilt wird,  a discrete frequency signal (39) representing the accelerations is subdivided into a signal section or a plurality of signal sections (e) by means of a frequency band (fb) or by means of a plurality of frequency bands (fb), based on the signal forwarded by the acceleration sensor (40),
wobei das diskrete Frequenzsignal ein entsprechendes Zeitintervall des Signals repräsentiert,  wherein the discrete frequency signal represents a corresponding time interval of the signal,
gekennzeichnet durch den Schritt, dass diejenigen Zeitintervalle von Signalabschnitten gezählt werden, in denen die Amplituden der betreffenden Signalabschnitte größer sind als ein zugehöriger frequenzbandspezifischer Grenzwert (GW) .  characterized by the step of counting those time intervals of signal portions in which the amplitudes of the respective signal portions are greater than an associated frequency band-specific limit value (GW).
2. Verfahren nach Anspruch 1, 2. The method according to claim 1,
bei dem eine Gesamtschwingungsdauer ermittelt wird durch eine mit der Länge des Zeitintervalls gewichtete Zählung entsprechender Zeitintervalle.  in which a total oscillation period is determined by a counting of corresponding time intervals weighted by the length of the time interval.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , 3. The method according to claim 1 or 2,
bei dem eine Berechnungseinheit die Schwingungsdauer mehre- rer Frequenzbänder (fb) des schwingenden Bauteils aufsummiert .  in which a calculation unit adds up the oscillation period of several frequency bands (fb) of the oscillating component.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, 4. The method according to claim 1, 2 or 3,
bei dem der Zähler mit einem Grenzwert oder bei dem die Ge- samtschwingungsdauer mit einem Gesamtschwingungsdauer- in which the counter has a limit value or in which the total oscillation period with a total oscillation period
Grenzwert verglichen wird und bei Überschreitung des Ge- samtschwingungsdauer-Grenzwertes eine Inspektion der Gasturbine (10) , eine Wartung der Gasturbine (10) und/oder ein Austausch von Gasturbinenbauteilen durchgeführt werden. When the total vibration duration limit value is exceeded, an inspection of the gas turbine (10), maintenance of the gas turbine (10) and / or a Exchange of gas turbine components are performed.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, Method according to one of claims 1 to 4,
bei dem eine das Bauteil anregende Schwingung Verbrennungs- Schwingungen sind und das Bauteil aus Brennkammer ausgestaltet ist. in which a vibration exciting the component are combustion vibrations and the component is configured from combustion chamber.
Vorrichtung zum Überwachen des Betriebs einer Gasturbine (10) , Device for monitoring the operation of a gas turbine (10),
mit zumindest einem Beschleunigungssensor (40) zur Erfassung von einer Beschleunigung eines durch Schwingungen zum Schwingen anregbaren Bauteils der Gasturbine (10) und mit einer Berechnungseinheit zur Berechnung einer Gesamtschwin- gungsdauer durch Aufsummierung der Schwingungsdauer des schwingenden Bauteils, with at least one acceleration sensor (40) for detecting an acceleration of a component of the gas turbine (10) that can be excited by oscillations and with a calculation unit for calculating a total vibration duration by summing the oscillation period of the oscillating component,
wobei die Aufsummierung frequenzabhängig erfolgt. the summation is frequency-dependent.
Vorrichtung nach Anspruch 6, Device according to claim 6,
geeignet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5. suitable for carrying out the method according to one of claims 1 to 5.
Gasturbine mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, Gas turbine with a device according to one of claims 6 or 7,
deren Brennkammer das zum Schwingen anregbare Bauteil der Vorrichtung nach Anspruch 6 ist. whose combustion chamber is the oscillatory excitable component of the device according to claim 6.
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