EP3045676A1 - Verfahren zur Vermeidung eines rotierenden Strömungsabrisses - Google Patents

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EP3045676A1
EP3045676A1 EP15150919.7A EP15150919A EP3045676A1 EP 3045676 A1 EP3045676 A1 EP 3045676A1 EP 15150919 A EP15150919 A EP 15150919A EP 3045676 A1 EP3045676 A1 EP 3045676A1
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EP
European Patent Office
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compressor
detecting
rotating stall
gas turbine
detected
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15150919.7A
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English (en)
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Thorsten Engler
Tuncay Karaöz
Maarten Over
Stefano Scuritti
Martin Stapper
Frank Weidner
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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 EP3045676A1 publication Critical patent/EP3045676A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • 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
    • 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
    • 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
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0246—Surge control by varying geometry within the pumps, e.g. by adjusting vanes
    • 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
    • F05D2270/101—Compressor surge or stall
    • 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
    • F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05D2270/301—Pressure

Definitions

  • the invention relates to a method for preventing a rotating stall in an operating state of a compressor for a gas turbine. It further relates to a compressor for a gas turbine.
  • a gas turbine is a turbomachine in which a hot and compressed gas is expanded, converting thermal energy into mechanical energy.
  • the hot gas is produced by combustion of a gaseous or liquid fuel in a combustion chamber, which is further supplied with compressed air from an upstream compressor.
  • the energy obtained is used for example in power plants to drive a generator, wherein a part of the energy is provided in the gas turbine for driving the compressor.
  • the invention is based on the consideration that a more reliable operation of the compressor and the gas turbine could be achieved in that the "rotating stall" is detected early. It was recognized that this can be detected by striking changes in the frequency spectrum of vibrations in the area of the compressor. Therefore, via a corresponding pattern recognition of the incipient rotating stall can be detected and reduced by introducing appropriate countermeasures. An emergency shutdown of the gas turbine is avoided.
  • the above-mentioned operating state in which the "rotating stall" is to be prevented is in an advantageous embodiment of the method, the startup of the compressor.
  • the startup of the compressor In particular, during the starting process of the compressor and the gas turbine, it is necessary that a sufficient air mass flow is available in the combustion chamber and in the turbine. The occurrence of a "rotating stall” would lead here to a termination of the startup process, which can be avoided by the described method.
  • the measured vibration quantity used to detect the "rotating stall" is advantageously an alternating pressure in the area of the compressor.
  • the area of the compressor in which this oscillation variable and in particular the alternating pressure is detected is advantageously a compressor discharge.
  • Such compressor extracts are used to remove compressed air at different pressure levels, which then z. B. is used for cooling.
  • the object is therefore also achieved by the compressor comprises a change-pressure measuring device in a compressor extraction.
  • the at least one alternating pressure at the burner flange, with which the alternating pressure in the combustion chamber region is measured, as well as the detection of the at least one combustion chamber acceleration on the housing provide further measurement data which are used to improve the Detection of a starting "rotating stall" can be used.
  • the detection of the vibration magnitude further advantageously comprises detecting a plurality of frequency bands, i. H. the detected vibration magnitude is z. B. split by means of a Fourier decomposition into their frequency components and analyzed in the frequency domain by means of the aforementioned pattern recognition.
  • the frequency bands are detected by 40 Hz and / or 60 Hz and / or 80 Hz, in particular during the starting process advantageously, d. H. Frequency bands in which the frequencies mentioned are located.
  • the excitation frequencies 1300 to 4500 Hz can be observed.
  • the excitation frequencies are given by the number of blades multiplied by the speed.
  • the respective frequency band advantageously has a width of 10 Hz, ie. H.
  • a frequency band analysis is carried out at 40, 60 and 80 Hz, each in a band of +/- 5 Hz.
  • the reduction of a fuel quantity in the combustion chamber of the gas turbine downstream of the compressor is also initiated as a countermeasure.
  • a blow-off flap ie a device for blowing compressor air introduced before entering the combustion chamber.
  • a compressor for a gas turbine advantageously comprises a control device designed to carry out the described method.
  • a gas turbine advantageously comprises a compressor described here.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that the early detection of the "rotating stall" by means of vibration analysis in particular of the alternating pressure in the compressor, a termination of a gas turbine start can be prevented.
  • the optimized operation avoids strong alternating pressures and accelerations that could otherwise damage the gas turbine and its compressor.
  • FIG. 1 shows a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • a gas turbine 100 is a turbomachine that converts the internal energy (enthalpy) of a flowing fluid (liquid or gas) into rotational energy and ultimately into mechanical drive energy.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted around a rotation axis 102 (axial direction) rotor 103, which is also referred to as a turbine runner.
  • a rotation axis 102 axial direction
  • rotor 103 which is also referred to as a turbine runner.
  • an intake housing 104 a compressor 105, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber 106, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 106 communicates with an annular hot gas channel 111.
  • Each turbine stage 112 is formed from two blade rings.
  • a row 125 of blades 120 is formed in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115.
  • the blades 120, 130 are profiled in a slightly curved manner, similar to an aircraft wing.
  • the vanes 130 are attached to the stator 143, whereas the blades 120 of a row 125 are mounted on the rotor 103 by means of a turbine disk 133.
  • the rotor blades 120 thus form components of the rotor or rotor 103.
  • Coupled to the rotor 103 is a generator or a working machine (not shown).
  • air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is supplied to the burners 107 where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110. From there, the working fluid 113 flows along the hot gas passage 111 past the vanes 130 and the blades 120.
  • the fluid flow is withdrawn by the vortex-free as possible laminar flow around the turbine blades 120, 130, a portion of its internal energy, which is applied to the blades 120 of the Turbine 108 passes. About this then the rotor 103 is rotated, whereby initially the compressor 105 is driven. The usable power is delivered to the work machine, not shown.
  • the compressor 105 has a number of non-illustrated compressed air extractions. These are arranged in different stages of the compressor 105, so that compressed air can be taken at different pressure levels. This is then z. B. used for cooling in the turbine 108.
  • gas turbine 100 is designed to avoid a rotating stall ("rotating stall") in particular during the starting process.
  • the gas turbine 100 has a device for dynamic alternating pressure measurement on the flange of the burner 107, a device for measuring the acceleration of the combustion chamber 106 on the housing 138 and a device for dynamic alternating pressure measurement in the withdrawals of the compressor 105 arranged (all not shown). Their signals are forwarded to a likewise not shown control device of the gas turbine 100, which is designed to carry out the method described below.
  • FIG. 2 2 shows a schematic flow diagram of the method 200 for avoiding a rotating stall in the compressor 105.
  • the method 200 is performed permanently or alternatively cyclically.
  • step 202 a detection of the dynamic alternating pressure at the flange of one of the burners 107 with the described device takes place.
  • step 204 a detection of the acceleration of the combustion chamber 106 on the housing 138 with the described device takes place in step 204.
  • step 206 a detection of the dynamic alternating pressure in the withdrawals of the compressor 105 with the described devices.
  • step 208 the detected quantities are subjected to a frequency analysis. Frequency bands of 35 to 45 Hz, 55 to 65 Hz and 75 to 85 Hz are formed of each size.
  • step 210 pattern recognition is performed in the mentioned frequency bands. Here, conspicuous changes are searched, which point to an incipient "rotating stall”. As soon as a starting "rotating stall" is detected in step 210, several countermeasures are triggered in steps 212, 214 and 216 in parallel.
  • step 212 the closing of a compressor pilot vane of the compressor 105, i. H. an inlet side vane in the compressor 105.
  • step 214 the amount of fuel to the burners 107 is reduced.
  • step 216 a Abblaseklappe not shown, opened by the air from the compressor 105 can escape.

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Abstract

Ein Verfahren (200) zur Vermeidung eines rotierenden Strömungsabrisses in einem Betriebszustand eines Verdichters für eine Gasturbine soll einen unterbrechungsfreien Betrieb bei hoher betrieblicher Sicherheit des Verdichters erlauben. Dazu umfasst es die Schritte: - Betreiben des Verdichters in dem Betriebszustand, - Erfassen einer Schwingungsgröße (202, 204, 206) in einem Bereich des Verdichters, und - Einleiten einer Gegenmaßnahme (212, 214, 216) nach Erkennen eines rotierenden Strömungsabrisses (210) anhand der erfassten Schwingungsgröße.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung eines rotierenden Strömungsabrisses in einem Betriebszustand eines Verdichters für eine Gasturbine. Sie betrifft weiter einen Verdichter für eine Gasturbine.
  • Eine Gasturbine ist eine Strömungsmaschine, in der ein heißes und komprimiertes Gas entspannt und so thermische in mechanische Energie umgewandelt wird. Das Heißgas entsteht durch Verbrennung eines gasförmigen oder flüssigen Treibstoffs in einer Brennkammer, der weiterhin komprimierte Luft aus einem vorgeschalteten Verdichter zugeführt wird. Die gewonnene Energie wird beispielsweise in Kraftwerken zum Antrieb eines Generators verwendet, wobei ein Teil der Energie bei der Gasturbine auch zum Antrieb des Verdichters vorgesehen ist.
  • Im Verdichter kann es in bestimmten Betriebszuständen zu einer teilweisen oder vollständigen Ablösung der Luftströmung an einzelnen Verdichterschaufeln kommen. Dieser Strömungsabriss rotiert entgegen der Verdichterdrehrichtung und wird daher auch als "rotating stall" bezeichnet. Dies führt zu einem Leistungsabfall des Verdichters. Dabei kann der Massenstrom für eine stabile Verbrennung in der Brennkammer bereits zu gering werden und im Verdichter wird vergleichsweise zu wenig Druck aufgebaut. Zudem werden die Verdichterschaufeln bereits zu Schwingungen angeregt, was zu Schaufelbrüchen führen kann. Die Verdichterschaufeln werden beim "rotating stall" großen Biegewechselspannungen und hohen Temperaturen ausgesetzt.
  • Sekundäre Phänomene können weiterhin zu starken Verbrennungsschwingungen mit hohen Wechseldrücken und Brennkammerbeschleunigungen führen. Zwar ist es beispielsweise aus der DE 10 2004 052 433 A1 und der EP 2 239 505 A1 bekannt, diese auf die Brennkammer bezogenen Wechseldrücke zu messen. Eine Detektion des "rotating stall" findet aber bislang nicht statt.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und einen Verdichter der eingangs genannten Art anzugeben, welche einen unterbrechungsfreien Betrieb bei hoher betrieblicher Sicherheit des Verdichters erlauben.
  • Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten:
    • Betreiben des Verdichters in dem Betriebszustand,
    • Erfassen einer Schwingungsgröße in einem Bereich des Verdichters, und
    • Einleiten einer Gegenmaßnahme nach Erkennen eines rotierenden Strömungsabrisses anhand der erfassten Schwingungsgröße.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass ein zuverlässigerer Betrieb des Verdichters und der Gasturbine dadurch erreicht werden könnte, dass der "rotating stall" frühzeitig erkannt wird. Hierbei wurde erkannt, dass dieser anhand auffälliger Änderungen im Frequenzspektrum von Schwingungen im Bereich des Verdichters detektiert werden kann. Daher kann über eine entsprechende Mustererkennung der einsetzende rotierende Strömungsabriss detektiert und durch Einleitung entsprechender Gegenmaßnahmen vermindert werden. Eine Notabschaltung der Gasturbine wird so vermieden.
  • Der oben erwähnte Betriebszustand, in dem der "rotating stall" verhindert werden soll, ist in vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens das Anfahren des Verdichters. Gerade beim Startvorgang des Verdichters und der Gasturbine ist es nämlich notwendig, dass ein ausreichender Luftmassenstrom in der Brennkammer und in der Turbine zur Verfügung steht. Das Auftreten eines "rotating stall" würde hier zu einem Abbruch des Startvorgangs führen, was durch das beschriebene Verfahren vermieden werden kann.
  • Die gemessene und zur Detektierung des "rotating stall" verwendete Schwingungsgröße ist vorteilhafterweise ein Wechseldruck im Bereich des Verdichters.
  • Der Bereich des Verdichters, in dem diese Schwingungsgröße und insbesondere der Wechseldruck erfasst wird, ist vorteilhafterweise eine Verdichterentnahme. Derartige Verdichterentnahmen dienen zur Entnahme von Druckluft auf verschiedenen Druckniveaus, die dann z. B. zur Kühlung verwendet wird. Durch Anbringung einer entsprechenden Messeinrichtung in einer Verdichterentnahme ist daher ein direkter Rückschluss auf Schwingungen insbesondere der Druckverhältnisse im Verdichter möglich.
  • Bezüglich des Verdichters wird die Aufgabe daher auch gelöst, indem der Verdichter eine Wechseldruckmesseinrichtung in einer Verdichterentnahme umfasst.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens umfasst dieses die weiteren Schritte:
    • Erfassen mindestens eines Wechseldrucks an einem Brennerflansch, und
    • Erkennen eines rotierenden Strömungsabrisses zusätzlich anhand des erfassten Wechseldrucks.
  • In noch weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens umfass dieses die weiteren Schritte:
    • Erfassen mindestens einer Brennkammerbeschleunigung an einem Gehäuse, und
    • Erkennen eines rotierenden Strömungsabrisses zusätzlich anhand der erfassten Brennkammerbeschleunigung.
  • Der mindestens eine Wechseldruck am Brennerflansch, mit dem der Wechseldruck im Brennkammerbereich gemessen wird, sowie das Erfassen der mindestens einen Brennkammerbeschleunigung am Gehäuse bieten weitere Messdaten, die zur Verbesserung der Erkennung eines beginnenden "rotating stall" verwendet werden können.
  • Das Erfassen der Schwingungsgröße umfasst weiterhin vorteilhafterweise ein Erfassen mehrerer Frequenzbänder, d. h. die erfasste Schwingungsgröße wird z. B. mittels einer Fourierzerlegung in ihre Frequenzbestandteile aufgespalten und im Frequenzraum mittels der bereits erwähnten Mustererkennung analysiert.
  • Insbesondere werden dabei insbesondere beim Startvorgang vorteilhafterweise die Frequenzbänder um 40 Hz und/oder um 60 Hz und/oder um 80 Hz erfasst, d. h. Frequenzbänder, in denen die genannten Frequenzen liegen. Während des Betriebes sind die Anregungsfrequenzen 1300 bis 4500 Hz zu beobachten. Die Anregungsfrequenzen ergeben sich durch die Anzahl der Schaufeln multipliziert mit der Drehzahl.
  • Das jeweilige Frequenzband weist dabei vorteilhafterweise eine Breite von 10 Hz auf, d. h. bezogen auf die genannten Frequenzen erfolgt beispielsweise eine Frequenzbandanalyse bei 40, 60 und 80 Hz, jeweils in einem Band von +/-5 Hz.
  • Sobald ein beginnender "rotating stall" mittels z. B. der Mustererkennung in den genannten Frequenzbändern detektiert ist, sollte dieser mit unterschiedlichen Gegenmaßnahmen vermindert werden. So wird vorteilhafterweise als Gegenmaßnahme das Schließen einer Verdichtervorleitschaufel insbesondere unterhalb der Anfahrposition eingeleitet.
  • In alternativer oder zusätzlicher vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird weiterhin als Gegenmaßnahme das Reduzieren einer Brennstoffmenge in die dem Verdichter nachgeschaltete Brennkammer der Gasturbine eingeleitet.
  • In weiterer alternativer oder zusätzlicher vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird als Gegenmaßnahme das Öffnen einer Abblaseklappe, d. h. einer Vorrichtung zum Abblasen von Verdichterluft vor Eintritt in die Brennkammer eingeleitet.
  • Ein Verdichter für eine Gasturbine umfasst vorteilhafterweise eine Steuereinrichtung, ausgelegt zum Ausführen des beschriebenen Verfahrens.
  • Eine Gasturbine umfasst vorteilhafterweise einen hier beschriebenen Verdichter.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die frühzeitige Erkennung des "rotating stall" mittels Schwingungsanalyse insbesondere des Wechseldrucks im Verdichter ein Abbruch eines Gasturbinenstarts verhindert werden kann. Durch die optimierte Betriebsweise werden starke Wechseldrücke und Beschleunigungen vermieden, die andernfalls zu Schäden an der Gasturbine und ihrem Verdichter führen könnten.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • FIG 1
    einen teilweisen Längsschnitt durch eine Gasturbine, und
    FIG 2
    ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Vermeidung eines rotierenden Strömungsabrisses.
  • Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die FIG 1 zeigt eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt. Eine Gasturbine 100 ist eine Strömungsmaschine, welche die innere Energie (Enthalpie) eines strömenden Fluids (Flüssigkeit oder Gas) in Rotationsenergie und letztlich in mechanische Antriebsenergie umwandelt.
  • Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 (Axialrichtung) drehgelagerten Rotor 103 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer 106, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
  • Die Ringbrennkammer 106 kommuniziert mit einem ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbinenstufe 112 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125. Die Schaufeln 120, 130 sind leicht gekrümmt profiliert, ähnlich einer Flugzeugtragfläche.
  • Die Leitschaufeln 130 sind dabei am Stator 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind. Die Laufschaufeln 120 bilden somit Bestandteile des Rotors oder Läufers 103. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
  • Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120.
  • Dem Fluidstrom wird durch die möglichst wirbelfreie laminare Umströmung der Turbinenschaufeln 120, 130 ein Teil seiner inneren Energie entzogen, der auf die Laufschaufeln 120 der Turbine 108 übergeht. Über diese wird dann der Rotor 103 in Drehung versetzt, wodurch zunächst der Verdichter 105 angetrieben wird. Die nutzbare Leistung wird an die nicht dargestellte Arbeitsmaschine abgegeben.
  • Der Verdichter 105 weist eine Anzahl nicht näher dargestellter Entnahmen für verdichtete Luft auf. Diese sind in verschiedenen Stufen des Verdichters 105 angeordnet, so dass Druckluft auf verschiedenen Druckniveaus entnommen werden kann. Diese wird dann z. B. zur Kühlung in der Turbine 108 verwendet.
  • Die in FIG 1 dargestellte Gasturbine 100 ist zur Vermeidung eines rotierenden Strömungsabrisses ("rotating stall") insbesondere im Startvorgang ausgebildet. Hierzu weist die Gasturbine 100 eine Vorrichtung zur dynamischen Wechseldruckmessung am Flansch eines der Brenner 107, eine Vorrichtung zur Messung der Beschleunigung der Brennkammer 106 am Gehäuse 138 sowie eine Vorrichtung zur dynamischen Wechseldruckmessung in den Entnahmen des Verdichters 105 angeordnet (alle nicht dargestellt). Deren Signale werden an eine ebenfalls nicht näher dargestellte Steuereinrichtung der Gasturbine 100 weitergeleitet, die zum Ausführen des im Folgenden beschriebenen Verfahrens ausgelegt ist.
  • FIG 2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens 200 zur Vermeidung eines rotierenden Strömungsabrisses im Verdichter 105. Im Startprozess der Gasturbine 100 wird nach deren Anfahren das Verfahren 200 permanent oder alternativ zyklisch durchgeführt. In Schritt 202 erfolgt eine Erfassung des dynamischen Wechseldrucks am Flansch eines der Brenner 107 mit der beschriebenen Vorrichtung. Parallel dazu erfolgt in Schritt 204 eine Erfassung der Beschleunigung der Brennkammer 106 am Gehäuse 138 mit der beschriebenen Vorrichtung. Parallel dazu erfolgt in Schritt 206 eine Erfassung des dynamischen Wechseldrucks in den Entnahmen des Verdichters 105 mit den beschriebenen Vorrichtungen.
  • In Schritt 208 werden die erfassten Größen einer Frequenzanalyse unterzogen. Es werden von jeder Größe Frequenzbänder von 35 bis 45 Hz, 55 bis 65 Hz und 75 bis 85 Hz gebildet. In Schritt 210 erfolgt eine Mustererkennung in den genannten Frequenzbändern. Hier werden auffällige Änderungen gesucht, die auf einen beginnenden "rotating stall" hindeuten. Sobald in Schritt 210 ein beginnender "rotating stall" erkannt wird, werden in den Schritten 212, 214 und 216 parallel mehrere Gegenmaßnahmen ausgelöst.
  • In Schritt 212 erfolgt das Schließen einer Verdichtervorleitschaufel des Verdichters 105, d. h. einer eintrittsseitigen Leitschaufel im Verdichter 105. In Schritt 214 wird die Brennstoffmenge zu den Brennern 107 reduziert. In Schritt 216 wird eine nicht näher dargestellte Abblaseklappe geöffnet, durch die Luft aus dem Verdichter 105 entweichen kann. Durch diese Maßnahmen wird der "rotating stall" verhindert.

Claims (15)

  1. Verfahren (200) zur Vermeidung eines rotierenden Strömungsabrisses in einem Betriebszustand eines Verdichters (105) für eine Gasturbine (100), mit den Schritten:
    - Betreiben des Verdichters in dem Betriebszustand,
    - Erfassen einer Schwingungsgröße (202, 204, 206) in einem Bereich des Verdichters (105), und
    - Einleiten einer Gegenmaßnahme (212, 214, 216) nach Erkennen eines rotierenden Strömungsabrisses (210) anhand der erfassten Schwingungsgröße.
  2. Verfahren (200) nach Anspruch 1, bei dem der Betriebszustand das Anfahren des Verdichters (105) ist.
  3. Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schwingungsgröße ein Wechseldruck ist.
  4. Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Bereich des Verdichters (105) eine Verdichterentnahme ist.
  5. Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den weiteren Schritten:
    - Erfassen mindestens eines Wechseldrucks an einem Brennerflansch (202), und
    - Erkennen eines rotierenden Strömungsabrisses (210) zusätzlich anhand des erfassten Wechseldrucks.
  6. Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den weiteren Schritten:
    - Erfassen mindestens einer Brennkammerbeschleunigung an einem Gehäuse (204), und
    - Erkennen eines rotierenden Strömungsabrisses (210) zusätzlich anhand der erfassten Brennkammerbeschleunigung.
  7. Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Erfassen der Schwingungsgröße (202, 204, 206) ein Erfassen mehrerer Frequenzbänder (208) umfasst.
  8. Verfahren (200) nach Anspruch 7, bei dem die Frequenzbänder um 40 Hz und/oder um 60 Hz und/oder um 80 Hz erfasst werden.
  9. Verfahren (200) nach Anspruch 8, bei dem das jeweilige Frequenzband eine Breite von 10 Hz aufweist.
  10. Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Gegenmaßnahme das Schließen einer Verdichtervorleitschaufel (212) eingeleitet wird.
  11. Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Gegenmaßnahme das Reduzieren einer Brennstoffmenge (214) eingeleitet wird.
  12. Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Gegenmaßnahme das Öffnen einer Abblaseklappe (216) eingeleitet wird.
  13. Verdichter (105) für eine Gasturbine (100), umfassend eine Steuereinrichtung, ausgelegt zum Ausführen des Verfahrens (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  14. Verdichter (105) für eine Gasturbine (100), umfassend eine Wechseldruckmesseinrichtung in einer Verdichterentnahme.
  15. Gasturbine (100) mit einem Verdichter (105) nach Anspruch 13 oder 14.
EP15150919.7A 2015-01-13 2015-01-13 Verfahren zur Vermeidung eines rotierenden Strömungsabrisses Withdrawn EP3045676A1 (de)

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