ITTO20110578A1 - GAS TURBINE ROTOR ASSEMBLY AND TELEMETRY SYSTEM AND METHOD FOR DETECTION OF MEASUREMENTS ON A GAS TURBINE ROTOR VIA TELEMETRY - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
“ASSIEME ROTORE DI TURBINA A GAS E APPARATO DI TELEMETRIA E METODO PER IL RILEVAMENTO DI MISURE SU UN ROTORE DI TURBINA A GAS MEDIANTE TELEMETRIA†⠀ œGAS TURBINE ROTOR ASSEMBLY AND TELEMETRY APPARATUS AND METHOD FOR TAKING MEASUREMENTS ON A GAS TURBINE ROTOR BY TELEMETRYâ €
La presente invenzione à ̈ relativa a un assieme rotore di turbina a gas e apparato di telemetria e a un metodo per il rilevamento di misure su un rotore di turbina a gas mediante telemetria. The present invention relates to a gas turbine rotor and telemetry apparatus assembly and a method for taking measurements on a gas turbine rotor by telemetry.
Come à ̈ noto, il monitoraggio e il controllo degli impianti a turbina a gas o a turbina a vapore impone l’impiego di sensori sui rotori. I sensori vengono utilizzati per rilevare valori di una pluralità di grandezze operative, che vengono poi trasmesse a una stazione di elaborazione a terra mediante un sistema di telemetria. As is known, the monitoring and control of gas turbine or steam turbine plants requires the use of sensors on the rotors. The sensors are used to detect values of a plurality of operational quantities, which are then transmitted to a processing station on the ground by means of a telemetry system.
Si pone ovviamente il problema di come alimentare tanto i sensori, quanto il sistema di telemetria sul rotore. The problem obviously arises of how to power both the sensors and the telemetry system on the rotor.
Una soluzione prevede l’impiego di speciali batterie e/o accumulatori, adatti a sopportare condizioni operative critiche, soprattutto in relazione alle forti sollecitazioni meccaniche prodotte dal rotore. Tale soluzione non à ̈ tuttavia soddisfacente, perché le batterie e gli accumulatori hanno autonomia limitata. C’à ̈ quindi necessità di tempi di fermo per la sostituzione o la ricarica. Per quanto riguarda le campagne di prove preliminari all’installazione e alla messa in opera degli impianti, i tempi richiesti sono allungati in misura significativa rispetto ai tempi netti necessari per effettuare le misure. Inoltre, le prove vengono eseguite in apposite camere o celle di misura, dove i rotori da esaminare vengono temporaneamente installati. La sostituzione delle batterie, che per le loro speciali caratteristiche sono costose, deve essere spesso eseguita all’interno della camera di misura, per evitare operazioni aggiuntive di smontaggio del rotore. Lo spazio disponibile per accedere alle batterie all’interno delle camere di prova à ̈ però assai limitato. La sostituzione à ̈ quindi difficoltosa, richiede normalmente diverse ore di lavoro e le batterie possono essere danneggiate durante l’installazione. Anche le condizioni di lavoro per il personale addetto sono critiche. Per un periodo dopo la sospensione di una prova, infatti, la temperatura all’interno della camera rimane elevata (ben superiore ai 30°C) ed à ̈ presente olio nebulizzato in sospensione (olio lubrificante che trafila dai cuscinetti del rotore). One solution involves the use of special batteries and / or accumulators, suitable for withstanding critical operating conditions, especially in relation to the strong mechanical stresses produced by the rotor. However, this solution is not satisfactory, because the batteries and accumulators have limited autonomy. There is therefore a need for downtime for replacement or recharging. As regards the preliminary testing campaigns for the installation and commissioning of the systems, the times required are significantly longer than the net times required to carry out the measurements. Furthermore, the tests are carried out in special chambers or measuring cells, where the rotors to be examined are temporarily installed. The replacement of the batteries, which due to their special characteristics are expensive, must often be carried out inside the measuring chamber, to avoid additional operations of disassembly of the rotor. However, the space available to access the batteries inside the test chambers is very limited. Replacement is therefore difficult, normally requires several hours of work and the batteries can be damaged during installation. The working conditions for the staff are also critical. For a period after the suspension of a test, in fact, the temperature inside the chamber remains high (well above 30 ° C) and there is atomized oil in suspension (lubricating oil that leaks from the rotor bearings).
Le limitazioni dovute all’uso di batterie o accumulatori sono ancora più serie quando il sistema di telemetria sul rotore à ̈ utilizzato per campagne di prove sul campo. In questo caso, infatti, oltre all’aumento dei tempi di prova, bisogna anche considerare i costi derivanti dal fermo macchina, che possono essere ingenti. Inoltre, poiché la cassa esterna della turbina non può essere rimossa per la semplice sostituzione di una batteria, l’operazione deve essere eseguita attraverso finestre di accesso appositamente ricavate nella cassa stessa. La sostituzione rimane quindi difficoltosa e c’à ̈ rischio di danneggiare le batterie. The limitations due to the use of batteries or accumulators are even more serious when the telemetry system on the rotor is used for field test campaigns. In this case, in fact, in addition to the increase in test times, it is also necessary to consider the costs deriving from machine downtime, which can be considerable. Furthermore, since the external turbine casing cannot be removed for the simple replacement of a battery, the operation must be carried out through access windows specially made in the casing itself. Replacement therefore remains difficult and there is a risk of damaging the batteries.
Scopo della presente invenzione à ̈ quindi fornire un assieme rotore di turbina a gas e apparato di telemetria e metodo per il rilevamento di misure su un rotore di turbina a gas mediante telemetria, che permettano di superare le limitazioni descritte e, in particolare, permetta di fornire tensioni di alimentazioni stabili e affidabili. The object of the present invention is therefore to provide a gas turbine rotor assembly and telemetry apparatus and method for taking measurements on a gas turbine rotor by telemetry, which allow to overcome the limitations described and, in particular, allow to provide stable and reliable power supply voltages.
Secondo la presente invenzione, vengono forniti un assieme rotore di turbina a gas e apparato di telemetria e metodo per il rilevamento di misure su un rotore di turbina a gas mediante telemetria come definiti rispettivamente nelle rivendicazioni 1 e 16. According to the present invention, a gas turbine rotor and telemetry apparatus assembly and method for taking measurements on a gas turbine rotor by telemetry are provided as defined in claims 1 and 16 respectively.
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui: The present invention will now be described with reference to the attached drawings, which illustrate a non-limiting example of embodiment, in which:
- la figura 1 Ã ̈ una vista frontale semplificata di una camera di prova alloggiante un assieme rotore di turbina a gas e apparato di telemetria in accordo a una forma di realizzazione della presente invenzione; Figure 1 is a simplified front view of a test chamber housing a gas turbine rotor and telemetry apparatus assembly according to an embodiment of the present invention;
- la figura 2 à ̈ una vista laterale, sezionata lungo il piano di traccia II-II di figura 1, della camera di prova e dell’assieme rotore di turbina a gas e apparato di telemetria di figura 1; - figure 2 is a side view, sectioned along the plane of trace II-II of figure 1, of the test chamber and of the gas turbine rotor and telemetry apparatus of figure 1;
- la figura 3 à ̈ uno schema a blocchi semplificato dell’apparato di telemetria di figura 1; - figure 3 is a simplified block diagram of the telemetry apparatus of figure 1;
- le figure da 4 a 7 mostrano viste frontali semplificate della camera di prova e dell’assieme rotore di turbina a gas e apparato di telemetria di figura 1 in rispettive configurazioni operative; - Figures 4 to 7 show simplified front views of the test chamber and of the gas turbine rotor assembly and telemetry apparatus of Figure 1 in respective operating configurations;
- la figura 8 à ̈ uno schema circuitale semplificato di un componente dell’apparato di telemetria di figura 1; - figure 8 is a simplified circuit diagram of a component of the telemetry apparatus of figure 1;
- la figura 9 à ̈ una vista frontale, sezionata lungo il piano di traccia IX-IX di figura 2 e ingrandita, di un particolare dell’assieme rotore di turbina a gas e apparato di telemetria di figura 2; - figure 9 is a front view, sectioned along the plane of trace IX-IX of figure 2 and enlarged, of a detail of the assembly of the gas turbine rotor and telemetry apparatus of figure 2;
- la figura 10 à ̈ una vista laterale semplificata, sezionata lungo un piano longitudinale, di un’unità a turbina a gas incorporante un assieme rotore di turbina a gas e apparato di telemetria in accordo a una diversa forma di realizzazione della presente invenzione; Figure 10 is a simplified side view, sectioned along a longitudinal plane, of a gas turbine unit incorporating a gas turbine rotor and telemetry apparatus assembly according to a different embodiment of the present invention;
- la figura 11 mostra un particolare ingrandito dell’unità a turbina a gas di figura 10. - figure 11 shows an enlarged detail of the gas turbine unit of figure 10.
Le figure 1 e 2 mostrano un rotore 1 di una turbina a gas installato all’interno di una camera di prova 2. Figures 1 and 2 show a gas turbine rotor 1 installed inside a test chamber 2.
La camera di prova 2 à ̈ una camera di forma generalmente cilindrica con asse orizzontale e una porzione di superficie laterale spianata sul pavimento. Su un lato, la camera à ̈ aperta per consentire l’introduzione di rotori di turbine a gas da testare. Le pareti della camera di prova 2 sono in cemento e l’apertura à ̈ chiudibile ermeticamente mediante un portellone 3 8visibile solo in figura 2 in modo semplificato). Un sistema di pompe, non mostrate, permette di creare un livello di vuoto desiderato all’interno della camera di prova 2 una volta che il portellone 3 à ̈ stato chiuso. The test chamber 2 is a generally cylindrical chamber with a horizontal axis and a portion of the lateral surface flattened on the floor. On one side, the chamber is open to allow the introduction of gas turbine rotors to be tested. The walls of the test chamber 2 are made of concrete and the opening can be hermetically closed by means of a door 3 8 visible only in figure 2 in a simplified way). A system of pumps, not shown, allows to create a desired vacuum level inside the test chamber 2 once the door 3 has been closed.
Per consentire l’introduzione dei rotori, nella fattispecie del rotore 1, sul pavimento della camera di prova 2 sono realizzate guide 5 longitudinali, lungo le quali scorrono supporti 7. Il rotore 1 viene alloggiato sui supporti 7 mediante cuscinetti 6 al di fuori della camera di prova 2. Successivamente, i supporti 7 vengono fatti scorrere lungo le guide 5 e il rotore 1 viene introdotto nella camera di prova 2. To allow the introduction of the rotors, in this case of the rotor 1, longitudinal guides 5 are made on the floor of the test chamber 2, along which supports 7 slide. The rotor 1 is housed on the supports 7 by means of bearings 6 outside the test chamber 2. Subsequently, the supports 7 are slid along the guides 5 and the rotor 1 is introduced into the test chamber 2.
Un motore elettrico 8, che si trova all’esterno della camera di prova 2, può essere accoppiato al rotore 1 mediante un albero 9 disposto passante attraverso una parete della camera di prova 2 opposta al portellone 3. An electric motor 8, which is located outside the test chamber 2, can be coupled to the rotor 1 by means of a shaft 9 arranged passing through a wall of the test chamber 2 opposite the door 3.
Per la camera di prova 2 Ã ̈ allestito un apparato di telemetria 10 per effettuare misure sul rotore 1 durante la rotazione. For the test chamber 2 a telemetry apparatus 10 is set up to carry out measurements on the rotor 1 during rotation.
L’apparato di telemetria 10, che à ̈ mostrato schematicamente in figura 3, comprende una stazione di controllo ed elaborazione 11, sensori 12, disposti sul rotore 1 ed equipaggiati con i circuiti di pilotaggio 13 necessari, e un sistema di alimentazione a radiofrequenza o sistema di alimentazione RF 15. L’apparato di telemetria 10 comprende, inoltre, un trasmettitore di segnale 17 e un ricevitore di segnale 18 mutuamente accoppiati in radiofrequenza, mediante i quali segnali di misura SM1, …, SMN raccolti dai sensori 12 ed eventualmente pre-elaborati dai circuiti di pilotaggio 13 vengono trasmessi alla stazione di controllo ed elaborazione 11. The telemetry apparatus 10, which is shown schematically in Figure 3, comprises a control and processing station 11, sensors 12, arranged on the rotor 1 and equipped with the necessary driving circuits 13, and a radio frequency power supply system or RF power supply system 15. The telemetry apparatus 10 also comprises a signal transmitter 17 and a signal receiver 18 mutually coupled in radiofrequency, by means of which measurement signals SM1, â € ¦, SMN collected by the sensors 12 and possibly pre-processed by the driving circuits 13 are transmitted to the control and processing station 11.
La stazione di controllo ed elaborazione 11 à ̈ collocata a terra al di fuori della camera di prova 2, in ambiente sicuro, e comprende un modulo di controllo 20 e un modulo di elaborazione 21. Il modulo di controllo 20 che à ̈ parte integrante del sistema di alimentazione RF 15, ne controlla i componenti in modo da assicurare il corretto funzionamento dei sensori 12, dei circuiti di pilotaggio 13 e del trasmettitore di segnale 17 durante la rotazione del rotore 1. A questo scopo, il modulo di controllo 20 riceve da un sensore di posizione angolare 19 (ad esempio un encoder assoluto) un segnale SWindicativo di una posizione angolare corrente del rotore 1. Il modulo di elaborazione 21 à ̈ invece configurato per raccogliere ed elaborare dati e misure rilevati mediante i sensori 12. The control and processing station 11 is located on the ground outside the test chamber 2, in a safe environment, and includes a control module 20 and a processing module 21. The control module 20 which is an integral part of the RF power supply system 15, controls its components so as to ensure the correct operation of the sensors 12, of the driving circuits 13 and of the signal transmitter 17 during the rotation of the rotor 1. For this purpose, the control module 20 receives from an angular position sensor 19 (for example an absolute encoder) a signal SW indicative of a current angular position of the rotor 1. The processing module 21 is instead configured to collect and process data and measurements detected by the sensors 12.
I sensori 12, di tipo di per sé noto, sono disposti sul rotore 1 con i rispettivi circuiti di pilotaggio 13 e sono collegati mediante cavi (non mostrati) al sistema di alimentazione 15 per fornire i rispettivi segnali di misura SM1, …, SMN. Ad esempio, i sensori 12 possono comprendere estensimetri e sensori di temperatura posti sulle pale, sui dischi e sul tirante centrale del rotore 1. I circuiti di pilotaggio 13 sono inoltre accoppiati al trasmettitore di segnale 17 per trasmettere i segnali di misura SM1, …, SMN rilevati dai sensori 12 al modulo di elaborazione 21 della stazione di controllo ed elaborazione 11. The sensors 12, of a per se known type, are arranged on the rotor 1 with the respective driving circuits 13 and are connected by means of cables (not shown) to the power supply system 15 to supply the respective measurement signals SM1, â € ¦ , SMN. For example, the sensors 12 can comprise strain gauges and temperature sensors placed on the blades, on the discs and on the central tie rod of the rotor 1. The driving circuits 13 are also coupled to the signal transmitter 17 to transmit the measurement signals SM1, â € ¦, SMN detected by the sensors 12 to the processing module 21 of the control and processing station 11.
Il sistema di alimentazione RF 15 comprende un dispositivo di trasmissione e un dispositivo di ricezione. Il dispositivo di trasmissione comprende una pluralità di trasmettitori di alimentazione 22, ciascuno dei quali à ̈ provvisto di una rispettiva antenna di trasmissione 23. Il dispositivo di ricezione comprende almeno un ricevitore di alimentazione 25, montato sul rotore 1 e provvisto di un’antenna di ricezione 24, e una rete di regolazione 26. The RF power supply system 15 comprises a transmitting device and a receiving device. The transmission device comprises a plurality of power transmitters 22, each of which is provided with a respective transmission antenna 23. The receiving device comprises at least one power receiver 25, mounted on the rotor 1 and provided with an antenna reception 24, and a regulation network 26.
I trasmettitori di alimentazione 22, posti a terra, sono controllati dal modulo di controllo 21 in modo sincrono con la rotazione del rotore 1, come verrà spiegato in dettaglio più avanti. The power transmitters 22, located on the ground, are controlled by the control module 21 in a synchronous way with the rotation of the rotor 1, as will be explained in detail below.
In una forma di realizzazione, le antenne di trasmissione 23 sono disposte su una struttura a ponte 27 mobile assialmente nella camera di prova 2 lungo guide 28 (figure 1 e 2). La struttura a ponte 27 à ̈ conformata in modo da estendersi attorno alla porzione superiore del rotore 1, quando quest’ultimo si trova nella camera di prova 2. Nella forma di realizzazione illustrata nelle figure da 1 a 3, il sistema di alimentazione RF 15 comprende tre trasmettitori di alimentazione 22 e altrettante antenne di trasmissione 23. Una delle antenne di trasmissione 23 à ̈ posta sulla verticale dell’asse A del rotore 1, sostanzialmente in un piano verticale mediano della camera di prova 2. Le altre due antenne di trasmissione 23 sono collocate all’altezza dell’asse A del rotore 1, in posizioni opposte rispetto al rotore 1 stesso. In one embodiment, the transmission antennas 23 are arranged on an axially movable bridge structure 27 in the test chamber 2 along guides 28 (Figures 1 and 2). The bridge structure 27 is shaped so as to extend around the upper portion of the rotor 1, when the latter is in the test chamber 2. In the embodiment illustrated in Figures 1 to 3, the RF power supply system 15 includes three power transmitters 22 and as many transmission antennas 23. One of the transmission antennas 23 is placed on the vertical axis A of the rotor 1, substantially in a median vertical plane of the test chamber 2. The other two antennas of transmission 23 are located at the height of the axis A of the rotor 1, in opposite positions with respect to the rotor 1 itself.
La struttura a ponte 27 à ̈ mobile lungo le guide 28 e può essere posizionata in modo da garantire la migliore copertura in funzione della posizione assiale del ricevitore di alimentazione 25 sul rotore 1. The bridge structure 27 is movable along the guides 28 and can be positioned in such a way as to guarantee the best coverage according to the axial position of the feed receiver 25 on the rotor 1.
In una diversa forma di realizzazione, non mostrata, le antenne di trasmissione 23 sono fissate alle pareti della camera di prova 2. In a different embodiment, not shown, the transmission antennas 23 are fixed to the walls of the test chamber 2.
Le antenne di trasmissione 23 sono direttive con coefficiente di direttività pari a circa 10 (il coefficiente di direttività à ̈ definito come rapporto fra il campo elettromagnetico irradiato in una direzione e il campo irradiato in tutte le altre). In pratica, ciascuna delle antenne di trasmissione 23 ha un lobo di irradiazione massimizzato verso l’antenna di ricezione 24, con un’apertura di circa 40°-70°, preferibilmente 50°-60°, in modo che, nel complesso, viene coperto un angolo di circa 180° attorno al rotore 1. The transmission antennas 23 are directives with a directivity coefficient equal to about 10 (the directivity coefficient is defined as the ratio between the electromagnetic field radiated in one direction and the radiated field in all the others). In practice, each of the transmitting antennas 23 has a maximized radiation lobe towards the receiving antenna 24, with an opening of about 40 ° -70 °, preferably 50 ° -60 °, so that, on the whole , an angle of about 180 ° around rotor 1 is covered.
Il ricevitore di alimentazione 25 e l’antenna di ricezione 24 sono posti sul rotore 1, in prossimità di uno dei cuscinetti 6. Nella forma di realizzazione descritta e illustrata nelle figure 1 e 2, in particolare, il ricevitore di alimentazione 25 e l’antenna di ricezione 24 si trovano in prossimità del cuscinetto 6 sul lato compressore del rotore 1. In altre forme di realizzazione, non illustrate, il ricevitore di alimentazione 25 e l’antenna di ricezione 24 possono essere disposti in prossimità del cuscinetto sul lato turbina del rotore 1, in prossimità dei distanziali fra compressore e turbina (in una regione corrispondente alla camera di combustione) o in più di una delle posizioni menzionate. The power supply receiver 25 and the receiving antenna 24 are placed on the rotor 1, in proximity to one of the bearings 6. In the embodiment described and illustrated in Figures 1 and 2, in particular, the power supply receiver 25 and the The receiving antenna 24 are located near the bearing 6 on the compressor side of the rotor 1. In other embodiments, not shown, the power receiver 25 and the receiving antenna 24 can be arranged near the bearing on the turbine side of rotor 1, near the spacers between compressor and turbine (in a region corresponding to the combustion chamber) or in more than one of the positions mentioned.
Il trasmettitore di segnale 17 à ̈ posto sul rotore 1, in prossimità del ricevitore di alimentazione 25. Nella forma di realizzazione qui illustrata, quindi, il trasmettitore di segnale 17 si trova nelle vicinanze del cuscinetto 6 sul lato compressore del rotore 1. The signal transmitter 17 is located on the rotor 1, in the vicinity of the supply receiver 25. In the embodiment illustrated here, therefore, the signal transmitter 17 is located in the vicinity of the bearing 6 on the compressor side of the rotor 1.
Il ricevitore di segnale 18 comprende una pluralità di antenne riceventi (non mostrate), che possono essere disposte sulla stessa struttura che alloggia le antenne di ricezione 24 del dispositivo di ricezione (struttura a ponte 27), sulle pareti della camera di prova 2 o sulle strutture portanti dei cuscinetti 6. Il ricevitore di segnale 18 à ̈ inoltre collegato via cavo al modulo di elaborazione 21 della stazione di controllo ed elaborazione 11 per fornire i segnali di misura SM1, …, SMN raccolti dai sensori 12. Il trasmettitore di segnale 17 e il ricevitore di segnale 18 operano a una frequenza molto diversa rispetto a quella del sistema di alimentazione RF 15, per evitare interferenze che potrebbero rendere difficoltosa o impossibile la ricezione dei dati. The signal receiver 18 comprises a plurality of receiving antennas (not shown), which can be arranged on the same structure that houses the receiving antennas 24 of the receiving device (bridge structure 27), on the walls of the test chamber 2 or on the bearing structures of the bearings 6. The signal receiver 18 is also connected by cable to the processing module 21 of the control and processing station 11 to supply the measurement signals SM1, â € ¦, SMN collected by the sensors 12. The signal 17 and the signal receiver 18 operate at a very different frequency with respect to that of the RF power supply system 15, to avoid interference that could make data reception difficult or impossible.
L’apparato di telemetria 10 opera come di seguito descritto. The telemetry apparatus 10 operates as described below.
Quando il rotore 1 viene messo in moto per mezzo del motore elettrico 8, il modulo di controllo 20 della stazione di controllo ed elaborazione 11 inizia a pilotare i trasmettitori di alimentazione 22 in sequenza in modo sincrono con la rotazione del rotore 1, utilizzando a questo scopo il segnale di posizione angolare SW. When the rotor 1 is set in motion by means of the electric motor 8, the control module 20 of the control and processing station 11 begins to drive the feed transmitters 22 in sequence in a synchronous way with the rotation of the rotor 1, using at this I aim the angular position signal SW.
Più precisamente, il modulo di controllo 20 attiva in sequenza selettivamente uno dei trasmettitori di alimentazione 22, in modo da illuminare con la radiazione trasmessa la regione di volta in volta percorsa dall’antenna di ricezione 24, mentre gli altri trasmettitori di alimentazione 22 rimangono spenti. More precisely, the control module 20 selectively activates one of the power supply transmitters 22 in sequence, so as to illuminate with the transmitted radiation the region from time to time covered by the receiving antenna 24, while the other power transmitters 22 remain turned off.
In caso contrario, il campo generato dai trasmettitori di alimentazione 22 che non illuminano direttamente o principalmente l’antenna di ricezione 24 verrebbe riflesso dal rotore 1, che à ̈ metallico, ed eventualmente da altre strutture circostanti. Il campo riflesso interferirebbe, anche in modo distruttivo, con il campo principale generato dal trasmettitore di alimentazione 22 che si trova più vicino all’antenna di ricezione 24, riducendo l’efficienza del sistema di alimentazione RF 15. Il funzionamento dell’apparato di telemetria 10 potrebbe quindi risultare compromesso. Otherwise, the field generated by the power transmitters 22 which do not directly or mainly illuminate the receiving antenna 24 would be reflected by the rotor 1, which is metallic, and possibly by other surrounding structures. The reflected field would interfere, even in a destructive way, with the main field generated by the power supply transmitter 22 which is located closest to the receiving antenna 24, reducing the efficiency of the RF power supply system 15. The operation of the telemetry apparatus 10 could therefore be compromised.
In dettaglio, in un primo intervallo A1 di posizioni angolari (figura 4), il ricevitore di alimentazione 25 à ̈ adiacente a un primo dei trasmettitori di alimentazione 22 (ad esempio quello sulla destra del rotore 1 nella vista di figura 4), che viene attivato, mentre gli altri trasmettitori di alimentazione 22 rimangono inattivi. Successivamente (figura 5), il ricevitore di alimentazione 25 proseguendo la rotazione si porta in un secondo intervallo A2 di posizioni angolari in cui à ̈ adiacente a un secondo dei trasmettitori di alimentazione 22 (nell’esempio descritto, il trasmettitore di alimentazione 22 posto sulla sommità della struttura a ponte 27). Il trasmettitore di alimentazione 22 più vicino al ricevitore di alimentazione 25 viene acceso, mentre il trasmettitore di alimentazione 22 precedentemente in funzione viene disattivato. Analogamente (figura 6), con il proseguire della rotazione del rotore 1, in un terzo intervallo di posizioni angolari A3 il ricevitore di alimentazione 25 entra nel campo di azione del terzo dei trasmettitori di alimentazione 22, che viene acceso, mentre il precedente viene disattivato. Nella forma di realizzazione descritta, gli intervalli di posizioni angolari A1, A2, A3 sono non consecutivi e coprono complessivamente un angolo di circa 180° (nel seguito indicato anche come regione illuminata, mentre l’angolo complementare a 360° sarà indicato come regione di buio). In diverse forme di realizzazione, non mostrate, la regione illuminata può comprendere intervalli di posizioni angolari consecutivi e avere complessivamente ampiezza diversa. In detail, in a first range A1 of angular positions (Figure 4), the supply receiver 25 is adjacent to a first of the supply transmitters 22 (for example the one on the right of the rotor 1 in the view of Figure 4), which is activated, while the other power transmitters 22 remain inactive. Subsequently (figure 5), the power supply receiver 25, continuing the rotation, moves into a second range A2 of angular positions in which it is adjacent to a second of the power supply transmitters 22 (in the example described, the power supply transmitter 22 placed on the top of the bridge structure 27). The power supply transmitter 22 closest to the power supply receiver 25 is switched on, while the previously operating power transmitter 22 is deactivated. Similarly (figure 6), as the rotation of the rotor 1 continues, in a third range of angular positions A3 the supply receiver 25 enters the field of action of the third of the supply transmitters 22, which is switched on, while the previous one is deactivated . In the embodiment described, the intervals of angular positions A1, A2, A3 are non-consecutive and cover an overall angle of about 180 ° (hereinafter also referred to as the illuminated region, while the complementary angle at 360 ° will be referred to as the region of darkness). In different embodiments, not shown, the illuminated region can comprise intervals of consecutive angular positions and have a different amplitude overall.
In una forma di realizzazione, quando il ricevitore di alimentazione 25 attraversa la regione di buio, tutti i trasmettitori di alimentazione 22 vengono spenti, come mostrato in figura 7. In one embodiment, when the power receiver 25 crosses the dark region, all power transmitters 22 are turned off, as shown in Figure 7.
La figura 8 illustra schematicamente la struttura circuitale di uno dei trasmettitori di alimentazione 22 (gli altri essendo identici) accoppiato in radiofrequenza con l’antenna di ricezione 24 e con il ricevitore di alimentazione 25. Figure 8 schematically illustrates the circuit structure of one of the power supply transmitters 22 (the others being identical) coupled in radiofrequency with the receiving antenna 24 and with the power supply receiver 25.
Il trasmettitore di alimentazione 22 comprende un generatore di onda quadra 30 e un circuito di sintonia e trasmissione 31, di cui fa parte l’antenna di trasmissione 23. Il generatore di onda quadra 30 include a sua volta quattro transistori Q1-Q4, che sono pilotati dal modulo di controllo 20 attraverso rispettivi segnali di controllo SC1-SC4 e cooperano con il circuito di sintonia e trasmissione 31 per generare un campo elettromagnetico di alimentazione a onda quadra. In una forma di realizzazione, la frequenza del campo elettrico di alimentazione à ̈ compresa nella banda UHF. In una diversa forma di realizzazione, la frequenza del campo elettrico di alimentazione à ̈ nell’ordine delle decine di MHz. In questo caso, i trasmettitori telemetrici 22 sono provvisti di filtri selettivi per eliminare eventuali armoniche alle frequenze dei canali utilizzati per la trasmissione dei segnali. The power supply transmitter 22 comprises a square wave generator 30 and a tuning and transmission circuit 31, of which the transmission antenna 23 is part. The square wave generator 30 in turn includes four transistors Q1-Q4, which they are driven by the control module 20 through respective control signals SC1-SC4 and cooperate with the tuning and transmission circuit 31 to generate a square wave electromagnetic supply field. In one embodiment, the frequency of the power supply electric field is in the UHF band. In a different embodiment, the frequency of the power supply electric field is in the order of tens of MHz. In this case, the telemetry transmitters 22 are equipped with selective filters to eliminate any harmonics at the frequencies of the channels used for transmission. signals.
Il circuito di sintonia e trasmissione 31 comprende un componente capacitivo C1 e un componente induttivo, che à ̈ definito dall’antenna di trasmissione 23 e da un induttore di sintonia L1. The tuning and transmission circuit 31 comprises a capacitive component C1 and an inductive component, which is defined by the transmission antenna 23 and by a tuning inductor L1.
Il ricevitore di alimentazione 25 comprende un circuito di sintonia e ricezione 32, un raddrizzatore 33 a ponte di diodi, un elemento di accumulo di energia elettrica 35 e un convertitore DC/DC 36. The power receiver 25 comprises a tuning and receiving circuit 32, a diode bridge rectifier 33, an electrical energy storage element 35 and a DC / DC converter 36.
Il circuito di sintonia e ricezione 32 à ̈ accoppiato almeno per una porzione di periodo del rotore 1 al circuito di sintonia e trasmissione 31 e comprende un componente capacitivo C2 e un componente induttivo, che à ̈ definito dall’antenna di ricezione 24 e da un induttore di sintonia L2. The tuning and receiving circuit 32 is coupled at least for a portion of the period of the rotor 1 to the tuning and transmitting circuit 31 and comprises a capacitive component C2 and an inductive component, which is defined by the receiving antenna 24 and by an L2 tuning inductor.
Il raddrizzatore 33 comprende quattro diodi D1-D4 collegati a ponte e ha terminali di ingresso collegati al circuito di sintonia e ricezione 32 e terminali di uscita collegati a rispettivi terminali dell’elemento di accumulo di energia elettrica 35, che, nella forma di realizzazione qui descritta, à ̈ un condensatore. I terminali di uscita del raddrizzatore 33 sono inoltre collegati a rispettivi terminali di ingresso del convertitore DC/DC 36. The rectifier 33 comprises four bridged diodes D1-D4 and has input terminals connected to the tuning and receiving circuit 32 and output terminals connected to respective terminals of the electrical energy storage element 35, which, in the embodiment described here, it is a capacitor. The output terminals of the rectifier 33 are also connected to respective input terminals of the DC / DC converter 36.
Il convertitore DC/DC 36 Ã ̈ un chopper e comprende un transistore Q5, pilotato dal modulo di controllo 20 mediante un segnale di controllo SC5, un diodo D5, un induttore L3 e un condensatore C3. Terminali di uscita del convertitore DC/DC 36 forniscono una tensione di alimentazione VDCregolata ai sensori 12, ai circuiti di pilotaggio 13 e al trasmettitore di segnale 17, i quali sono schematizzati in modo semplificato in figura 5 come un carico Z. The DC / DC converter 36 is a chopper and comprises a transistor Q5, driven by the control module 20 by means of a control signal SC5, a diode D5, an inductor L3 and a capacitor C3. Output terminals of the DC / DC converter 36 supply a regulated supply voltage VDC to the sensors 12, to the driving circuits 13 and to the signal transmitter 17, which are schematized in a simplified way in Figure 5 as a load Z.
Quando il rotore 1 Ã ̈ in moto e il sistema di alimentazione RF 15 viene messo in funzione, i trasmettitori di alimentazione 22 sono attivati selettivamente in sequenza al passaggio del ricevitore di alimentazione 25 attraverso la regione illuminata, come descritto in precedenza. When the rotor 1 is in motion and the RF power system 15 is put into operation, the power transmitters 22 are selectively activated in sequence as the power receiver 25 passes through the illuminated region, as described above.
Per una prima porzione di ogni periodo, che corrisponde al passaggio del ricevitore di alimentazione 25 attraverso la regione illuminata, l’accoppiamento in radiofrequenza fra il ricevitore di alimentazione 25 stesso e uno dei trasmettitori di alimentazione 22 à ̈ sufficiente ad alimentare il carico Z. In particolare, la tensione all’uscita del raddrizzatore 33 à ̈ abbastanza elevata per permettere al convertitore DC/DC 36 di pilotare correttamente il trasmettitore di segnale 17. Nella prima porzione di ogni periodo, inoltre, il campo elettromagnetico rilevato e convertito dal ricevitore di alimentazione 25 carica l’elemento di accumulo di energia elettrica 35. For a first portion of each period, which corresponds to the passage of the power supply receiver 25 through the illuminated region, the radiofrequency coupling between the power supply receiver 25 itself and one of the power supply transmitters 22 is sufficient to power the load Z In particular, the voltage at the output of the rectifier 33 is high enough to allow the DC / DC converter 36 to drive the signal transmitter 17 correctly. In the first portion of each period, moreover, the electromagnetic field detected and converted by the power receiver 25 charges the electrical energy storage element 35.
Quando, durante una seconda porzione di periodo, il ricevitore di alimentazione 25 transita attraverso la regione di buio, in cui il campo generato dai trasmettitori di alimentazione 22 à ̈ insufficiente o assente, l’elemento di accumulo di energia elettrica 35 rilascia verso il carico Z l’energia immagazzinata (mentre il raddrizzatore 33 impedisce il ricircolo di corrente verso il circuito di ricezione e sintonia 2). L’elemento di accumulo di energia elettrica 35 à ̈ dimensionato in modo che, per velocità di rotazione del rotore 1 superiori a una soglia, l’energia accumulata durante il passaggio del ricevitore di alimentazione 25 attraverso la regione illuminata à ̈ sufficiente ad alimentare il carico Z (sensori 12, circuiti di pilotaggio 13 e trasmettitore di segnale 17) durante il passaggio attraverso la regione di buio, mantenendo una tensione di alimentazione adeguata. In questo modo, in tutto il periodo del rotore 1 à ̈ garantita una alimentazione sufficientemente elevata e stabile per i sensori 12, i circuiti di pilotaggio 13 e il trasmettitore di segnale 17. When, during a second portion of the period, the power supply receiver 25 passes through the dark region, in which the field generated by the power supply transmitters 22 is insufficient or absent, the electrical energy storage element 35 releases towards the load Z the stored energy (while the rectifier 33 prevents the recirculation of current towards the reception and tuning circuit 2). The electrical energy storage element 35 is dimensioned in such a way that, for rotor 1 rotation speeds above a threshold, the energy accumulated during the passage of the power supply receiver 25 through the illuminated region is sufficient to power the load Z (sensors 12, driving circuits 13 and signal transmitter 17) while passing through the dark region, maintaining an adequate supply voltage. In this way, a sufficiently high and stable power supply for the sensors 12, the driving circuits 13 and the signal transmitter 17 is ensured throughout the period of the rotor 1.
Come mostrato in figura 9, in una forma di realizzazione, il ricevitore di alimentazione 25 e il trasmettitore di segnale 17 sono alloggiati mediante rispettivi supporti 40 (holder) in sedi 41 destinate ad accogliere pesi di bilanciamento del rotore 1. Nella forma di realizzazione descritta, le sedi 41 sono radiali e sono situate sul rotore 1 in prossimità del cuscinetto 6 sul lato compressore. In diverse forme di realizzazione, tuttavia, le sedi 41 possono trovarsi in prossimità del cuscinetto sul lato turbina o in prossimità dei distanziali (non mostrati) fra porzione di compressore e porzione di turbina. As shown in Figure 9, in one embodiment, the power receiver 25 and the signal transmitter 17 are housed by respective supports 40 (holders) in seats 41 intended to accommodate balancing weights of the rotor 1. In the embodiment described , the seats 41 are radial and are located on the rotor 1 near the bearing 6 on the compressor side. In various embodiments, however, the seats 41 may be located near the bearing on the turbine side or near the spacers (not shown) between the compressor portion and the turbine portion.
I supporti 40 presentano un alloggiamento cilindrico 40a, in cui sono posti rispettivamente il ricevitore di alimentazione 25 e il trasmettitore di segnale 17, e uno stelo 40b avvitato nella rispettiva sede 41. The supports 40 have a cylindrical housing 40a, in which the power receiver 25 and the signal transmitter 17 are respectively placed, and a stem 40b screwed into the respective seat 41.
L’antenna di ricezione 24 del ricevitore di alimentazione 25 e un’antenna di trasmissione 42 del trasmettitore di segnale 17 sono stampate su rispettive schede PCB 43 fissate ai supporti 40. The receiving antenna 24 of the power supply receiver 25 and a transmitting antenna 42 of the signal transmitter 17 are printed on respective PCB boards 43 fixed to the supports 40.
In una forma di realizzazione, illustrata nelle figure 10 e 11, l’apparato di telemetria 10 à ̈ utilizzato per rilevare misure su un rotore 101 di un’unità a turbina a gas 100 in opera, che comprende un compressore 102, una camera di combustione 103 e una turbina 105, alloggiati all’interno di una cassa 106. In questo caso, il rotore 101 ruota nel normale funzionamento dell’unità a turbina a gas 100. In one embodiment, illustrated in Figures 10 and 11, the telemetry apparatus 10 is used to take measurements on a rotor 101 of a gas turbine unit 100 in operation, which includes a compressor 102, a combustion chamber 103 and a turbine 105, housed inside a casing 106. In this case, the rotor 101 rotates in the normal operation of the gas turbine unit 100.
I sensori 12 dell’apparato di telemetria 10 in questo caso comprendono estensimetri e sensori di temperatura posti su parti interne di dischi rotorici e sul tirante del rotore 1. The sensors 12 of the telemetry apparatus 10 in this case comprise strain gauges and temperature sensors placed on the internal parts of rotor discs and on the tie rod of the rotor 1.
Come mostrato più in dettaglio in figura 11, il ricevitore di alimentazione 25 del sistema di alimentazione RF 15 à ̈ posizionato sul rotore 1, in prossimità del cuscinetto 6 sul lato del compressore 102. I trasmettitori di alimentazione 22 sono alloggiati in sedi passanti 107 ricavate nella cassa 106 dell’unità a turbina a gas 100 e sono complanari fra loro e al ricevitore di alimentazione 25. Più in dettaglio, nella forma di realizzazione qui descritta, i trasmettitori di alimentazione 22 sono disposti lungo una circonferenza perpendicolare all’asse A del rotore 1 e sono uniformemente distanziate. Ad esempio, sono presenti quattro trasmettitori di alimentazione 22, ad angoli di 90°. Per semplicità , solo alcuni dei trasmettitori di alimentazione 22 sono illustrati nelle figure 10 e 11. As shown in more detail in figure 11, the feed receiver 25 of the RF feed system 15 is positioned on the rotor 1, near the bearing 6 on the side of the compressor 102. The feed transmitters 22 are housed in through seats 107 obtained in the case 106 of the gas turbine unit 100 and are coplanar with each other and with the supply receiver 25. More in detail, in the embodiment described here, the supply transmitters 22 are arranged along a circumference perpendicular to the axis A of rotor 1 and are evenly spaced. For example, there are four power transmitters 22, at 90 ° angles. For simplicity, only some of the power transmitters 22 are shown in Figures 10 and 11.
Il trasmettitore di segnale 17 à ̈ alloggiato sostanzialmente allo stesso modo del ricevitore di alimentazione 25, ad esempio in posizione diametralmente opposta rispetto all’asse A del rotore. Il ricevitore di segnale 18 à ̈ intervallato fra due trasmettitori di alimentazione 22 e si trova quindi a breve distanza dal rotore 101. The signal transmitter 17 is housed substantially in the same way as the power supply receiver 25, for example in a diametrically opposite position with respect to the axis A of the rotor. The signal receiver 18 is spaced between two power transmitters 22 and is therefore located a short distance from the rotor 101.
L’apparato di telemetria 10 comprende inoltre i componenti già descritti con riferimento alle figure da 1 a 3. In particolare, la stazione di controllo ed elaborazione 11 à ̈ collocata a distanza dell’unità a turbina a gas 100 e comprende il modulo di controllo 20 e il modulo di elaborazione 21. Il modulo di controllo 20 che à ̈ parte integrante del sistema di alimentazione RF 15, ne controlla i componenti in modo da assicurare il corretto funzionamento dei sensori 12, dei circuiti di pilotaggio 13 e del trasmettitore di segnale 17 durante la rotazione del rotore 1. Il modulo di elaborazione 21 à ̈ invece accoppiato in comunicazione al ricevitore di segnale 18 ed à ̈ configurato per raccogliere ed elaborare dati e misure rilevati mediante i sensori 12. The telemetry apparatus 10 also comprises the components already described with reference to figures 1 to 3. In particular, the control and processing station 11 is located at a distance from the gas turbine unit 100 and comprises the module control module 20 and the processing module 21. The control module 20, which is an integral part of the RF power supply system 15, controls its components in order to ensure the correct operation of the sensors 12, of the driving circuits 13 and of the transmitter signal 17 during the rotation of the rotor 1. The processing module 21 is instead coupled in communication to the signal receiver 18 and is configured to collect and process data and measurements detected by the sensors 12.
L’invenzione permette vantaggiosamente di utilizzare sistemi di telemetria per eseguire misure a bordo di rotori di turbine a gas senza necessità di interruzioni o tempi morti per la sostituzione delle sorgenti di alimentazione. I tempi per l’esecuzione delle prove sono quindi limitati alla durata effettiva delle campagne di raccolta dati. Nel caso di utilizzo in macchina funzionante, il vantaggio à ̈ particolarmente importante perché i tempi di fermo comportano un grave incremento di costi di gestione. The invention advantageously makes it possible to use telemetry systems to perform measurements on board gas turbine rotors without the need for interruptions or downtime for replacing the power sources. The times for carrying out the tests are therefore limited to the actual duration of the data collection campaigns. In the case of use in a running machine, the advantage is particularly important because the downtimes lead to a serious increase in operating costs.
L’impiego di un elemento di accumulo di energia permette di mantenere un livello adeguato di alimentazione dei componenti a bordo del rotore durante tutta la rotazione. In questo modo, à ̈ possibile compensare efficacemente eventuali zone d’ombra dove il campo elettromagnetico à ̈ schermato. A causa della complessa conformazione del rotore, che à ̈ metallico, e dei ridotti spazi a disposizione, à ̈ spesso difficile o impossibile creare un campo elettromagnetico di intensità sufficientemente uniforme attorno all’intero rotore. L’energia elettrica accumulata nella regione illuminata può essere rilasciata nella regione di buio per evitare cadute nell’alimentazione. The use of an energy storage element allows to maintain an adequate level of power supply to the components on board the rotor during the whole rotation. In this way, it is possible to effectively compensate for any shadow areas where the electromagnetic field is shielded. Due to the complex conformation of the rotor, which is metallic, and the limited space available, it is often difficult or impossible to create an electromagnetic field of sufficiently uniform intensity around the entire rotor. The electrical energy accumulated in the lighted region can be released in the dark region to avoid drops in the power supply.
L’impiego selettivo di diverse antenne di trasmissione, coordinato con la rotazione dell’antenna di ricezione, permette di evitare interferenze distruttive fra diverse sorgenti di campo elettromagnetico e di massimizzare l’estensione della regione illuminata. The selective use of different transmission antennas, coordinated with the rotation of the receiving antenna, allows to avoid destructive interference between different sources of electromagnetic field and to maximize the extension of the illuminated region.
Risulta infine evidente che al gruppo bruciatore e al metodo descritti possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall’ambito della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate. Finally, it is evident that modifications and variations can be made to the burner unit and method described, without departing from the scope of the present invention, as defined in the attached claims.
Ad esempio, il sistema di alimentazione RF potrebbe comprendere un solo trasmettitore, collegabile selettivamente in sequenza a una di una pluralità di antenne di trasmissione disposte attorno al rotore in modo da realizzare un accoppiamento “wireless†a radiofrequenza con l’antenna di ricezione sul rotore. For example, the RF power supply system could include a single transmitter, which can be selectively connected in sequence to one of a plurality of transmission antennas arranged around the rotor in order to achieve a radio frequency â € œwirelessâ € coupling with the receiving antenna. on the rotor.
Inoltre, il sistema di alimentazione RF potrebbe comprendere una pluralità di antenne di ricezione alloggiate sul rotore in rispettive posizioni angolari e collegate in parallelo al ricevitore di alimentazione. Furthermore, the RF feeding system could comprise a plurality of receiving antennas housed on the rotor in respective angular positions and connected in parallel to the feeding receiver.
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