WO1991019963A1 - Einrichtung zur feststellung von schäden an turbinenschaufeln - Google Patents

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WO1991019963A1
WO1991019963A1 PCT/DE1991/000198 DE9100198W WO9119963A1 WO 1991019963 A1 WO1991019963 A1 WO 1991019963A1 DE 9100198 W DE9100198 W DE 9100198W WO 9119963 A1 WO9119963 A1 WO 9119963A1
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turbine blades
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Walter ZÖRNER
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • G01H1/006—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines of the rotor of turbo machines
    • 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
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/003—Arrangements for testing or measuring

Definitions

  • the invention relates to a turbine with a shaft and attached Turbine ⁇ schaufel ⁇ and with a housing surrounding the turbine blade, wherein a vibration monitoring device is provided to determine damage to the turbine blades.
  • the invention is particularly suitable for the low-pressure part of a steam turbine where large, mechanically stressed turbine blades are located.
  • the invention is based on the task of already detecting impending damage to individual turbine blades, because then by a timely replacement which could generally be avoided as a result of much larger consequential damage
  • the invention is based on the knowledge that turbine blades do not tear off spontaneously, but that a relatively slowly progressive crack formation due to alternating stress precedes the final failure.
  • the stated object is achieved in that for turbines of the type mentioned at the beginning with several turbine blades distributed around the circumference of the shaft, one part of a magnetically coupled circuit is provided at the end facing the housing, and in that the other part of the magnetically coupled circuit is arranged on the housing and is connected as a transmitter to an evaluation circuit in such a way that the vibration behavior changed by a crack on a turbine blade is detected.
  • the changing vibration amplitude at the tip of the turbine blade concerned can be detected with the invention, namely during operation.
  • permanent magnets are used in the blade head, so they induce them in a coil, which in the housing, e.g. the fixed guide vane carrier, sits a voltage that is characteristic of a given amplitude.
  • the signal distances to adjacent blades and the signal characteristics change.
  • the signal formation of the vibrating turbine blade is determined by the geometry of the blades and the properties of the coil.
  • the invention can be implemented particularly advantageously with a comparison in which the present operating data (actual values) are compared with the initial values (target values), which were recorded and stored when the system was started up or during test runs.
  • each blade can advantageously be identified by a marking on the blade head, in particular a magnetic coding, so that an exact location of the damage is possible.
  • the current state of the blade vibrations can be recorded continuously, intermittently or depending on other alarm signals on the turbine during operation.
  • the actual values can be saved and compared with the target values in a computer-controlled manner using an evaluation program.
  • the actual speed and the power of the turbine can also be assigned for a comprehensive evaluation of the vibration monitoring.
  • FIG 1 simplified in a cross section
  • Turbine is a steam turbine for driving a generator and has a high and a low pressure part. The cut passes through the last section, revealing the essentially rotationally symmetrical structure in a section.
  • turbine blades 2 made of chrome steel are fastened, which have a length of 1 in the final stage. They are anchored in the turbine shaft 1 with their blade root. Their blade head 3 is separated by a gap 4 from an inner housing 5, which is arranged in a fixed manner in the outer housing 6 as a carrier of the guide blades, not shown. Extending from the outer housing 6 to the inner housing 5 is a transmitter 7 for vibration monitoring, which projects through recesses 8 and 9 and which is explained in more detail with reference to FIG.
  • the insert 11 has, as the tilted representation of the blade profile shows, an elongated shape with an oblique position adapted to the blade profile.
  • the transmitter 7 forms the other part of the magnetic circuit 10 assigned to the housing 5, 6. Its essential component is a coil 13 with ceramic insulation (ceramic coil) sitting on a core 12. It is accommodated in a cover 14 which is fastened with two flanges 15 and 16 to the inner housing 5 and the outer housing 6, respectively. Between the flanges 15 and 16, the cover 14 is designed as a corrugated tube 17 to compensate for thermal movements.
  • the permanent magnet 11 When the turbine is in operation, the permanent magnet 11 induces voltages in the coil 13 which are fed as signal values to an evaluation circuit (not shown). They are characteristic of the vibration behavior of the turbine Schaufei 2 and can therefore be used for error detection if the vibration behavior, especially the amplitude, but possibly also the frequency, changes due to cracks that occur primarily at the blade base. For this reason, the turbine can be taken out of operation in good time and the turbine blade 2 can be replaced in a short standstill phase before the turbine blade 2 with its consequential damage tearing off requires much longer repair times.
  • turbine blades 2 are equipped with a magnetic part.
  • Magnetic coding of the individual turbine blades 2 can be e.g. can be obtained by a different length of the insert 11.
  • the vibration characteristics of the individual blades 2 can be averaged with a single transmitter 7.
  • several sensors 7 are advantageous, which can be arranged distributed on the housing 5, 6.
  • the device is preferred for the low-pressure part of an expansion turbine. Instead, it is also suitable when using a high-temperature-resistant ceramic coil for use with turbine blades 2 in high and medium pressure turbines.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine mit einer Welle (1) und daran befestigten Turbinenschaufeln (2). In dem die Turbinenschaufeln (2) umgebenden Gehäuse (5, 6) erfolgt eine Schwingungsüberwachung zur Feststellung von Schäden an Turbinenschaufeln (2) mit einem magnetischen Kreis (10), der vorzugsweise einen Permanentmagnet (11) im Schaufelkopf (3) und einen Geber (7) im Gehäuse (5, 6) umfaßt. Die Erfindung kommt insbesondere für den Niederdruckteil von Dampfturbinen in Frage, wo große, mechanisch besonders beanspruchte Turbinenschaufeln (2) sitzen. Die Erfindung eignet sich auch bei Verwendung einer hochtemperaturbeständigen Keramikspule für den Einsatz bei Turbinenschaufeln (2) in Hoch- und Mitteldruckturbinen.

Description

EINRICHTUNG ZUR FESTSTELLUNG VON SCHÄDEN AN TURBINENSCHAUFELN
Die Erfindung betrifft eine Turbine mit einer Welle und daran befestigten Turbineπschaufelπ und mit einem die Turbinenschaufe umgebenden Gehäuse, wobei eine Schwingungsüberwachungseinrichtu zur Feststellung von Schäden an den Turbinenschaufeln vorgesehe ist. Die Erfindung kommt insbesondere für den Niederdruckteil einer Dampfturbine in Frage, wo große, mechanisch besonders beanspruchte Turbinenschaufeln sitzen.
Es ist bekannt, bei der Entwicklung von Endstufen moderner Damp turbinen mit Schaufeln bis zu 1 m Länge das Schwingungsverhalte mit Dehnungsmeßstreifen zu überwachen, deren Signale über eine telemetrische Signalverarbeitung erfaßt werden. Diese Methode eignet sich jedoch nur für niedrige Temperaturen und versagt bei Dauerbetrieb wegen ihrer Störanfälligkeit.
Bekannt geworden ist auch die Erfassung der Amplitudenmessung der Schaufeln mittels eines Laserstrahls. Der Nachteil dieser Methode ist jedoch, daß bei Belägen an den Schaufeln die Signal¬ erfassung gestört wird. Ferner kann dieses Verfahren nur durch einen großen Aufwand mit Kühlung bei höheren Temperaturen ein¬ gesetzt werden.
Im Betrieb läßt sich das Abreißen größerer Schaufeln daran er¬ kennen, daß die damit verbundene Unwucht das Schwingungsver- halten der Turbinenwelle erkennbar verändert. Der Schaden ist dann jedoch bereits eingetreten und eine Reparatur mit einem längeren Betriebsstillstand unvermeidlich.
Demgegenüber geht die Erfindung von der Aufgabe aus, bereits einen sich anbahnenden Schaden an einzelnen Turbinenschaufeln festzustellen, weil dann durch eine rechtzeitige Auswechslung die im allgemeinen wesentlich größeren Folgeschäden vermieden werden könnten.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß Turbinenschaufeln nicht spontan abreißen, sondern daß eine relativ langsam fort¬ schreitende Rißbildung durch Wechselbeanspruchung dem endgülti gen Versagen vorangeht. Gemäß der Erfindung wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß für Turbinen der eingangs genannte Art bei mehreren um den Umfang der Welle verteilten Turbinen- schaufeln an dem dem Gehäuse zugekehrten Ende der eine Teil eines magnetisch gekoppelten Kreises vorgesehen ist, und daß der andere Teil des magnetisch gekoppelten Kreises am Gehäuse angeordnet und als Geber derart mit einer Auswertungsschaltung verbunden ist, daß das durch einen Anriß an einer Turbinen- schaufei veränderte Schwingungsverhalten erfaßt wird.
Mit der Erfindung kann vor allem die sich ändernde Schwingungs amplitude an der Spitze der betroffenen Turbinenschaufel er¬ kannt werden, und zwar während des Betriebes. Sind z.B. nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Schaufelkop Permanentmagnete eingesetzt, so induzieren diese in einer Spule, die im Gehäuse, z.B. dem festen Leitschaufelträger, sitzt, eine Spannung, die charakteristisch ist für eine gege¬ bene Amplitude. Bei Änderung der Amplitude einer oder mehrerer Turbinenschaufeln ändern sich die Signalabstände zu benach¬ barten Schaufeln und die Signalcharakteristik. Dabei ist die Signalausbildung der schwingenden Turbinenschaufel durch die Geometrie der Beschaufelung und die Eigenschaften der Spule festgelegt. Besonders vorteilhaft läßt sich die Erfindung mit einem Vergleich verwirklichen, bei dem die vorliegenden Be¬ triebsdaten (Istwerte) mit den Anfangswerten (Sollwerte) ver¬ glichen werden, die bei Inbetriebnahme der Anlage oder bei Ver suchsläufen aufgenommen und gespeichert wurden.
Um einen sich anbahnenden Schaden sicher zu erkennen und Fehle auszuschließen, können zur Analyse der Schwingung mehrere Wellenumläufe herangezogen werden, damit die tatsächlichen maximalen Amplituden der geschädigten Turbinenschaufel erfaßt werden. Ferner kann die Genauigkeit der Messung durch zusätz¬ liche Geber erhöht werden, die vorzugsweise im Gehäuse verteil angeordnet sind.
Die in der Beschaufelung von Turbinen auftretenden hohen Tempe raturen werden bei einer Weiterbildung der Erfindung dadurch beherrscht, daß die im magnetischen Kreis verwendeten Spulen eine Keramikisolierung aufweisen. Solche Spulen können auch anstelle möglicherweise temperaturempfindlicher Permanentma¬ gnete eingesetzt werden, wenn sie mit Gleichspannung gespeist werden. Durch eine Markierung am Schaufelkopf, insbesondere eine magnetische Kodierung, läßt sich vorteilhafterweise die Lage jeder Schaufel erkennen, so daß eine genaue Schadensort¬ ung möglich ist.
Die Aufnahme des Istzustandes der Schaufelschwingungen kann während des Betriebes ständig, intermittierend oder abhängig von anderen Alarmsignalen an der Turbine erfolgen. In jedem Fall können die Istwerte gespeichert und so rechnergesteuert über ein Auswertprogramm mit den Sollwerten verglichen werden. Dabei können zur umfassenden Bewertung der Schwingungsüber¬ wachung auch die Ist-Drehzahl und die Leistung der Turbine zu- geordnet werden.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird anhand der Zeichnun ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigt
FIG 1 einen vereinfachten Teilquerschnitt einer Turbine und
FIG 2 in größerem Maßstab Einzelheiten des magnetischen Kreises.
Die in FIG 1 in einem Querschnitt vereinfacht dargestellte
Turbine ist eine Dampfturbine zum Antrieb eines Generators und hat einen Hoch- und einen Niederdruckteil. Durch den letzten geht der Schnitt, der in einem Ausschnitt den im wesentlichen rotationssymmetrischen Aufbau erkennen laßt.
An der Turbinenwelle 1 sind Turbinenschaufeln 2 aus Chromstahl befestigt, die in der Endstufe eine Länge von 1 haben. Sie sind mit ihrem Schaufelfuß in der Turbinenwelle 1 verankert. Ihr Schaufelkopf 3 ist durch einen Spalt 4 von einem Innen¬ gehäuse 5 getrennt, das als Träger der nicht dargestellten Leitschaufeln feststehend in dem Außengehäuse 6 angeordnet ist. vom Außengehäuse 6 zum Innengehäuse 5 erstreckt sich ein Geber 7 zur Schwingungsüberwachung, der durch Ausnehmungen 8 und 9 ragt und der anhand der FIG 2 näher erläutert wird.
Zur Schwingungsüberwachung dient ein magnetischer Kreis 10, dessen nicht dargestellte Kraftlinien den Spalt 4 überbrücken. Sie gehen von einem in die Turbinenschaufeln 2 am Schaufel¬ kopf 3 eingelassenen Einsatz 11 aus, der als Permanentmagnet den an der Schaufel 2 angeordneten Teil des magnetischen Kreises 10 bildet. Der Einsatz 11 hat, wie die gekippte Dar¬ stellung des Schaufelprofils zeigt, eine längliche Form mit einer dem Schaufelprofil angepaßten schrägen Lage.
Der Geber 7 bildet den dem Gehäuse 5, 6 zugeordneten anderen Teil des magnetischen Kreises 10. Sein wesenlticher Bestand¬ teil ist eine auf einem Kern 12 sitzende Spule 13 mit kerami¬ scher Isolierung (Keramikspule). Sie ist in einer Abdeckung 14 untergebracht, die mit zwei Flanschen 15 und 16 am Innengehäu¬ se 5 bzw. am Außengehäuse 6 befestigt ist. Zwischen den Flan- sehen 15 und 16 ist die Abdeckung 14 zum Ausgleich von Wärme¬ bewegungen als Wellrohr 17 gestaltet.
Beim Betrieb der Turbine induziert der Permanentmagnet 11 in der Spule 13 Spannungen, die als Signalwerte einer nicht darge- stellten Auswertungsschaltung zugeführt werden. Sie sind charakteristisch für das Schwingungsverhalten der Turbinen- schaufei 2 und können deshalb zur Fehlererkennung dienen, wenn sich das Schwingungsverhalten, besonders die Amplitude, ge¬ gebenenfalls aber auch die Frequenz, durch Anrisse ändert, die vor allem am Schaufεlfuß auftreten. Deshalb kann die Turbine rechtzeitig außer Betrieb genommen und die Turbinenschaufel 2 in einer kurzen Stillstandsphase ausgewechselt werden, bevor durch das Abreißen der Turbinenschaufel 2 mit seinen Folge¬ schäden wesentlich längere Reparaturzeiten notwendig werden.
Im Gegensatz zu der vereinfachten Darstellung des Ausführungs¬ beispiels werden in der Praxis mehrere, unter Umständen auch alle Turbinenschaufeln 2 mit einem magnetischen Teil ausgerüst Dabei kann eine magnetische Kodierung der einzelnen Turbinen¬ schaufeln 2 z.B. durch eine unterschiedliche Länge des Einsatz 11 erhalten werden. Damit können die Schwingungscharakteristik der einzelnen Schaufeln 2 schon mit einem einzelnen Geber 7 er mittelt werden. Im Hinblick auf Ausfallsicherheit und Meßgenau keit sind jedoch mehrere Geber 7 vorteilhaft, die am Gehäuse 5, 6 verteilt angeordnet sein können.
Oben war dargelegt worden, daß die Einrichtung bevorzugt für den Niederdruckteil einer Entspannungsturbiπe in Frage kommt. Stattdessen eignet sie sich auch bei Verwendung einer hochtemperaturbeständigen Keramikspule für den Einsatz bei Turbinenschaufeln 2 in Hoch- und Mitteldruckturbinen.

Claims

Patentansprüche
1. Turbine mit einer Welle (1), mit an dieser befestigten Turbinenschaufeln (2) und mit einem die Turbinenschaufeln (2) umgebenden Gehäuse (5, 6), insbesondere Niederdruckteil einer mehrstufigen Dampfturbine, wobei eine Schwingungsüberwachungs- einrichtung zur Feststellung von Schäden an den Turbinenschaufeln (2) vorgesehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, - daß bei mehreren um den Umfang der Welle (1) verteilten Turbine schaufeln (2) an dem dem Gehäuse (5, 6) zugekehrten Ende (3) der eine Teil (11) eines magnetisch gekoppelten Kreises (10), insbe¬ sondere ein Permanentmagnet, vorgesehen ist, und - daß der andere Teil (7) des magnetisch gekoppelten Kreises (10) insbesondere eine Induktionsspule (13), am Gehäuse (5, 6) angeord net und als Geber (7) derart mit einer Auswertungsschaltung ver¬ bunden ist, daß das durch einen Anriß an einer Turbinenschaufel ( veränderte Schwingungsverhalten erfaßt wird.
2. Turbine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n¬ z e i c h n e t , daß mehrere Geber (7) im Gehäuse (5, 6) verteilt angeordnet sind.
3. Turbine nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e- k e n n z e i c h n e t , daß der der Turbineπschaufel (2) zuge ordnete Teil (11) des magnetischen Kreises (10) eine in die Turbinenschaufel (2) eingelassene hochtemperaturfeste Spule ist, die mit Gleichspannung gespeist wird.
4. Turbine nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die in dem magnetischen Kreis vorzugsweise verwendete Spule (13) eine Keramikisolierung aufweist.
5. Turbine nach einem der der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Auswertungsschaltung einen Speicher zur Festlegung eines Sollwertes, vorzugsweise eines störungsfreien Anfangszustandes, für einen Vergleich mit dem Ist-Wert aufweist.
6. Turbine nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n¬ z e i c h n e t , daß der Sollwert eine Variable in Ab¬ hängigkeit von der Drehzahl und/oder der Leistung der Turbine ist.
7. Turbine nach Anspruch 1 bis 6, d a d u r c h g e¬ k e n n z e i c h n e t , daß der den Turbinenschaufeln (2) zu geordnete Teil (11) des magnetischen Kreises (10) eine für die einzelne Turbinenschaufel (2) kennzeichnende Kodierung umfaßt.
PCT/DE1991/000198 1990-06-13 1991-03-06 Einrichtung zur feststellung von schäden an turbinenschaufeln WO1991019963A1 (de)

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