WO2005083237A1 - Verfahren und vorrichtung zur identifikation eines wellenbruchs und/oder einer überdrehzahl an einer gasturbine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur identifikation eines wellenbruchs und/oder einer überdrehzahl an einer gasturbine Download PDF

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    • F01D21/02—Shutting-down responsive to overspeed

Definitions

  • the invention relates to a method for identifying a shaft break and / or an overspeed on a gas turbine, in particular on aircraft engines. Furthermore, the invention relates to a device for identifying a shaft break and / or an overspeed on a gas turbine.
  • gas turbines such as aircraft engines, comprise at least one compressor and at least one turbine.
  • the compressor and the turbine are connected to one another via a single rotating shaft.
  • the gas turbine has two compressors and two turbines, namely a low-pressure compressor, a high-pressure compressor, a high-pressure turbine and a low-pressure turbine, the low-pressure compressor and the low-pressure turbine are connected to one another via a first shaft and the high-pressure compressor and the high-pressure turbine via a second shaft.
  • the two shafts then generally run coaxially with one another, one of the two shafts enclosing the other.
  • Overspeeds of a gas turbine must definitely be avoided.
  • a possible cause for the occurrence of overspeed is, for example, a break in a shaft of the gas turbine. If, for example, such a shaft break occurs, a compressor coupled to the broken shaft no longer draws power from the corresponding turbine, which causes the turbine to overturn.
  • Another reason for an overspeed of the gas turbine can be a stall in the compressor. Since considerable damage to the gas turbine can be caused by overspeeds, overspeeds, which are caused, for example, by a shaft break, must be reliably detected or identified.
  • DE 195 24 992 Cl discloses a method for regulating a shaft engine with a microcontroller with monitoring of the engine for shaft breakage and overspeed. According to the method disclosed there, speeds are measured with the aid of sensors, and the engine is checked for shaft breakage and overspeed based on these speeds. If such a malfunction is detected, the fuel supply to the combustion chamber is interrupted and the gas turbine is deactivated. In connection With the method disclosed in DE 195 24 992 C1, it is necessary to determine a differential speed between a compressor-side end or section and a turbine-side end or section of the gas turbine shaft. Accordingly, speeds must be recorded at at least two points, at a first point on the compressor side and at a second point on the turbine side.
  • the present invention is based on the problem of creating a novel method for identifying a shaft break and / or an overspeed on a gas turbine and a corresponding device.
  • the integrity of at least one optical waveguide or current conductor assigned to the rotating component is monitored, with a change from during the Monitoring of the or each optical fiber or current conductor determined signals a shaft break and / or an overspeed is identifiable.
  • the device according to the invention is defined in independent claim 3.
  • At least one optical waveguide is assigned to a rotor shaft of the gas turbine.
  • the or each optical fiber rotates together with the rotating shaft.
  • the or each optical waveguide is preferably assigned to the rotating shaft in such a way that the or each optical waveguide, starting from a compressor-side end, is guided in a loop along a longitudinal axis in the direction of a turbine-side end and back again in the direction of the compressor-side end. Accordingly, on the one hand an optical signal is fed into the or each optical waveguide at the compressor end of the shaft, and on the other hand an optical signal is also tapped at the or each optical waveguide at the compressor end of the shaft.
  • Devices for signal injection and signal tapping therefore only have to be assigned to the compressor-side end of the shaft and are therefore only exposed to the relatively cold conditions inside the compressor. Only the or each optical waveguide extends in the region of the relatively hot turbine, but the optical waveguides are insensitive to high temperatures. The signal transmission through an optical waveguide is in fact not impaired even at temperatures such as occur at the turbine-side end of the rotating shaft.
  • the or each optical waveguide is also interrupted and a signal loss occurs in the area of the tapped output signal.
  • a wave break can be concluded directly and unambiguously in the event of such a signal loss on the tapped signal.
  • localization of the wave break is also possible.
  • At least one device for signal feeding is assigned to the compressor-side end of the shaft. This rotates together with the shaft.
  • This can be a photodiode, for example.
  • the energy supply to the device for the light feed can take place, for example, by induction, which occurs when the shaft rotates when the coils are arranged accordingly. Alternatively, the energy supply to the light feed can also be provided by energy stores, such as batteries or accumulators.
  • the compressor-side end of the rotating shaft is also assigned a device for signal detection or signal tapping, which also rotates with the shaft. This can also be a photodiode.
  • the optical signals picked up by the device for signal detection on the or each optical waveguide are preferably passed on to an evaluation device which is fixed in relation to the rotating shaft and in relation to the components or devices rotating together with the shaft.
  • the signal transmission to the evaluation device can take place via a transmitter-receiver configuration or directly via optical fibers.
  • Signal transmission can also be implemented using lasers. Mirrors can be used to deflect the laser light.
  • each optical waveguide assigned to the rotating shaft can be arranged partly inside and partly outside the shaft.
  • the optical waveguides can thus be guided along either an inside or an outside of the shaft.
  • the embedding of the optical waveguides in corresponding V-grooves on the inside of the shaft is preferred.
  • the principle according to the invention can also be used in a simple manner in multi-shaft gas turbines.
  • each wave is assigned at least one optical waveguide with corresponding devices for signal injection and / or signal detection.
  • a single evaluation device can take over the signal evaluation for the optical fibers of all waves.
  • optical fibers instead of optical fibers, electrical current conductors can also be used. If an electrical current conductor breaks as a result of a wave break, a change in the output signal which can be tapped from the current conductor can also be detected. A combination of optical fibers and current conductors can also be used.
  • the present invention With the help of the present invention, a reliable detection or detection of a shaft break and thus of overspeed is possible.
  • assemblies of the gas turbine for example the rotors, can be made slimmer and lighter, which on the one hand leads to weight savings and on the other hand to cost savings.
  • Only relatively few components are required to determine the shaft break or the overspeed.
  • the system according to the invention has a compact structure and detects a shaft break immediately and directly, without having to take any further mechanisms into account.
  • the present invention only requires coupling and decoupling from the shaft at the compressor end thereof, which makes the arrangement of sensors in the hot turbine region superfluous. In addition to shaft breakage, speeds and changes in length of the shaft can be detected.
  • system according to the invention can be designed redundantly with simple means. Simply multiply the number of optical fibers or current conductors used. Devices for feeding and tapping optical signals and an evaluation device can be maintained independently of this. Furthermore, a shaft break and / or an overspeed can also be detected in a simple and safe manner on multi-shaft gas turbines.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifikation eines Wellen­bruchs und/oder einer Überdrehzahl an einer Gasturbine, insbesondere an rotierenden Bauteilen eines Flugtriebwerks. Erfindungsgemäss wird die Integrität mindestens einer, einem rotierenden Bauteil zugeordneten Ein­richtung überwacht, wobei aus einer Veränderung von während dieser Überwachung ermittelten Signalen ein Wellenbruch und/oder eine Überdrehzahl identifizierbar ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Identifikation eines Wellenbruchs und/oder einer Überdrehzahl an einer Gasturbine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifikation eines Wellenbruchs und/oder einer Überdrehzahl an einer Gasturbine, insbesondere an Flugtriebwerken. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Identifikation eines Wellenbruchs und/oder einer Überdrehzahl an einer Gasturbine.
Gasturbinen, wie zum Beispiel Flugtriebwerke, umfassen neben einer Brennkammer mindestens einen Verdichter und mindestens eine Turbine. Bei Gasturbinen, die lediglich einen einzigen Verdichter sowie eine einzige Turbine aufweisen, sind der Verdichter und die Turbine über eine einzige rotierende Welle miteinander verbunden. Verfügt die Gasturbine über zwei Verdichter sowie zwei Turbinen, nämlich über einen Niederdruckverdichter, einen Hochdruckverdichter, eine Hochdruckturbine sowie eine Niederdruckturbine, so sind der Niederdruckverdichter sowie die Niederdruckturbine über eine erste Welle sowie der Hochdruckverdichter sowie die Hochdruckturbine über eine zweite Welle miteinander verbunden. Die beiden Wellen verlaufen dann in der Regel koaxial zueinander, wobei eine der beiden Wellen die andere umschließt.
Überdrehzahlen einer Gasturbine müssen sicher vermieden werden. Eine mögliche Ursache für das Auftreten von Überdrehzahlen ist zum Beispiel ein Bruch einer Welle der Gasturbine. Tritt zum Beispiel ein derartiger Wellenbruch auf, so entnimmt ein mit der gebrochenen Welle gekoppelter Verdichter der entsprechenden Turbine keine Leistung mehr, wodurch ein Überdrehen der Turbine verursacht wird. Ein weiterer Grund für eine Überdrehzahl der Gasturbine kann ein Strömungsabriss im Verdichter sein. Da durch Überdrehzahlen erhebliche Schäden an der Gasturbine verursacht werden können, müssen Überdrehzahlen, die zum Beispiel durch einen Wellenbruch hervorgerufen werden, sicher detektiert bzw. identifiziert werden.
Die DE 195 24 992 Cl offenbart ein Verfahren zur Regelung eines Wellentriebwerks mit einem Mikrosteuergerät mit Überwachung des Triebwerks auf Wellenbruch und Überdrehzahl. Nach dem dort offenbarten Verfahren werden mithilfe von Sensoren Drehzahlen gemessen und auf Basis dieser Drehzahlen wird das Triebwerk auf Wellenbruch und Überdrehzahl geprüft. Wird eine derartige Fehlfunktion erkannt, so wird die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer unterbrochen und die Gasturbine wird deaktiviert. Im Zusammenhang mit dem in DE 195 24 992 Cl offenbarten Verfahren ist die Bestimmung einer Differenzdrehzahl zwischen einem verdichterseitigen Ende bzw. Abschnitt und einem turbinenseitigen Ende bzw. Abschnitt der Gasturbinenwelle erforderlich. Demnach müssen an mindestens zwei Punkten, an einem ersten verdichterseitigen Punkt und an einem zweiten turbinenseitigen Punkt, Drehzahlen erfasst werden. Speziell im heißen Turbinenbereich erfordert eine Drehzahlbestimmung aufwendige Vorkehrungen, wodurch sich die Umsetzung des aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens als teuer und aufwendig erweist. Weiterhin ist das aus DE 195 24 992 Cl bekannte Verfahren nur an ein- bzw. zweiwelligen Gasturbinen einsetzbar. Für mehrwellige Gasturbinen hingegen ist dieses aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren nicht praktikabel. Dies trifft insbesondere auf mehr als zweiwellige Gasturbinen zu, da eine von rotierenden Wellen umgebene Welle nicht ohne weiteres auf ein stehendes Referenzsystem bezogen werden kann.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Identifikation eines Wellenbruchs und/oder einer Überdrehzahl an einer Gasturbine sowie eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren zur Identifikation eines Wellen- bruchs und/oder einer Überdrehzahl an Gasturbinen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird die Integrität mindestens einer, einem rotierenden Bauteil zugeordneten Einrichtung überwacht, wobei aus einer Veränderung von während dieser Überwachung ermittelten Signalen ein Wellenbruch und/oder eine Überdrehzahl identifizierbar ist.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, anstelle der Integrität der rotierenden Welle die Integrität einer der Welle zugeordneten Einrichtung zu überwachen, und bei einer detektierten Veränderung der während dieser Überwachung ermittelten Signale auf einen Wellenbruch und/oder eine Überdrehzahl zu schließen. Der Zustand der Einrichtung ist demnach direkt mit dem Zustand der rotierenden Welle gekoppelt. Mithilfe der hier vorliegenden Erfindung ist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen sowie Verfahren eine deutlich einfachere und kostengünstigere Identifikation eines Wellenbruchs möglich. Auch ist an mehrwelligen Gasturbinen auf einfache und sichere Art und Weise ein Wellenbruch und/oder eine Überdrehzahl detektierbar .
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Integrität mindestens eines, dem rotierenden Bauteil zugeordneten Lichtwellenleiters oder Stromleiters überwacht, wobei aus einer Veränderung von während der Überwachung des oder jedes Lichtwellenleiters oder Stromleiters ermittelten Signalen ein Wellenbruch und/oder eine Überdrehzahl identifizierbar ist .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist im unabhängigen Patentanspruch 3 definiert .
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der hier vorliegenden Erfindung ist einer Rotorwelle der Gasturbine mindestens ein Lichtwellenleiter zugeordnet. Der oder jeder Lichtwellenleiter rotiert zusammen mit der rotierenden Welle. Der oder jeder Lichtwellenleiter ist dabei vorzugsweise derart der rotierenden Welle zugeordnet, dass der oder jeder Lichtwellenleiter ausgehend von einem verdichterseitigen Ende entlang einer Wellenlängsachse in Richtung auf ein turbinenseitiges Ende und wieder zurück in Richtung auf das verdichterseitige Ende schleifenartig geführt ist. Demnach wird einerseits am verdichterseitigen Ende der Welle in den oder jeden Lichtwellenleiter ein optisches Signal eingespeist, und anderseits wird ebenfalls am verdichterseitigen Ende der Welle an dem oder jedem Lichtwellenleiter ein optisches Signal abgegriffen. Einrichtungen zur Signaleinspeisung sowie zum Signalabgriff müssen demnach lediglich dem verdichterseitigen Ende der Welle zugeordnet werden, und sind daher lediglich den relativ kalten Bedingungen innerhalb des Verdichters ausgesetzt. In Bereich der relativ heißen Turbine erstreckt sich lediglich der oder jeder Lichtwellenleiter, wobei jedoch die Lichtwellenleiter unempfindlich gegenüber hohen Temperaturen sind. Die Signalübertragung durch einen Lichtwellenleiter wird nämlich auch bei Temperaturen, wie sie am turbinenseitigen Ende der rotierenden Welle auftreten, nicht beeinträchtigt.
Tritt bei der obigen, erfindungsgemäßen Konfiguration ein Wellenbruch auf, so wird auch der oder jeder Lichtwellenleiter unterbrochen und es tritt ein Signalverlust im Bereich des abgegriffenen Ausgangssignals auf. Insofern kann bei einem derartigen Signalverlust am abgegriffenen Signal unmittelbar und eindeutig auf einen Wellenbruch geschlossen werden. Bei Verwendung mehrerer schleifenartig geführter Lichtwellenleiter ist darüber hinaus eine Lokalisierung des Wellenbruchs möglich.
Während des fehlerfreien Funktionsbetriebs der Gasturbine wird demnach beim Einleiten eines optischen Signals in den oder jeden Lichtwellenlei- ter an dem oder jedem Lichtwellenleiter ein entsprechendes optisches Ausgangssignal abgegriffen, wobei es während des normalen Betriebs der Gasturbine zu keinem signifikanten Abfall des Signalpegels am Ausgangssignal kommt. Tritt jedoch ein Wellenbruch und damit ein Bruch mindestens eines Lichtwellenleiters auf, so reißt das Ausgangssignal ab. Als Folge kann eine Brennstoffzufuhr zu einer Brennkammer der Gasturbine unterbrochen werden.
Zur Einspeisung eines optischen Signals in den oder jeden zusammen mit der Welle rotierenden Lichtwellenleiter ist dem verdichterseitigen Ende der Welle mindestens eine Einrichtung zur Signaleinspeisung zugeordnet. Diese rotiert zusammen mit der Welle. Es kann sich hierbei zum Beispiel eine Photodiode handeln. Die energetische Versorgung der Einrichtung zur Lichteinspeisung kann zum Beispiel durch Induktion erfolgen, die sich bei entsprechender Anordnung von Spulen bei der Rotation der Welle einstellt. Alternativ kann die energetische Versorgung der Lichteinspeisung auch durch Energiespeicher, wie zum Beispiel Batterien oder Akkumulatoren, erfolgen. Neben der Einrichtung zur Signaleinspeisung ist dem verdichterseitigen Ende der rotierenden Welle ebenfalls eine Einrichtung zur Sig- nalerfassung bzw. zum Signalabgriff zugeordnet, die auch mit der Welle rotiert. Hierbei kann es sich ebenfalls um eine Photodiode handeln.
Die von der Einrichtung zur Signalerfassung an dem oder jedem Lichtwellenleiter abgegriffenen, optischen Signale werden vorzugsweise zu einer Auswerteeinrichtung weitergeleitet, die gegenüber der rotierenden Welle und gegenüber den zusammen mit der Welle rotierenden Komponenten bzw. Einrichtungen feststeht. Die Signalübertragung zur Auswerteeinrichtung kann über eine Sender-Empfänger-Konfiguration oder direkt über Lichtwellenleiter erfolgen. Weiterhin kann eine Signalübertragung mithilfe von Lasern realisiert werden. Zu Umlenkung des Laserlichts können Spiegel zum Einsatz kommen.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der oder jeder der rotierenden Welle zugeordnete Lichtwellenleiter teilweise innerhalb sowie teilweise außerhalb der Welle angeordnet sein kann. So können die Lichtwellenleiter entweder auf einer Innenseite oder eine Außenseite der Welle entlanggeführt werden. Bevorzugt ist die Einbettung der Lichtwellenleiter in entsprechende V-Nuten auf der Innenseite der Welle. Auch ist es möglich, der Welle eine hitzebeständige Hülse zuzuordnen, welche in die Welle eingeschoben wird, und in welcher der Lichtwellenleiter geführt ist. Das erfindungsgemäße Prinzip ist auch auf einfache Art und Weise bei mehrwelligen Gasturbinen einsetzbar. Hierzu wird jeder Welle mindestens ein Lichtwellenleiter mit entsprechenden Einrichtungen zur Signaleinsspeisung und/oder Signalerfassung zugeordnet. Eine einzige Auswerteeinrichtung kann die Signalauswertung für die Lichtwellenleiter aller Wellen übernehmen .
Anstelle von Lichtwellenleitern können auch elektrische Stromleiter zum Einsatz kommen. Bei einem in Folge eines Wellenbruchs verursachten Bruch eines elektrischen Stromleiters ist ebenfalls eine Veränderung des am Stromleiter abgreifbaren Ausgangssignals detektierbar . Auch kann eine Kombination von Lichtwellenleitern und Stromleitern zum Einsatz kommen.
Mithilfe der hier vorliegenden Erfindung ist eine sichere Feststellung bzw. Detektion eines Wellenbruchs und damit von Überdrehzahlen möglich. Infolgedessen können Baugruppen der Gasturbine, zum Beispiel die Rotoren, schlanker und leichter ausgeführt werden, was einerseits zu Gewichtseinsparungen und andererseits zu Kosteneinsparungen führt. Es sind nur relativ wenige Komponenten zur Feststellung des Wellenbruchs bzw. der Überdrehzahl erforderlich. Das erfindungsgemäße System ist kompakt aufgebaut und detektiert einen Wellenbruch unmittelbar und direkt, ohne weitere Mechanismen berücksichtigen zu müssen. Im Gegensatz zur Ermittlung eines Wellenbruchs über Differenzgeschwindigkeiten, ist bei der hier vorliegenden Erfindung eine Einkopplung und Auskopplung von der Welle lediglich am verdichterseitigen Ende derselben erforderlich, was die Anordnung von Sensoren im heißen Turbinenbereich überflüssig macht. Zusätzlich zum Wellenbruch können Drehzahlen und Längenveränderungen der Welle detektiert werden. Des weiteren kann das erfindungsgemäße System mit einfachen Mitteln redundant ausgeführt werden. Es ist lediglich die Anzahl der verwendeten Lichtwellenleiter bzw. Stromleiter zu vervielfachen. Einrichtungen zur Einspeisung und zum Abgreifen optischer Signale sowie eine Auswerteeinrichtung können unabhängig hiervon beibehalten werden. Weiterhin ist auch an mehrwelligen Gasturbinen auf einfache und sichere Art und Weise ein Wellenbruch und/oder eine Überdrehzahl detektierbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Identifikation eines Wellenbruchs und/oder einer Überdrehzahl an einer Gasturbine, insbesondere an rotierenden Bauteilen eines Flugtriebwerks, dadurch gekennzeichnet, dass die Integrität mindestens einer, einem rotierenden Bauteil zugeordneten Einrichtung überwacht wird, und dass aus einer Veränderung von während dieser Überwachung ermittelten Signalen ein Wellenbruch und/oder eine Überdrehzahl identifizierbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Integrität mindestens eines, dem rotierenden Bauteil zugeordneten Lichtwellenleiters oder Stromleiters überwacht wird, und dass aus einer Veränderung von während der Überwachung des oder jedes Lichtwellenleiters oder Stromleiters ermittelten Signalen ein Wellenbruch und/oder eine Überdrehzahl identifizierbar ist.
3. Vorrichtung zur Identifikation einer Überdrehzahl und/oder eines Wellenbruchs an einer Gasturbine, insbesondere an rotierenden Bauteilen eines Flugtriebwerks, gekennzeichnet durch mindestens eine, einem rotierenden Bauteil zugeordnete Einrichtung, die auf ihre Integrität überprüfbar ist, wobei aus einer Veränderung von während einer Überwachung der oder jeder Einrichtung ermittelten Signalen ein Wellenbruch und/oder eine Überdrehzahl identifizierbar ist .
4. Vorrichtung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass die dem rotierenden Bauteil zugeordnete Einrichtung mindestens einen Lichtwellenleiter oder Stromleiter umfasst, und dass aus einer Veränderung von während der Überwachung des oder jedes Lichtwellenleiters oder Stromleiters ermittelten Signalen ein Wellenbruch und/oder eine Überdrehzahl identifizierbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mindestens einen Lichtwellenleiter umfasst, wo- bei der oder jeder Lichtwellenleiter mindestens einer rotierenden Welle der Gasturbine derart zugeordnet ist, dass der oder jeder Lichtwellenleiter ausgehend von einem verdichterseitigen Ende entlang einer Wellenlängsasche in Richtung auf ein turbinenseitiges Ende und wieder zurück in Richtung auf das verdichterseitige Ende der oder jeder Welle schleifenartig geführt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass am verdichterseitigen Ende der oder jeder Welle in den oder jeden Lichtwellenleiter einerseits ein Eingangssignal einleitbar und andererseits ein Ausgangssignal abgreifbar ist, wobei das Ausgangssignal einer Auswerteeinrichtung zuführbar ist, die aus dem abgegriffenen Ausgangssignal gegebenenfalls einen Wellenbruch und/oder eine Überdrehzahl identifiziert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6 , dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Lichtwellenleiter innerhalb und/oder außerhalb der oder jeder Welle verläuft.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Lichtwellenleiter der oder jeder Welle zugeordnet ist und zusammen mit der oder jeder Welle rotiert.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem oder jedem Lichtwellenleiter zugeordnete Einrichtungen zur Signaleinsspeisung und/oder Signalerfassung ebenso wie der oder jeder Lichtwellenleiter zusammen mit der oder jeder Welle rotieren.
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