WO2005093220A1 - Verfahren und vorrichtung zum erkennen des zustands des rotors einer strömungsmaschine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erkennen des zustands des rotors einer strömungsmaschine Download PDF

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WO2005093220A1
WO2005093220A1 PCT/EP2005/002560 EP2005002560W WO2005093220A1 WO 2005093220 A1 WO2005093220 A1 WO 2005093220A1 EP 2005002560 W EP2005002560 W EP 2005002560W WO 2005093220 A1 WO2005093220 A1 WO 2005093220A1
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WO
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rotor
turbomachine
control area
uncritical
crack
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/002560
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Hohmann
Reimar Schaal
Werner Setz
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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Priority to US10/592,768 priority patent/US7568886B2/en
Priority to JP2007503244A priority patent/JP4447637B2/ja
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    • 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
    • F01D21/04—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position
    • F01D21/045—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position special arrangements in stators or in rotors dealing with breaking-off of part of rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/80—Diagnostics

Definitions

  • the invention relates to a rotor for a turbomachine which, in the uncovered state, has a control area which is visible from the outside, in which a comparatively uncritical stress occurs during operation of the turbomachine and which in the uncovered state has a monitoring region which is not visible from the outside, in the operation of the turbomachine a comparatively critical stress occurs, with a weak point arranged in the control area in the manner of a predetermined breaking point, which is designed as a notch.
  • the invention further relates to a turbomachine according to the preamble of claim 8 and a method for recognizing the state of the rotor of a turbomachine according to the preamble of claim 10.
  • a method for monitoring the creep behavior of rotating components of a compressor stage or turbine stage is known.
  • at least one test element is attached to a component to be monitored in an area in which comparable temperatures and operating loads occur.
  • the creep behavior of the test element is examined in order to derive the creep behavior of the component to be monitored.
  • the test element is designed as a partially tapered sheet metal strip, which is welded on the end face of a rotor disk in the region of the holding grooves for turbine blades.
  • the embodiment shown therein is felt to be disadvantageous because the sheet metal strip breaks off during operation and can then lead to damage in the gas turbine.
  • the components of the rotor of a gas turbine are inspected for defects before they are assembled, in order to avoid damage that can occur during operation of the gas turbine.
  • the rotor is made up of several rotor disks lying next to each other and a tie rod. In addition to the thermal stresses, it is particularly exposed to the mechanical stresses caused by the centrifugal force, so that its components are examined for defects.
  • the rotor disks are through the known material tests such.
  • B. ultrasound examined for defects that appear as displays, which may be present after the manufacture of the rotor disks.
  • the displays indicate defects, foreign material inclusions, inhomogeneities in the material structure or cracks.
  • the rotor disks recognized as free of display after this initial test are then used for the construction of the rotor.
  • Ad-free means that there are actually no imperfections or that the imperfections present in the component are so small that theoretically, according to a fracture mechanical calculation, no critical cracks can arise and grow from them during operation of the gas turbine.
  • the rotors have to be unstacked for testing, that is to say disassembled into their rotor components, in order to examine the areas of the rotor disks which are not visible from the outside and therefore cannot be examined for cracks.
  • the previously known methods are used repeatedly.
  • the permissible starting number of the gas turbine can be determined by means of a deterministic analysis, after which the rotor components must be checked for defects.
  • the fracture mechanical boundary conditions and the assumed operating stresses are selected so that the permissible number of starts is conservative, i.e. that the permissible number of starts is underestimated.
  • the growth behavior of a crack in a rotor disk is shown.
  • the characteristic curve 51 is determined in accordance with the above-mentioned analysis. With an increasing number of starts, the crack length a increases disproportionately. During operation, however, a crack must not exceed the calculated maximum permissible crack length a 2Ul .
  • the task aimed at the rotor is characterized by the features of claim 1, the task directed at the turbomachine by the features of claim 8 and the
  • the solution to the problem directed at the rotor provides that a recess, in particular a relief bore, is provided to limit the weak point, into which the uncritical defect can leak.
  • the invention is based on the knowledge that the defects which are not detected or tolerated during the initial test can trigger crack growth during the operation of the turbomachine.
  • a flaw is deliberately introduced into the control area visible from the outside.
  • An uncritical defect caused by the stress collective can then grow from the weak point.
  • the condition of the rotor is recognized as "to be checked” only if an uncritical defect, whose length exceeds a limit value, is found in the control area while the turbomachine is open and the rotor is still assembled. Only then is the rotor disassembled and the in-depth check is carried out Rotor components necessary.
  • the previous method was turned away, in which the criteria for deciding on the disassembly of the rotor were derived from a deterministic analysis using a conservative boundary condition. If it was found during a check of the dismantled rotor components that there was no defect inside the rotor, the rotor has so far been unnecessarily dismantled and the rotor components have thus been checked unnecessarily.
  • a recess in particular a relief bore, is provided to limit the weak point, into which the uncritical defect can leak. This prevents the defect from growing to a supercritical length and / or beyond the control area.
  • the weak point on an annular balcony is designed so that on this attack circumferential loads when operating the turbomachine.
  • the load acting in the circumferential direction can achieve an above-average improvement in the comparability of the loads of the control area and the monitoring area.
  • the rotor comprises a plurality of rotor disks and at least one tie rod that clamps the rotor disks. If at least one of the rotor disks in the control area has a critical defect during inspection, the rotor must be dismantled and at least the component in question checked for defects.
  • the invention is particularly advantageously applicable to welded or one-piece rotors, since disassembly is not possible with them, but the condition of the rotor can be determined in relation to internal critical defects which could possibly lead to failure of the rotor.
  • a weak point is expediently provided at least on one of the rotor disks.
  • the configuration in which each rotor disk has a weak point is particularly advantageous.
  • Some of the control areas cover a first revision interval, after which it should be necessary to mathematically unstack the rotor and check the rotor disks.
  • further control areas with further weak points and associated recesses can be provided, which cause crack growth for the previous mode of operation.
  • the entire stress spectrum can thus act on the associated weak point, so that conclusions can be drawn for the entire rotor when checking the control area.
  • the control area could be designed such that the weak point with its associated relief opening covers all revision intervals. Consequently, the actual crack length must be recorded for each revision and compared with a predetermined permissible crack length assigned to the respective revision in order to determine the condition of the rotor.
  • the monitoring area borders on a hub of the rotor disk, since higher stresses can occur at this point during operation of the turbomachine. Since breakage damage occurs first in this area, it makes sense to monitor it.
  • the solution to the problem addressed by the method suggests that the control area of the rotor is first examined for an uncritical defect and if there is no defect in the control area the state is determined as “not to be checked” or in the event of a defect, a conclusion can be drawn about a further defect arranged in the monitoring area, from which the condition of the rotor is subsequently determined.
  • FIG. 1 shows a section through a rotor disk with a weak point
  • FIG. 2 shows the side view of the rotor disk according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows the top view of the circumference of the rotor disk according to FIG. 1,
  • FIG. 4 shows a starting number-crack length diagram according to the invention
  • Figure 5 is a starting number-crack length diagram according to the prior art.
  • Figure 6 is a partial longitudinal section through a gas turbine.
  • a gas turbine and its mode of operation is generally known.
  • 6 shows a gas turbine 1, a compressor 5 for combustion air, a combustion chamber 6 and a turbine 8 for driving both the compressor 5 and a working machine, e.g. B. a generator.
  • the turbine 8 and the compressor 5 are arranged on a common rotor 3, also referred to as a turbine rotor, to which the working machine is also connected and which is rotatably mounted about its longitudinal axis.
  • the combustion chamber 6 is equipped with burners 7 for burning a liquid or gaseous fuel.
  • the gas turbine 1 has a non-rotatable lower housing half 12, in which the assembled rotor 3 is placed when the gas turbine 1 is assembled. An upper housing half 13 is then mounted in order to close the gas turbine 1.
  • the rotor 3 has a central tie rod 10, which braces a plurality of rotor disks 19 lying against one another.
  • the compressor 5 and the turbine 8 each have a number of rotatable rotor blades 16 connected to the rotor 3.
  • the rotor blades 16 are arranged in a ring-shaped manner on the annular rotor disks 19 and thus form a number of rotor blade rows 15.
  • both the compressor 5 and the turbine 8 comprise a number of stationary guide blades 14, which are also ring-shaped to form guide blade rows 17 an inner wall of the housing of compressor 5 or turbine 8 are attached.
  • FIG. 1 shows the section through the rotor disk 19 of a gas turbine 1 along its radius.
  • the axis of rotation 2 of the rotor 3 runs through the center of the annular rotor disk 19, which can be designed as a compressor disk or also as a turbine disk.
  • the rotor disk 19 has rotor blade retaining grooves 23 for receiving rotor blades 16 at its radially outer end 21.
  • a freely projecting balcony 27 is provided on an end face 25 of the rotor disk 19.
  • the balcony 27 has a control area 29 which is visible from the outside when the assembled rotor 3 is exposed.
  • the rotor 3 is then in the lower housing half 12 of the gas turbine 1 and the upper housing half 13 is removed.
  • FIG. 3 shows the control area 29 with a weak point 31, which is designed as a notch 32 with a notch length a notch .
  • the notch 32 is provided on an axial edge 33 of the balcony 27, with a recess 34 being arranged opposite as a relief opening 35.
  • the relief opening 35 is spaced from the edge 33 in such a way that the amount of the distance corresponds to a maximum permissible crack length a notch explained later.
  • a monitoring area 37 which is adjacent to the hub 36 of the rotor disk 19, is arranged radially on the inside Operation of the gas turbine 1 critical stresses can occur.
  • the weak point 31, which is arranged in the control area 29 which is uncritical for the function of the rotor 3, is proportionally comparable in size and effect to a flaw 41 to be assumed in the monitoring area 37. Furthermore, the stresses occurring in the control area 29 can be compared proportionally with the stresses occurring in the monitoring area 37.
  • stresses and stress collectives can occur at the weak point 31, and possibly in the presence of a fault 41, which can lead to crack growth at these points.
  • the weak point 31 must be dimensioned such that a crack 40 grows there rather than from an undetected fault point 41.
  • At least one control area 29 of one of the rotor disks 19 has a crack 40 as a defect 39 which ends in the relief opening 35 starting from the weak point 31, it can be assumed that a comparable crack 45 in the monitoring area 37 if a defect 41 is present has arisen, so that the state of the rotor 3 or the rotor disk 19 is to be classified as “to be checked”. Then the turbine disk 19, which has the non-critical defect 39, has to be checked by means of a more precise examination, for which purpose the rotor 3 has to be dismantled.
  • the relief opening could be so far away from the notch that crack growth is possible, which extends over several inspection intervals.
  • the permissible crack length assigned to a revision interval which indicates the state “to be checked”, must then always be compared with the actually existing, measured crack length. Accordingly, it is possible to evaluate the crack growth that occurs due to the operation of the gas turbine between two subsequent revisions.
  • FIG. 4 shows a starting number-crack length diagram which is used in the invention.
  • the abscissa is the
  • the starting number N of the gas turbine 1 is plotted and on the ordinate the crack length a of cracks 40 of rotor disks 19.
  • a characteristic curve 53 drawn in full line shows the conservatively calculated course of the crack length a of the crack 40 im
  • Control area 29 as a function of the starting number N of
  • the maximum crack length a of the crack 40 including the length a notch of the notch 32, with which the rotor disk 29 can be operated without the latter being specified with a maximum permissible crack length a notch
  • the condition and that of the rotor 3 is to be classified as "to be checked”.
  • the characteristic curve 53 intersects the maximum permissible crack length a notch at point 55. From this, the permissible starting number N Ber calculated using a conservative assumption can then be determined.
  • the gas turbine 1 is disassembled for revision purposes.
  • point 63 P N Ber , a ⁇ l
  • a two- ter point 61 is determined as the origin of a further characteristic curve 57, so that the characteristic curve 57 can be determined in the abscissa interval of [0, N Ber ] on the basis of the fracture mechanical properties of the material of the rotor disk 19.
  • the dash-dotted curve 57 consequently shows the crack growth that has occurred as a result of the actual stress spectrum.
  • the further course 65 of the characteristic curve 57 is then determined by extrapolation, in order then to determine an intersection point 59 with the maximum permissible crack length a notch ( as a result of which the actually permissible starting number N, “, is determined, according to which the rotor 3 is to be dismantled and to check for defects 43 in the critical monitoring area 37. A comparatively precise determination of the remaining service life of the rotor disks 19 is thus carried out.
  • the difference ⁇ n between the actually permissible number of starts N lal and the calculated permissible number of starts N Ber is the gain in starts N of the gas turbine 1 achieved by the invention. Only after the actually permissible number of starts N lal has been reached can the rotor 3 be disassembled and to examine the rotor disks 19 and other rotor components for defects 43 in the critical monitoring area 37.
  • the weak point 31 creates a crack growth indicator up to this point in time, which is exposed to the actual stress collective, in the manner of a predetermined breaking point, with which conclusions regarding defects 43 on areas of the rotor disks 19 which are not visible from the outside are made possible.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (3) einer Strömungsmaschine, der im freigelegten Zustand einen von außen sichtbaren Kontrollbereich (29) aufweist, in dem beim Betrieb der Strömungsmaschine eine vergleichsweise unkritische Beanspruchung auftritt und der im freigelegten Zustand einen von außen nicht sichtbaren Überwachungsbereich (37) aufweist, in dem beim Betrieb der Strömungsmaschine eine vergleichsweise kritische Beanspruchung auftritt, mit einer im Kontrollbereich (29) angeordneten Schwachstelle (31) nach Art einer Sollbruchstelle, welche als Kerbe (32) ausgebildet ist. Um eine Erhöhung der Verfügbarkeit der Strömungsmaschine zu erreichen wird vorgeschlagen, dass zur Begrenzung der Schwachstelle (31) eine Ausnehmung (34), insbesondere eine Entlastungsbohrung (35) vorgesehen ist, in die der unkritische Defekt (39) auslaufen kann.

Description

Beschreibung
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM ERKENNEN DES ZUSTANDS DES ROTORS EINER STRÖMUNGSMASCHINE
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Strömungsmaschine, der im freigelegten Zustand einen von außen sichtbaren Kontrollbereich aufweist, in dem beim Betrieb der Strömungsmaschine eine vergleichsweise unkritische Beanspruchung auftritt und der im freigelegten Zustand einen von außen nicht sichtbaren Überwachungsbereich aufweist, in dem beim Betrieb der Strömungsmaschine eine vergleichsweise kritische Beanspruchung auftritt, mit einer im Kontrollbereich angeordneten Schwachstelle nach Art einer Sollbruchstelle, welche als Kerbe ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8 und ein Verfahren zum Erkennen des Zustands des Rotors einer Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Aus der DE 19 96 27 35 AI ist ein Verfahren zur Überwachung des Kriechverhaltens von rotierenden Komponenten einer Verdichterstufe oder Turbinenstufe bekannt. Bei dem Verfahren wird zumindest ein Testelement an einer zu überwachenden Komponente in einem Bereich befestigt, in dem vergleichbare Temperaturen und Betriebsbelastungen auftreten. Nach einer vorbestimmten Betriebsdauer wird das Kriechverhalten des Testelements untersucht, um daraus das Kriechverhalten der zu überwachenden Komponente abzuleiten. Das Testelement ist als teilweise verjüngter Blechstreifen ausgebildet, welcher im Bereich der Haltenuten für Turbinenschaufeln an einer Rotorscheibe stirnseitig angeschweißt ist.
Die darin gezeigte Ausführungsform wird als nachteilig empfunden, da der Blechstreifen beim Betrieb abbrechen und dann in der Gasturbine zu Beschädigungen führen kann. Zudem ist bekannt, dass die Komponenten des Rotors einer Gasturbine bereits vor ihrem Zusammenbau auf Fehlstellen untersucht werden, um Beschädigungen zu vermeiden, die bei dem Betrieb der Gasturbine auftreten können. Der Rotor ist aus mehreren aneinander liegenden Rotorscheiben und einem Zuganker aufgebaut. Neben den thermischen Beanspruchungen ist er besonders den durch die Fliehkraft entstehenden mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, so dass dessen Komponenten auf Fehlstellen untersucht werden.
Insbesondere die Rotorscheiben werden durch die bekannten Materialprüfungen, wie z. B. Ultraschall, auf Fehlstellen, die als Anzeigen erscheinen, untersucht, welche nach der Herstellung der Rotorscheiben vorhanden sein können. Die Anzei- gen deuten dabei auf Fehlstellen, Fremdmaterialeinschlüsse, Inhomogenitäten in der Materialstruktur oder auch Risse hin. Die nach dieser Erstprüfung als anzeigefrei erkannten Rotorscheiben werden dann für den Bau des Rotors verwendet. Anzeigefrei bedeutet, dass tatsächlich keine Fehlstellen vorhanden sind oder dass in der Komponente vorhandene Fehlstellen derart klein sind, dass theoretisch gemäß einer bruchmechanischen Berechnung während des Betriebs der Gasturbine von ihnen aus keine kritischen Risse entstehen und wachsen können.
Trotz der Erstprüfung der Rotorscheiben können diese unerkannte oder in ihrer Auswirkung unterschätzte Fehlstellen aufweisen, so dass aus Gründen der Betriebssicherheit die Gasturbine nach einer vorgegebenen Anzahl von Starts zu Ser- vicezwecken geöffnet und der Rotor in einer Wiederholungsprüfung untersucht wird.
Die Rotoren müssen zur Prüfung entstapelt, das heißt in ihre Rotorkomponenten zerlegt werden, um die im Inneren des Rotors von außen nicht sichtbaren und somit nicht untersuchbaren Bereiche der Rotorscheiben auf Risse zu untersuchen. Zur Überprüfung der einzelnen Rotorscheiben auf Risse werden die bereits bekannten Verfahren zum wiederholten Male eingesetzt .
Ferner ist bekannt, dass mittels einer deterministischen Analyse die zulässige Startzahl der Gasturbine ermittelt werden kann, nach der eine Überprüfung der Rotorkomponenten auf Defekte vorzunehmen ist. Dabei sind die bruchmechanischen Randbedingungen und die angenommenen Betriebsbeanspruchungen so gewählt, dass die zulässige Startzahl konservativ ausgelegt ist, d.h. dass die zulässige Startzahl zu niedrig geschätzt wird.
Dazu zeigt Figur 5 ein Startzahl-Risslänge-Diagramm nach dem Stand der Technik.
Dargestellt ist das Wachstumsverhalten eines Risses in einer Rotorscheibe. Die Kennlinie 51 wird dabei gemäß der o.g. Analyse ermittelt. Mit zunehmender Startzahl nimmt die Risslänge a überproportional zu. Während des Betriebs darf jedoch ein Riss die berechnete maximal zulässige Risslänge a2Ul nicht überschreiten.
Um den sicheren Betrieb der Gasturbine zu gewährleisten, wird eine Fehlstelle angenommen, die theoretisch ein Risswachstum gemäß der Kennlinie 51 auslöst. Da die maximal zulässige Risslange αm/ nicht überschritten werden darf, kann somit mittels der Kennlinie 51 die Anzahl an zulässigen Starts Nzul bestimmt werden. Spätestens bei Erreichen der zulässigen Startzahl Nzul wird der Rotor zerlegt und die Rotorscheiben auf Defekte untersucht .
Die Zerlegung und Überprüfung des Rotors vergrößert jedoch die Zeitdauer der Revision und vermindert so die Verfügbar- keit der Gasturbine. Demgemäß ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor für eine Strömungsmaschine anzugeben, mit dem eine Erhöhung der Verfügbarkeit der Strömungsmaschine erreicht wird. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung hierzu eine Strömungs- maschine und ein Verfahren zum Erkennen des Zustandes eines Rotors anzugeben.
Die auf den Rotor gerichtete Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1, die auf die Strömungsmaschine gerichtete Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 8 und die auf das
Verfahren gerichtete Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Lösung der auf den Rotor gerichteten Aufgabe sieht vor, dass zur Begrenzung der Schwachstelle eine Ausnehmung, insbesondere eine Entlastungsbohrung vorgesehen ist, in die der unkritische Defekt auslaufen kann.
Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, das Risswachstum der zu überwachenden Komponente selber und nicht das Risswachstum eines zusätzlichen Testelements unter den bisher tatsächlichen aufgetretenen Beanspruchungen zu beobachten, die durch die Betriebsweise, d.h. insbesondere durch die Starts der Strömungsmaschine hervorgerufen worden sind. Dazu wird in dem für die Integrität der Rotorscheibe vergleichsweise unkritischen Kontrollbereich eine Schwachstelle angeordnet, von der aus ein von dem bisher tatsächlichen Beanspruchungskollektiv hervorgerufener unkritischer Defekt wach- sen kann. Ohne das Hinzufügen eines zusätzlichen Testelements werden auf der Basis des unkritischen Defekts Rückschlüsse auf eine mögliche bruchmechanische Beschädigung des Rotors gezogen, die im von außen nicht einsehbaren Überwachungsbereich liegen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die bei der Erstprüfung nicht erfassten oder tolerierten Fehlstellen während des Betriebs der Strömungsmaschine ein Risswachstum auslösen können. Mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Schwachstelle wird gezielt eine Fehlstelle in den von außen sichtbaren Kontrollbereich eingebracht. Von der Schwachstelle aus kann dann ein von dem Beanspruchungskollektiv hervorgerufener unkritischer Defekt wachsen. Nur wenn bei geöffneter Strömungsmaschine und bei weiterhin zusammengebautem Rotor ein im Kontrollbereich angeordneter unkritischer Defekt entdeckt wird, dessen Länge einen Grenzwert Überschreitet, so ist der Zustand des Rotors als „zu überprüfen" erkannt. Erst dann ist die Zerlegung des Rotors und eine eingehende Überprüfung der Rotorkomponenten notwendig.
Folglich wurde sich von dem bisherigen Verfahren abgewendet, bei dem die Kriterien zur Entscheidung über das Zerlegen des Rotors von einer deterministischen Analyse unter Anwendung einer konservativen Randbedingung abgeleitet wurde. Stellte sich nämlich bei einer Überprüfung der zerlegten Rotorkomponenten heraus, dass kein Defekt im Innern des Rotors vorlag, so wurde bisher der Rotor unnötigerweise zerlegt und die Rotorkomponenten wurden damit unnötigerweise überprüft.
Überschreitet keiner der Defekte der Kontrollbereiche den Grenzwert, so kann die Zerlegung des Rotors und die Überprü- fung der Rotorkomponenten zeitlich gesehen nach hinten verlagert werden, was zu einer Steigerung der Verfügbarkeitsdauer der Strömungsmaschine führt und zu einer Reduzierung der Revisionskosten .
Zudem ist zur Begrenzung der Schwachstelle eine Ausnehmung, insbesondere eine Entlastungsbohrung vorgesehen, in die der unkritische Defekt auslaufen kann. Ein Anwachsen des Defektes auf eine überkritische Länge und/oder aus dem Kontrollbereich hinaus wird somit verhindert .
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schwachstelle an einem ringförmigen Balkon so ausgebildet, dass an diesem beim Betrieb der Strömungsmaschine in Umfangsrichtung gerichtete Belastungen angreifen. Anstelle einer - wie bei der DE 19 96 27 35 AI - in Radialrichtung wirkenden Belastung kann durch die in Umfangsrichtung wirkende Belastung eine über- durchschnittliche Verbesserung hinsichtlich der Vergleichbarkeit der Belastungen von Kontrollbereich und Überwachungsbereich erzielt werden. Durch die Eliminierung des bekannten Blechstreifens werden auch Schäden vermieden, welche durch einen abgelösten Blechstreifen in der Strömungsmaschine her- vorgerufen würde.
Nach einer Ausgestaltung umfasst der Rotor mehrere Rotorscheiben und zumindest einen die Rotorscheiben einspannenden Zuganker. Weist zumindest eine der Rotorscheiben im Kontroll- bereich bei der Revision einen kritischen Defekt auf, so ist der Rotor zu zerlegen und zumindest die betreffende Komponente auf Defekte zu überprüfen.
Besonders vorteilhaft ist die Erfindung auf geschweißte oder einstücke Rotoren anwendbar, da bei diesen ein Zerlegen zwar nicht möglich ist, aber der Zustand des Rotors bestimmbar ist in Bezug auf innere kritische Defekte, welche ggf. zum Versagen des Rotors führen könnten.
Zweckmäßigerweise ist zumindest an einer der Rotorscheiben eine Schwachstelle vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung, bei der jede Rotorscheibe eine Schwachstelle aufweist. Ein Teil der Kontrollbereiche deckt ein erstes Revisionsintervall ab, nach dem rechnerisch ein Entstapeln des Rotors und eine Überprüfung der Rotorscheiben erforderlich sein sollte. Für jedes weitere Revisionsintervall können weitere Kontrollbereiche mit weiteren Schwachstellen und zugehörigen Ausnehmungen vorgesehen sein, die für die bisherige Betriebsweise ein Risswachstum bewirken. Somit kann das ge- samte Beanspruchungskollektiv an der zugehörigen Schwachstelle wirken, um dann bei der Überprüfung des Kontrollbereichs für den gesamten Rotor Rückschlüsse ziehen zu können. Alternativ dazu könnte der Kontrollbereich derart ausgebildet sein, dass die Schwachstelle mit ihrer zugehörigen Entlastungsöffnung alle Revisionsintervalle abdeckt. Folglich muss bei jeder Revision die tatsächliche Risslänge erfasst und mit einer der jeweiligen Revision zugeordneten vorgegebenen zulässigen Risslänge verglichen werden, um den Zustand des Rotors zu bestimmen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung grenzt der Überwachungsbereich an einer Nabe der Rotorscheibe an, da an dieser Stelle beim Betrieb der Strömungsmaschine höhere Beanspruchungen auftreten können. Da bruchmechanische Beschädigungen zuerst in diesem Bereich auftreten, ist dessen Überwachung sinnvoll.
Die Lösung der auf die Strömungsmaschine gerichteten Aufgabe schlägt vor, den Rotor dieser Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszubilden.
Die Lösung der auf das Verfahren gerichteten Aufgabe schlägt zum Erkennen des Zustandes des freigelegten Rotors einer Strömungsmaschine vor, dass zuerst der Kontrollbereich des Rotors auf einen unkritischen Defekt hin untersucht wird und bei Nichtvorliegen eines Defekts im Kontrollbereich der Zustand als „nicht zu überprüfen" ermittelt wird oder bei Vorliegen eines Defektes auf einen weiteren im Überwachungsbereich angeordneten Defekt zurückgeschlossen wird, aus dem anschließend der Zustand des Rotors ermittelt wird.
Die für den Rotor beschriebenen Vorteile gelten dabei sinngemäß auch für die Strömungsmaschine und das Verfahren.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen Schnitt durch eine Rotorscheibe mit einer Schwachstelle,
Figur 2 die Seitenansicht der Rotorscheibe gemäß Figur 1,
Figur 3 die Draufsicht auf den Umfang der Rotorscheibe gemäß Figur 1 ,
Figur 4 ein Startzahl-Risslänge-Diagramm gemäß der Erfin- düng,
Figur 5 ein Startzahl-Risslänge-Diagramm gemäß dem Stand der Technik und
Figur 6 einen Längsteilschnitt durch eine Gasturbine.
Eine Gasturbine und deren Arbeitsweise ist allgemein bekannt. Dazu weist Figur 6 eine Gasturbine 1, einen Verdichter 5 für Verbrennungsluft, eine Brennkammer 6 sowie eine Turbine 8 zum Antrieb sowohl des Verdichters 5 wie auch einer Arbeitsmaschine, z. B. eines Generators, auf. Die Turbine 8 und der Verdichter 5 sind auf einem gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Rotor 3 angeordnet, mit der auch die Arbeitsmaschine verbunden ist, und die um ihre Längsachse drehbar gelagert ist. Die Brennkammer 6 ist mit Brennern 7 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt .
Die Gasturbine 1 weist eine drehfeste untere Gehäusehälfte 12 auf, in der bei der Montage der Gasturbine 1 der zusammengebaute Rotor 3 hineingelegt wird. Anschließend wird eine obere Gehäusehälfte 13 montiert, um die Gasturbine 1 zu schließen.
Der Rotor 3 weist einen zentralen Zuganker 10 auf, welcher mehrere aneinander liegende Rotorscheiben 19 miteinander verspannt . Im Innern weisen der Verdichter 5 wie auch die Turbine 8 jeweils eine Anzahl von mit dem Rotor 3 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 16 auf. Die Laufschaufeln 16 sind kranzför- ig an den ringförmigen Rotorscheiben 19 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen 15. Weiterhin umfasst sowohl der Verdichter 5 als auch die Turbine 8 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen 17 an einer Innenwand des Gehäuses von Verdichter 5 bzw. Turbine 8 befestigt sind.
Figur 1 zeigt den Schnitt durch die Rotorscheibe 19 einer Gasturbine 1 entlang ihres Radius. Durch den Mittelpunkt der ringförmigen Rotorscheibe 19, welche als Verdichterscheibe oder auch als Turbinenscheibe ausgebildet sein kann, verläuft die Drehachse 2 des Rotors 3. Die Rotorscheibe 19 weist Lauf- schaufelhaltenuten 23 zur Aufnahme von Laufschaufeln 16 an ihrem radial äußeren Ende 21 auf. An einer Stirnseite 25 der Rotorscheibe 19 ist ein frei auskragender Balkon 27 vorgesehen. Der Balkon 27 weist einen Kontrollbereich 29 auf, welcher im freigelegten Zustand des zusammengebauten Rotors 3 von außen sichtbar ist. Der Rotor 3 liegt dann in der unteren Gehäusehälfte 12 der Gasturbine 1 und die obere Gehäusehälfte 13 ist abgenommen.
Fig.3 zeigt den Kontrollbereich 29 mit einer Schwachstelle 31, welche als Kerbe 32 mit einer Kerblänge aKerbe ausgebildet ist. Die Kerbe 32 ist dabei an einem axialen Rand 33 des Bal- kons 27 vorgesehen, wobei gegenüberliegend eine Ausnehmung 34 als Entlastungsöffnung 35 angeordnet ist. Die Entlastungsöffnung 35 ist zum Rand 33 derart beabstandet, dass der Betrag des Abstands einer später erläuterten maximal zulässigen Risslänge aKerbe entspricht.
Radial innen ist ein an der Nabe 36 der Rotorscheibe 19 angrenzender Überwachungsbereich 37 angeordnet, in dem beim Betrieb der Gasturbine 1 kritische Beanspruchungen auftreten können.
Die Schwachstelle 31, die im für die Funktion des Rotors 3 unkritischen Kontrollbereich 29 angeordnet ist, ist mit einer im Überwachungsbereich 37 anzunehmenden Fehlstelle 41 in Größe und Wirkung proportional vergleichbar. Ferner sind die im Kontrollbereich 29 auftretenden Beanspruchungen mit den im Überwachungsbereich 37 auftretenden Beanspruchungen proporti- onal vergleichbar.
Während des Betriebs der Gasturbine 1 können an der Schwachstelle 31, und ggf. bei Vorhandensein einer Fehlstelle 41, Beanspruchungen und Beanspruchungskollektive auftreten, die an diesen Stellen jeweils zu einem Risswachstum führen können.
Aus Gründen der Betriebssicherheit muss die Schwachstelle 31 so dimensioniert sein, dass dort eher ein Riss 40 wächst als von einer unentdeckten Fehlstelle 41 aus.
Weist bei der Revision zumindest ein Kontrollbereich 29 einer der Rotorscheiben 19 als Defekt 39 einen Riss 40 auf, der von der Schwachstelle 31 ausgehend in der Entlastungsöffnung 35 endet, so ist davon auszugehen, dass im Überwachungsbereich 37 bei Vorhandensein einer Fehlstelle 41 ein vergleichbarer Riss 45 entstanden ist, so dass der Zustand des Rotors 3 bzw. der Rotorscheibe 19 als „zu überprüfen" einzustufen ist. Dann ist die den unkritischen Defekt 39 aufweisende Turbinen- Scheibe 19 durch eine genauere Untersuchung zu überprüfen, wozu der Rotor 3 zu zerlegen ist.
Alternativ könnte die Entlastungsöffnung derart weit von der Kerbe entfernt sein, dass ein Risswachstum ermöglicht, wel- ches sich über mehrere Revisionsintervalle erstreckt. Die einem Revisionsintervall jeweils zugeordnete zulässige Risslänge, welche auf den Zustand „zu überprüfen" hindeutet, muss dann immer mit der tatsächlich vorhandenen, gemessenen Risslänge verglichen werden. Demgemäß ist eine Bewertung des Risswachstums möglich, welcher durch den Betrieb der Gasturbine zwischen zwei folgenden Revisionen auftritt.
Zeigt die Überprüfung der Rotorscheibe 19 im Überwachungsbereich 37 keinen Defekt 43 auf, so kann aufgrund des unkritischen Defektes 39 im Kontrollbereich 29 davon ausgegangen werden, dass im Überwachungsbereich 37 auch keine signifi- kante Fehlstelle 41 vorhanden ist. Sonst wäre dort ein Defekt 43 erkennbar. Somit kann die betrachtete Rotorscheibe 19 weiter verwendet werden.
Figur 4 zeigt ein Startzahl-Risslänge-Diagramm, welches bei der Erfindung angewendet wird. Auf der Abszisse wird die
Startzahl N der Gasturbine 1 aufgetragen und auf der Ordinate die Risslange a von Rissen 40 von Rotorscheiben 19.
Eine in Volllinie gezeichnete Kennlinie 53 zeigt den konser- vativ berechneten Verlauf der Risslänge a des Risses 40 im
Kontrollbereich 29 in Abhängigkeit von der Startzahl N der
Gasturbine 1. Mit einer als Grenzwert maximal zulässigen Risslänge aKerbe ist die maximale Risslänge a des Risses 40 inklusive der Länge aKerbe der Kerbe 32 vorgegeben, mit der die Rotorscheibe 29 betrieben werden kann, ohne dass deren
Zustand und der des Rotors 3 als „zu überprüfen" einzustufen ist. Die Kennlinie 53 schneidet die maximal zulässige Risslänge aKerbe im Punkt 55. Hieraus lässt sich dann die unter konservativer Annahme berechnete zulässige Startzahl NBer bestimmen.
Spätestens bei Erreichen der berechneten zulässigen Startzahl NBer wird die Gasturbine 1 zu Revisionszwecken zerlegt. Der von außen sichtbare Kontrollbereich 29 zeigt dann ggf. einen von der Kerbe 32 ausgehenden Riss 40 mit der tatsächlichen Länge am , der als Punkt 63 P ( NBer , aωl ) in das Diagramm eingetragen wird. Mit der Koordinate P ( 0, aKerbe<ι ) ist ein zwei- ter Punkt 61 als Ursprung einer weiteren Kennlinie 57 festgelegt, so dass im Abszissen-Intervall von [0 , NBer ] die Kennlinie 57 auf Grund der bruchmechanischen Eigenschaften des Materials der Rotorscheibe 19 bestimmt werden kann. Die strichpunktiert dargestellte Kennlinie 57 zeigt folglich das Risswachstum, welches durch das tatsächliche Beanspruchungs- kollektiv aufgetreten ist. Der weitere Verlauf 65 der Kennlinie 57 wird anschließend durch Extrapolation ermittelt, um dann einen Schnittpunkt 59 mit der maximal zulässigen Riss- länge aKerbe ( zu bestimmen. Hierdurch wird die tatsächlich zulässige Startzahl N,„, ermittelt, nach welcher der Rotor 3 zu zerlegen und im kritischen Überwachungsbereich 37 auf Defekte 43 zu überprüfen ist. Somit erfolgt eine vergleichsweise genaue Bestimmung der Restlebensdauer der Rotorscheiben 19.
Die Differenz Δn zwischen der tatsächlich zulässigen Startzahl Nlal und der berechneten zulässigen Startzahl NBer ist der durch die Erfindung erzielte Gewinn an Starts N der Gas- turbine 1. Erst nach dem Erreichen der tatsächlich zulässigen Startzahl Nlal ist der Rotor 3 zu zerlegen und die Rotorscheiben 19 und andere Rotorkomponenten auf Defekte 43 im kritischen Überwachungsbereich 37 zu untersuchen.
Für jedes Revisionsintervall wird mit der Schwachstelle 31 ein bis zu diesem Zeitpunkt dem tatsächlichen Beanspruchungs- kollektiv ausgesetzter Risswachstumsindikator nach Art einer Sollbruchstelle geschaffen, mit dem Rückschlüsse bezüglich Defekte 43 auf von außen nicht sichtbare Bereiche der Rotor- Scheiben 19 ermöglicht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Rotor (3) für eine Strömungsmaschine, der im freigelegten Zustand einen von außen sichtbaren Kontrollbereich (29) aufweist, in dem beim Betrieb der Strömungsmaschine eine vergleichsweise unkritische Beanspruchung auftritt und der im freigelegten Zustand einen von außen nicht sichtbaren Überwachungsbereich (37) aufweist, in dem beim Betrieb der Strömungsmaschine eine vergleichsweise kritische Bean- spruchung auftritt, mit einer im Kontrollbereich (29) angeordneten Schwachstelle (31) nach Art einer Sollbruchstelle, welche als Kerbe (32) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Begrenzung der Schwachstelle (31) eine Ausnehmung (34), insbesondere eine Entlastungsbohrung (35) vorgesehen ist, in die der unkritische Defekt (39) auslaufen kann.
2. Rotor (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwachstelle (31) an einem ringförmigen Balkon ausgebildet ist, so dass an diesem beim Betrieb der Strömungsmaschine in Umfangrichtung gerichtete Belastungen angreifen.
3. Rotor (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) mehrere Rotorscheiben (19) und zumindest einen die Rotorscheiben (19) einspannenden Zuganker (10) umfasst.
4. Rotor (3) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) einstückig, insbesondere geschweißt, ist.
5. Rotor (3) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Schwachstelle (31) an zumindest einer der Rotorscheiben (19) stirnseitig vorgesehen ist.
6. Rotor (3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) mehrere Schwachstellen (31) an einer Rotorscheibe (19) oder auf mehreren Rotorscheiben (19) verteilt aufweist und dass zur Revisionsstaffelung die Schwachstellen (31) mit ihren zugehörigen Ausnehmungen (34) derart unterschiedlich ausgebildet sind, dass für jede Revision das bis zum jeweiligen Revisionszeitpunkt kumulierte Beanspruchungskol - lektiv im Kontrollbereich ein vergleichbares Risswachstum bewirkt .
7. Rotor (3) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Überwachungsbereich (37) an einer Nabe (36) der Rotorscheibe (19) angrenzt.
8. Strömungsmaschine mit einem Rotor (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
9. Strömungsmaschine nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine als Verdichter (5) , als Gasturbine (1) oder als Dampfturbine ausgebildet ist.
10. Verfahren zum Erkennen des Zustands des freigelegten Rotors (3) einer Strömungsmaschine, der im freigelegten Zustand einen von außen sichtbaren Kontrollbereich (29) aufweist, in dem beim Betrieb der Strömungsmaschine eine vergleichsweise unkritische Beanspruchung auftritt und der im freigelegten Zustand einen von außen nicht sichtbaren Überwachungsbereich (37) aufweist, in dem beim Betrieb der Strömungsmaschine eine vergleichsweise kritische Bean- spruchung auftritt, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst der Kontrollbereich (29) des Rotors (3) auf einen als Riss (40) ausgebildeten unkritischen Defekt (39) hin untersucht wird und bei Vorliegen eines unkritischen Defekts (39) der Zustand des Rotors als „zu überprüfen" erkannt wird, wenn der im Kontrollbereich (29) entstandene Riss (40) eine Risslänge a aufweist, die einen Grenzwert überschreitet .
11. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erkennen des Zustands „zu überprüfen" der Rotor (3) zerlegt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 13 bis 17, mit einem Rotor nach den Ansprüchen 1 bis 10.
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