CN1748129A - 在运行中确定涡轮机叶片应力的方法以及实施此方法的相应设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定在涡轮机内装在可旋转地支承在外壳内的转子轴上的工作叶片(4)和/或导向叶片的振动状态的方法。通过产生至少一束电磁波的装置(8)，在叶片(4)区域内的一个流动通道中发射至少一束电磁波(31)。电磁波(31)被至少一个叶片(4)至少部分反射。所述至少一束电磁波被反射的部分(32)由用于接收的装置(8)接收，以及根据与所接收的至少一束电磁波(32)对应的信号确定该叶片(4)的振动状态。

Description

在运行中确定涡轮机叶片应力的方法 以及实施此方法的相应设备

本发明涉及一种用于确定涡轮机内装在可旋转地支承在外壳内的转子轴上的工作叶片应力的方法。此外，本发明还涉及一种用于确定涡轮机内抗扭地安装在外壳上的导向叶片应力的方法，以及一种实施此方法的设备。

涡轮机，例如汽轮机或燃气轮机，在工业技术中用作热力机械，以便将储存在燃气流内的能量转化为机械能，尤其是旋转运动。

为了在燃气轮机中在能量利用方面达到尽可能高的总效率，通常将从燃烧室进入燃气轮机流动通道内的燃气进口温度选择得尽可能高。在先有技术中这种进口燃气温度例如约为1200℃。

为了使装在涡轮流动通道中的叶片能承受住物理的负荷尤其是热应力，在先有技术中已知在叶片表面涂层、隔热层(Termal-Barrier-Coating，简称TBC)。然而叶片的这种涂层遭遇老化，在此过程中取决于运行的持续时间，涂层随时间的推移从叶片上被剥蚀。一个表面涂层受损的叶片将遭受很严重的磨损，这种磨损导致叶片破坏。其结果是减小涡轮功率或甚至使涡轮损坏。

因此在先有技术中通常基于试验结果和经验值来确定这种叶片的寿命，其中总是在这种运行周期结束时分解涡轮，以便检验工作叶片的表面涂层。缺点是涡轮的分解成本高和费时间，在这里维护保养间隔时间这样规定，即，应基本上避免出现上述损伤。此外，这导致即使在没有达到实际上的磨损极限时也要实施一次维护保养。

此外，在运行中由于旋转运动和由于作用在工作叶片上的燃气流引起的叶片负荷很大。同时也不能忽略仅由绕流导向叶片的燃气流引起的负荷。

在运行中，工作叶片和导向叶片始终处于机械振动之中。若这些振动过强，则会在叶片上形成裂纹，在极端情况下裂纹可导致叶片断裂。尤其是断裂的工作叶片部分由于其高的功能可能击穿金属壁，例如涡轮的机匣壁。除了破坏涡轮外，它也危及处于附近的人员。

通过在运行期间监控叶片的振动，在需要时，可以迅速作出反应以及及时排除振动的起因。

按WO 95/35484可以借助微波对涡轮叶片的振动进行监控。其中，一个微波导管定位在涡轮旋转的叶片组附近，确切地说以这样的方式，即，当转子轴旋转时，叶片末端亦即叶梢扫过微波导管的开口。然后，通过微波导管向旋转的叶片组发射微波能量的连续波。当叶片末端穿过连续波的轨迹时产生一个反射波，它与发射的波共同形成一个驻波。一旦叶片末端继续运动该驻波便瓦解，以及当随之而来的那个叶片末端出现在开口前时它才重新建立。各个叶片末端每次通过连续波的轨迹，按扫过开口的叶片末端的节奏发出一个信号。若偏离了正常的节奏，则提供了有关叶片振动状态的信息。按另一种实施形式，测量反射波的强度，它同样按扫过的叶片末端的节奏改变。在这里对信号的评估类似于上述实施形式进行。然而借助这种已知的设备仅有有限的可能性获得有关振动状态的信息。因为发射的波在叶片末端反射，所以只能检测那些在叶片末端特点特别鲜明的振动模式。在转子轴与叶片末端之间的区域内具有特别鲜明的特点的模式，借助此设备却不能检测到。尤其对于特殊设计形式的叶轮(其中一个叶轮的全部叶片末端用一个环互相连接在一起)，此时便不能使用此已公开的设备进行叶片振动监控。因为在这种叶轮中只发生在转子轴与叶片末端之间的区域振动的模式，而叶片末端本身被环固定因而不能振动。此外，采用这种公开的设备，原则上不可能测量导向叶片的振动。

因此，本发明的目的是提供一种方法和一种实施此方法的设备，借助它可以达到在运行期间更全面地监控工作叶片和/或导向叶片的应力状况。

本发明为了达到此目的建议了一种方法，用来确定在涡轮机内装在一根可旋转地支承在外壳内的转子轴上的工作叶片的应力，其中，通过产生至少一束电磁波的装置在工作叶片区域内的一个流动通道中发射至少一束电磁波，所述至少一束电磁波被至少一个工作叶片至少部分反射，所述至少一束电磁波被反射的部分由用于接收的装置接收，以及根据与所接收的至少一束电磁波对应的信号确定工作叶片的应力。

在这里利用了这种效应，即所述至少一束电磁波被反射的部分含有关于叶片应力状态或叶片相对于额定状态受损的程度或量的信息，它们可以通过评估所接收的信号予以确定。为此，作为参数尤其可考虑信号的幅度和/或相位和/或频谱分布。

此外，本发明还建议了一种方法，用于确定涡轮机内抗扭地安装在外壳上的导向叶片的应力，其中，通过产生至少一束电磁波的装置在导向叶片区域内的一个流动通道中发射至少一束电磁波，所述至少一束电磁波被至少一个导向叶片至少部分反射，所述至少一束电磁波被反射的部分由用于接收的装置接收，以及根据与所接收的至少一束电磁波对应的信号确定导向叶片的应力。

此外，建议了一种上述两种方法的组合，以便同时或分别确定工作叶片和导向叶片的应力。

本发明还建议了一种方法，按此方法，确定叶片的表面质量作为应力的度量。因此，第一次做到有可能不仅在不分解涡轮的情况下确定叶片相应的状态，而且还可以在涡轮运行期间对此进行监控。例如，涡轮的维修可以有利地在通过应力确定已达到涉及表面质量的磨损极限时实施。因此，维修间隔时间可以按实际需要延长。明显减少了通过维修涡轮引起的费用，尤其显著缩短停车时间。为了实施此方法也可以发射多束电磁波，它们例如也可以沿流动通道的周缘分布地发射。当然，反射的部分同样可以在流动通道周缘的不同位置处接收，以便由此获得有关表面质量状况附加和/或更准确的信息。当然，此方法也可以双重性地用于确定设在涡轮机内的导向叶片的表面质量，但在这种情况下产生至少一束电磁波的和用于接收的装置装在可旋转地支承的转子轴上。

因此有利地也可以监测涡轮机不旋转的构件的表面质量。例如可以使用沿涡轮机的周缘分布地设置的用于发射至少一束电磁波的装置，在这里可以采用符合要求的配置。相应地可以设置一些用于接收的装置，以便接收反射的电磁波。为了降低这种配置的运行费用，可以例如规定，这种配置按脉冲方式和/或按时间区分电路的多路复用方式运行。此外还可以规定，使用一种用于发射至少一束电磁波同时还用于接收的装置，它装在外壳上要监控的导向叶片区内。

此外建议，根据一种有待确定的表面结构，使用至少一束与其表面形状匹配具有一适配波长的电磁波。因此可以有利地达到，特别有利于将损伤情况反映作用在所述至少一束电磁波上，以便例如为分析单元提供一高的信号电平，根据此信号电平确定表面质量。

按另一项设计建议，所述产生至少一束电磁波的装置被用于接收至少一束电磁波。由此可减少在涡轮上的构件以及装配及结构费用。例如可以采用一个天线，既用于发射也用于接收。

此外建议，根据所述至少一束被接收的电磁波的强度，确定表面质量。因此可有利地用简单和廉价的装置实现信号的评估。此外也可以使用其他适用的波长，例如毫米波等。

此外，本发明还建议，确定叶片的振动状态作为应力的度量。由此有可能除了叶片末端的振动状态外还可以确定其振动模式特别鲜明地表现在叶片中部区内亦即在叶片末端与转子轴之间的振动状态。这种方法的优点是有关叶片振动状态的信息比先有技术更广泛和更准确。因特别鲜明地表现在叶片中部区内的振动模式所造成的损伤可以及时采取措施予以避免。

为了实施此方法也可以发射多束电磁波，它们例如也可以沿流动通道周缘分布地射出。当然，被反射的部分同样可以在流动通道周缘的不同位置接收，以便由此获得有关工作叶片振动状态附加和更加准确的信息。当然，此方法也可以双重地使用于确定设在涡轮机内的导向叶片的振动状态，在这种情况下产生至少一束电磁波的和用于接收的装置也可以装在可旋转地支承的转子轴上。

此外，本发明建议了一种方法，用于确定在涡轮机内抗扭地安装在外壳上的导向叶片的振动状态，其中，通过产生至少一束电磁波的装置在导向叶片区域内的一个流动通道中发射至少一束电磁波，所述至少一束电磁波被至少一个导向叶片至少部分反射，所述至少一束电磁波被反射的部分由用于接收的装置接收，以及根据与至少一束所接收的电磁波对应的信号确定导向叶片的振动状态。

此外，建议了一种上述两种确定振动状态的方法的组合，以便同时或分别确定工作叶片和导向叶片的振动状态。

因此有利地也可以监测涡轮机不旋转的构件的振动状态。例如可以使用沿涡轮机的周缘分布地设置的用于发射至少一束电磁波的装置，在这里可以采用符合要求的配置。相应地可以设置一些用于接收的装置，以便接收反射的电磁波。为了降低这种配置的运行费用，可以例如规定，这种配置按脉冲方式和/或按时间区分电路的多路复用方式运行。此外还可以规定，使用一种用于发射至少一束电磁波同时还用于接收的装置，它装在外壳上要监控的导向叶片区内。

此外建议，使用与各自的表面形状匹配而具有一适配波长的至少一束电磁波。因此可以有利地达到，特别有利于将振动情况反映作用在所述至少一束电磁波上，以便例如为分析单元提供一高的信号电平，据此信号电平确定振动状态。

此外建议，采用至少一束雷达波作为至少一束电磁波。由此可有利地采用已公知的用于产生和传输雷达波的装置。从而可以进一步降低花费和成本。此外可以通过使用雷达波实现有关叶片振动频率和/或损伤的匹配，从而可以获得一有利的信号电平用于监控振动状态和/或表面质量。

按另一项设计建议，所述产生至少一束电磁波的装置还用于接收至少一束电磁波。由此可减少在涡轮上的构件以及装配及构造费用。例如可以采用一个雷达天线，既用于发射也用于接收。

此外建议，根据所述至少一束发射的电磁波与所述至少一束被接收的电磁波之间的频率对比，确定叶片的振动状态。由此可有利地用简单和廉价的装置实现对信号的分析评估。此外也可以使用其他适用的波长，例如毫米波等。

此外建议，同时确定叶片的表面质量和振动状态作为应力的度量。除节省时间和费用外，同时测量还提供了更全面的有关叶片应力的信息，从而可以在显示出有损伤时更迅速地采取措施。

此外本发明还建议了一种实施按本发明的方法的设备，它有产生一种电振荡的装置、由所述振荡产生至少一束电磁波的装置、接收至少一束电磁波的装置、以及一个评估一个与至少一束可接收的电磁波对应的信号的分析单元。有利地，产生至少一束电磁波和用于接收的装置装在涡轮机的流动通道中。这些装置可分别由天线构成，它们适用于产生和发射或接收电磁波，以及产生一个相应的信号。产生电振荡的装置可例如由一个电子振荡器构成，它与用于产生至少一束电磁波的天线有效连接。接收至少一束电磁波的装置优选地与分析单元作用连接，分析单元有能力根据由接收装置提供的信号，确定有关叶片振动状态和/或表面质量的信息。

此外建议，产生至少一束电磁波的装置不仅适用于发射而且适用于接收至少一束电磁波。以此方式进一步减少构件的数量。例如，产生至少一束电磁波的装置通过一耦合装置与产生振荡的装置有效连接。一个与接收的至少一束电磁波对应的信号经该耦合装置输入分析单元。也可以设多个耦合装置和天线，它们例如平行地与多个配属的分析单元连接或按时间区分多路复用的方式也可以与例如一个分析单元连接。

按本发明的一项有利的进一步发展建议，所述产生至少一束电磁波的装置是至少一个雷达天线。该雷达天线可以有紧凑的结构以及有小的尺寸。该雷达天线不仅适用于发射至少一束雷达波，而且也适用于接收至少一束雷达波。为此，它例如可以与一个循环器连接，借助它可将振荡输给天线，同时，由雷达天线提供的接收信号可传输给分析单元。特别有利的是可以使用按多普勒原理的方法，其中，接收的波长与发射的波长不同。通过适用的尤其是电子装置，可以达到电磁波的发射和接收同时工作。此外，也可以发射一种高频脉冲，在这种情况下在脉冲间隔时所述产生至少一束电磁波的装置被切换成接收。由此可以节省用于产生至少一束电磁波的能量和费用。

按另一项设计建议，将所述产生至少一束电磁波的装置安装在涡轮机内尤其是燃气轮机内。正是在大型机器的领域内，采用按本发明的设备可以实现经济地监控叶片，由此可以进一步缩短因维护和采取修理措施导致的特别昂贵的停车时间。例如可以达到提高配备有燃气轮机的发电设备的利用率。此外，按本发明的设备可以设计为对涡轮机流动通道内的气流的影响保持为很低的程度。

下面借助附图对本发明的其他优点和特征予以详细说明。在不同的附图内相同的结构部分采用同样的附图标记。有关相同结构部分的功能可参见对第一种实施例的说明。附图中：

图1用局部剖切透视图表示先有技术的燃气轮机；

图2表示图1所示燃气轮机的局部放大图和按本发明的设备；

图3表示实施按本发明的方法的原理线路图；

图4表示图1中燃气轮机的工作叶片；

图5表示图1中燃气轮机的导向叶片；

图6表示用于监控导向叶片的另一种设计的原理线路图；以及

图7表示用于监控工作叶片的天线配置。

图1表示先有技术的燃气轮机1，它设计用于约1200℃的高燃气进口温度。此燃气轮机1有装在一根可旋转地支承在外壳2内的转子轴3上的工作叶片4。此外设有与外壳2抗扭连接的导向叶片11(图4、图5)。工作叶片4和导向叶片11上尤其分别涂有表面涂层12、13，为的是能承受在燃气轮机1流动通道6内的物理负荷。

如图2所示，涡轮机1配备有按本发明的设备，它有一个天线8，尤其是雷达天线，该天线伸入燃气轮机1的流动通道6内。雷达天线8装在要监控的工作叶片4的区域内，尤其在两个工作叶片组之间。雷达天线8用作发射至少一束电磁波的装置，以及也用作接收至少一束电磁波的装置。该雷达天线8与一循环器16通讯连接。此外，按本发明的设备有一个高频发生器14，它通过一放大器15与循环器16作用连接。循环器16同时与一接收放大器17以及与一混频器18连接，该混频器本身同时与高频发生器14连接。混频器18的出口与分析单元19连接(图2)。

在图2和3所示的实施例中，采用多普勒雷达的原理。在这里，发射至少一束具有固定波长的电磁(雷达)波31，它被一个相对于天线8运动的被监控物体(＝工作叶片4)反射。通过这种相对运动，在至少一束电磁波反射部分32内的接收波长，按已知的物理效应相对于发射的波长偏移，以及天线8产生一个相应的信号。

图3详细表示了在这里所涉及实施例的方法的进行过程并在下面说明。

一电子高频发生器14产生一种带有固定和可预定波长的高频，它优选地等于在表1中列举的其中一个频率f₀。

f0/GHz	2.4	5.8	24	61	122	245
							fD/KHz	6.032	14.577	60.32	153.3	306.6	459.9

表1

该高频被供入一放大器15，该放大器则将放大后的高频经循环器16输入天线8。天线8基于输入的高频能量产生至少一束相应的雷达波31，并将它按其辐射特性发射。在雷达天线8旁经过的工作叶片4将雷达波的一部分32反射回到天线8，在这里，由于叶片相对于天线8的相对运动，包括旋转运动和振动，所以叶片促使波长改变。按在这里所表示的设计，即旋转频率为60Hz以及在旋转轴线与被所述至少一束雷达波31检测的叶片4部位之间的有效距离约1m，按公式

$f_D\left(t\right)=f_0\·\frac{2v\left(t\right)}{C_o}$

得出与波长改变对应的频率f_D。式中f₀是所述至少一束发射波31的频率，v(t)是工作叶片4和导向叶片11反射所述至少一束电磁波31的表面相对于天线8的相对速度，以及C_o是所述至少一束电磁波31、32的传播速度。

所述至少一束被反射的电磁波32经由天线8重新转换为一电信号，此信号供给循环器16。现在循环器16将接收的信号与发射的信号分离并将它供给接收放大器17。此信号从接收放大器17到达混频器18，在混频器内它与一个与高频发生器14的高频对应的信号混合。在此过程中相应地考虑高频发生器14的高频和接收放大器17的信号的相位。混频器18的输出信号提供了一个具有在接收频率与发射频率之间差频的信号。这一具有如在表1中列举的频率f_D的信号供入分析单元19，分析单元19根据此信号的特性(＝幅度和/或相位和/或其频谱分布)分析求出相应的工作叶片4的振动状态和/或表面质量状况。所确定的分析结果通过未进一步表示的显示装置或报警装置向监控点报警或进一步传给中央监控站。分析单元也可以配备有比较功能，通过比较可以确定是否达到一个可预定的阈值。例如在达到阈值时可自动发出一个应维护保养涡轮1的报警信号。优选地为此可以使用这种信号的强度作为阈值参数。

将天线8设计并布置成，使所述至少一束被反射的电磁波32至少部分相对于所述至少一束发射的电磁波31有多普勒频移(＝频率偏移)。图7表示分别具有附属的辐射特性810、820或830的不同天线81、82和83作为范例的实施形式和配置。天线81、82和83安装在叶片组之间要监控的工作叶片4和/或导向叶片11的区域内的流动通道6中。设计为鞭形天线或同轴天线尤其设计为同轴偶极天线是恰当的。但同样可以设想其他天线形式。辐射特性可以设计为对称的，如天线81和83，但也可以设计为非对称的，如天线82。为了形成尽可能大的多普勒频移，有利的是令运动部分，在这里是工作叶片4，经过被辐射特性810、820或830覆盖的空间范围。因此工作叶片4，其整体或仅仅其表面规定的区域(参见图4中表示的沿多个方向弯曲的轮廓)，首先朝涉及的天线81、82或83运动和然后重新从那里离开作这样一种运动过程是特别有利的。但也可以在采用这种配置的情况下，确定仅仅通过固定不动的部分，在这里是导向叶片11，相对于天线81、82或83的振动引起的多普勒频移。在这种情况下，多普勒频移仅源于振动运动，而不涉及旋转运动造成的相对运动。

原则上，天线81、82和83除了在这里介绍的有源工作方式外，亦即为了检测工作叶片4和/或导向叶片11有目的地发射至少一束电磁波31，也可以无源式工作。在无源式工作时，天线81、82和83不发射任何射线，而是只接收尤其由于在工作叶片4和/或导向叶片11上有损坏而存在于流动通道6内的电磁射线。因此这些天线81、82和83仅仅规定去“听”。

按本发明的另一项设计，燃气轮机1的工作叶片11和/或导向叶片11借助脉冲雷达监控。图6表示这种用于检测导向叶片的设计的原理线路图。在燃气轮机1与外壳2抗扭连接的导向叶片11的区域内，沿燃气轮机1流动通道6周缘分布地安装一些发射天线5，用于发射至少一束电磁波31。天线5与高频发生器9连接，它供给每个天线以高频。高频发生器9是一种脉冲发生器，它产生具有可预定的脉冲间隔比的高频短脉冲，并将它们按时间区分电路的多路通讯制分配给与之连接的天线5。此外，沿流动通道6周缘分布地安装一些用于接收被反射的电磁波32的接收天线7。接收天线7与多路转换器20连接，它同时有接收放大器的功能。按此设计，借助多路转换器20实现时间不连续地分别将一个天线7与分析单元19连接。与此同时分析单元19从高频发生器9得到高频。此外，分析单元19通过导线21获得一个通道选择信号，这一信号向分析单元19传输了一个有关所选择的天线7的信息。在这里所表示的导向叶片监控按脉冲方式工作，所以能耗在总体上可以保持得很小。此外可以达到，使得所述用于产生至少一束电磁波的构件总体上可以针对较低的热负荷进行设计。

本发明不应当视为仅限于实施例。同样属于保护范围内的是，也可以设置多个用于发射和/或用于接收的雷达天线，以便例如具有测量冗余度或也可达到更高的精度。

此外，按照本发明还可同时测量所述叶片的振动状态和表面质量。

本发明不限于仅使用唯一的一束或一种电磁波31、32。本发明当然也包括发射和接收多束或多种电磁波或波光谱。

Claims (17)

1.一种用于确定在涡轮机(1)内安装在可旋转地支承在一外壳(2)内的一转子轴(3)上的工作叶片(4)的应力的方法，其中，通过产生至少一束电磁波的装置(5、8)在工作叶片(4)区域内的一个流动通道(6)中发射至少一束电磁波(31)，所述至少一束电磁波(31)被至少一个工作叶片(4)至少部分反射，所述至少一束电磁波被反射的部分(32)由用于接收的装置(7、8)接收，以及根据与所接收的至少一束电磁波对应的信号确定工作叶片(4)的应力。

2.一种用于确定在涡轮机(1)内抗扭地安装在一外壳(2)上的导向叶片(11)的应力的方法，其中，通过产生至少一束电磁波(31)的装置(5、8)在导向叶片(11)区域内的一个流动通道(6)中发射至少一束电磁波，所述至少一束电磁波(31)被至少一个导向叶片(11)至少部分反射，所述至少一束电磁波被反射的部分(32)由用于接收的装置(7、8)接收，以及根据与所接收的至少一束电磁波对应的信号确定导向叶片(11)的应力。

3.按照权利要求1和2所述的方法，其特征为：在所述涡轮机(1)的设有工作叶片(4)和导向叶片(11)的转子轴(3)上，不仅确定工作叶片(4)的应力而且确定导向叶片(11)的应力。

4.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征为：作为应力的度量确定叶片的表面质量。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征为：根据一种有待确定的表面结构，使用至少一束与各自的表面形状匹配具有一适配波长的电磁波(31)。

6.按照权利要求1至5之一所述的方法，其特征为：所述产生至少一束电磁波的装置(8)也用于接收至少一束电磁波(32)。

7.按照权利要求4至6之一所述的方法，其特征为：根据所述至少一束被接收的电磁波(32)的强度来确定叶片的表面质量。

8.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征为：作为应力的度量确定叶片的振动状态。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征为：使用至少一束与各自的表面形状匹配而具有一适配波长的电磁波(31)。

10.按照权利要求1至9所述的方法，其特征为：使用至少一束雷达波(31)作为至少一束电磁波。

11.按照权利要求8至10之一所述的方法，其特征为：所述产生至少一束电磁波的装置(8)用于接收至少一束电磁波(32)。

12.按照权利要求8至11之一所述的方法，其特征为：通过将所述至少一束发射的电磁波(31)的频率与所述至少一束被接收的电磁波(32)的频率进行对比，来确定叶片的振动状态。

13.按照上述任一项权利要求所述的方法，其特征为：作为应力的度量同时确定叶片的表面质量和振动状态。

14.一种实施按照上述任一项权利要求所述的方法的设备，其包括产生一种电振荡的装置(9)、由所述电振荡产生至少一束电磁波(31)的装置(5、8)、接收至少一束电磁波(32)的装置(7、8)、以及包括一个用于分析评估所述至少一束可接收的电磁波(32)的分析单元(10)。

15.按照权利要求14所述的设备，其特征为：所述产生至少一束电磁波的装置(8)不仅适用于发射而且适用于接收至少一束电磁波(31、32)。

16.按照权利要求14或15所述的设备，其特征为：所述产生至少一束电磁波(31)的装置(5、8)是一个雷达天线。

17.按照权利要求14至16之一所述的设备，其特征为：所述产生至少一束电磁波(31)的装置(5、8)装在所述涡轮机(1)尤其是一个燃气轮机的流动通道(6)内。

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