DE60308402T2

DE60308402T2 - Nachweis von heissen bereichen in gasturbinen

Info

Publication number: DE60308402T2
Application number: DE60308402T
Authority: DE
Inventors: Enzo Kleinburg MACCHIA
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2003-10-15
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2023-10-16
Also published as: CA2503136A1; EP1556598A1; US20040079070A1; WO2004038198A1; DE60308402D1; CA2503136C; US6983603B2; EP1556598B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft generell Gasturbinenmaschinen und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Überwachen des Betriebszustands einer Gasturbinenmaschine. Die Erfindung betrifft auch generell ein Verfahren zum Überwachen und Erfassen von Änderungen in einem System.
Beschreibung des Stands der Technik
Es ist bekannt, dass Brennstoffdüsen von Gasturbinenmaschinen mit der Zeit Ablagerungen, die hier als Kohle bezeichnet werden, in der Brennstoffpassage in der Nähe der Maschinenbrennkammereinrichtung ansammeln. Infolge von Kohleansammlung angeschlagene und/oder blockierte Brennstoffdüsen zu vorzeitiger Erschöpfung am heißen Ende (Turbinenlaufschaufelkriechen, Laufschaufelrissen und thermische Disparität) führen können. Manchmal können thermisch überbelastete Leitschaufeln brechen, was (neben anderen Dingen) zu Pumpen führt. Folglich werden Brennstoffinjektionsdüsen periodisch aus der Maschine entfernt und einem Reinigungsschritt unterzogen, um die Kohleablagerungen von den Brennstoffpassagen zu entfernen. Dieser zeitliche Wartungsansatz, bei dem die Brennstoffdüsen in regelmäßigen Zeitintervallen gereinigt werden, berücksichtigt jedoch nicht Variationen bei der Rate, mit der eine Brennstoffdüse für individuelle Maschinen verstopfen kann. In der Folge werden die Brennstoffdüsen in vielen Maschinen in einem Extremfall häufig gereinigt, obwohl sie immer noch zufriedenstellend arbeiten, oder im anderen Extremfall zu einem Zeitpunkt deutlich nach dem Verstopfen, was zu einer möglichen Beschädigung der Maschine führt.
Deshalb wäre es höchst wünschenswert, ein kontinuierliches Überwachungssystem und -verfahren zu haben, welches verwendet werden kann, um zu bestimmen, wenn die Brennstoffdüsen einer Gasturbinenmaschine gereinigt werden müssen oder sonstwie gewartet werden müssen oder ersetzt werden müssen, um so dem Betreiber ökonomischere Wartungsperioden bereitzustellen und dabei weiterhin Schutz gegen Maschinenteilversagen infolge von Versagen am heißen Ende zu bieten.
EP-A-1251258 beschreibt eine Gasturbinenmaschine mit einem System zum Erfassen eines extraordinären Zustands der Maschine. Die Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche basieren auf diesem Dokument. US-A-5479350 beschreibt einen Abgas-Temperatur-Indikator für eine Gasturbinenmaschine.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein kontinuierliches Überwachungssystem bereitzustellen zum Liefern eines Feedbacks über des Gasturbinenmaschinenbauteilzustand.
Es ist auch ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Verfahren zum Überwachen des Zustands bestimmter Bauteile am heißen Ende in einer Gasturbinenmaschine bereitzustellen.
Deshalb wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein System gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren gemäß Anspruch 10 bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren generellen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Gasturbinenmaschine gemäß Anspruch 16 bereitgestellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachdem so generell die Art der Erfindung beschrieben wurde, wird nun auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die illustrativ eine bevorzugte Ausführungsform davon zeigen, für die gilt:
1 ist eine Seitenansicht, zum Teil weggebrochen, einer Gasturbinenmaschine, auf die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt ist;
2 ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Bereitstellen von Gasturbinenmaschinenbrennkammereinrichtungs-Zustands-Feedback gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Turbinenabschnitts der in 1 gezeigten Gasturbinenmaschine und zeigt, wie ein Satz von umfangsmäßig beabstandeten Thermoelementen, die ein Teil des in 2 gezeigten Systems bilden, in dem Maschinengehäuse angebracht sind, um die Zwischenturbinentemperaturverteilung (ITT – inter-turbine-temperature) zu messen;
4 ist eine schematische Ansicht des rückwärtigen Endes der Thermoelementanordnung des in 2 gezeigten Systems;
5a ist eine schematische Seitenansicht eines Schnitts der Gasturbinenmaschine, bei der zwei Sätze von Sensoren in einem Gasweg in Längsrichtung voneinander beabstandet sind;
5b ist eine schematische Endansicht des in 5a gezeigten Gasturbinenmaschinenabschnitts; und
6 ist eine schematische Ansicht des rückwärtigen Endes eines Gasturbinenmaschinenabschnitts gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine Gasturbinenmaschine 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Gasturbinenmaschine generell in serieller Strömungsverbindung einen Bläser 12, durch den Umgebungsluft getrieben wird, einen mehrstufigen Verdichter 14 zum Druckbeaufschlagen der Luft, eine Brennkammereinrichtung 16, in der die verdichtete Luft mit Brennstoff vermischt und entzündet wird, um einen ringförmigen Strom heißer Verbrennungsgase zu bilden, und eine Turbine 18, aufweist, um den Verbrennungsgasen Energie zu entziehen.
Die Brennkammereinrichtung 16 weist typischerweise eine Brennkammer 20 und eine Mehrzahl von Brennstoffdüsen (nicht gezeigt) auf, die typischerweise gleich beabstandet um die Brennkammer 20 angeordnet sind, um das Beibehalten einer im Wesentlichen gleichförmigen Temperaturverteilung in der Brennkammer 20 zu erlauben. Bei Verwendung wird Brennstoff durch die Brennstoffdüsen der Brennkammer 20 zur Entzündung darin geliefert und die expandierenden Gase, welche durch das Entzünden des Brennstoffs erzeugt werden, treiben die Turbine 18 in einer im Technikgebiet bekannten Weise an.
Während längere Perioden des Maschinenbetriebs kann jedoch der durch die Brennstoffdüsen strömende Brennstoff karbonisieren oder verkoken. Ein derartiges Verkoken bzw. Kohlenansammlung kann die Düsen verstopfen und verhindern, dass die Düsen korrekt sprühen, und somit Anlass für eine nicht gleichförmige Temperaturverteilung am Auslass der Brennkammereinrichtung geben, was zu hohen thermischen Belastungen in der Brennkammereinrichtung und den Turbinenteilen der Maschine führt. Es ist bekannt, dass thermische Belastungen dieser Art unerwünscht sind und Maschinenteile der Brennkammereinrichtung und/oder der Turbine ("Teile des heißen Endes") vorzeitiger thermischer Erschöpfung aussetzen.
Die vorliegende Erfindung erkennt, dass Brennstoffdüsenzustand und -leistung in einer Gasturbinenmaschine direkt durch das Überwachen von Temperaturunterschieden in der Verbrennungszone und strömungsabwärts davon überwacht werden können, wie es nachfolgend detaillierter beschrieben werden wird. Deshalb soll gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Temperaturverteilung des heißen Abschnitts gemessen und überwacht werden, um die "Gesundheit" der Brennstoffdüsen zu überwachen, wie das nun beschrieben wird.
Wie schematisch in der 2 gezeigt, kann die "Gesundheit" der Brennstoffdüsen auf einer kontinuierlichen Basis mit einem Überwachungssystem 20 überwacht werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Überwachungssystem 22 eine Mehrzahl (es sind 8 in der gezeigten Ausführungsform, obwohl mehr oder weniger verwendet werden können) von umfangsmäßig beabstandeten Zwischenturbinen Temperatur-(ITT – inter-turbine-temperature)-Sensoren oder -thermoelementen 24 auf (4), die in den heißen Verbrennungsgasstrom ragen, um Temperatursignale ITT₁, ITT₂, ITT₃, ITT₄, ITT₅, ITT₆, ITT₇ und ITT₈ zu liefern. Die Sensoren 24 sind vorzugsweise derart positioniert und angeordnet, dass sie zusammen Temperaturinformation liefern, die für die Verdichteraustrittstemperaturverteilung indikativ ist. Die Sensoren 24 sind vorzugsweise in der Form von Thermeelementen vorgesehen, die in umfangsmäßig beabstandeten Aufnahmeöffnungen 25 angebracht sind, die in dem Turbinengehäuse 26 definiert sind (3 und 4). Gemäß der gezeigten Ausführungsform sind die Temperatursensoren 24 in einer Ringebenen -Anordnung zwischen den ersten beiden Stufen von Turbinenlaufschaufeln gleichmäßig beabstandet.
Wie in der 2 gezeigt, empfängt ein Signalprozessor 28, der in Verbindung mit den Sensoren 24 ist, die Temperatursignale ITT₁, ITT₂, ITT₃, ITT₄, ITT₅, ITT₆, ITT₇ und ITT₈. Der Signalprozessor 28 ist arbeitsfähig, die Temperatursignale zu verarbeiten und ein Feedback über den Zustand der Brennkammereinrichtung 16 basierend auf der Temperaturverteilung an dem Austritt der Brennkammereinrichtung 16 zu liefern. Insbesondere berechnet der Signalprozessor 28 die Temperaturdifferenz zwischen einem jeden Sensor und zwischen der minimalen und der maximalen erfassten Temperatur. Für die Zwecke der Beschreibung hier wurden in der gezeigten Ausführungsform die maximale Temperatur und die minimale Temperatur an den Sensoren "2" und "7" erfasst. Die berechnete Temperaturdifferenz, die hier als delta ITT₂₇ bezeichnet wird, wird dann von dem Prozessor 28 mit einem vorbestimmten akzeptablen Deltawert verglichen. Wenn das berechnete delta ITT₂₇ größer ist als der vorbestimmte akzeptable Deltawert, geht man davon aus, dass die Temperaturverteilung am Brennkammerauslass ausreichend ungleichförmig ist, eine Warnung an den Betreiber zu veranlassen und so wird dann ein Fehlfunktionssignal von dem Prozessor 28 erzeugt. Ein Warnanzeiger 29 ist vorgesehen, um den Betreiber nach dem Empfangen eines Warnsi gnals von dem Prozessor 28 zu warnen. Eine große Temperaturdifferenz zwischen den Messstellen könnte ein Anzeichen eines von einer verstopften Brennstoffdüse verursachten "hot spots" sein und kann somit ein Anzeichen dafür sein, dass eine Wartung erforderlich ist. Die vorliegende Erfindung liefert so dem Betreiber eine Anzeige dafür, dass eine Korrektivmaßnahme (z. B. Brennstoffdüsenwartung) erfolgen muss, bevor ein Maschinenteil (z. B. Brennkammereinrichtung) infolge von übermäßiger thermischer Belastungen beschädigt wird, die sich aus einem Wartungszustand (z. B. einer verstopften Brennstoffdüse) ergeben. Als solches kann die Verwendung des an Bord befindlichen Überwachungssystems 22 gemäß der vorliegenden Erfindung das Detektieren von selbst teilweisem Düsenverstopfen erlauben, und erlaubt es so einem Bediener, Korrekturmaßnahmen vorzunehmen, bevor zu einer signifikanten thermischen Schädigung kommt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der in 5a und 5b gezeigt ist, kann ein zweiter Satz von umfangsmäßig beabstandeten Temperatursensoren 30 strömungsaufwärts der ersten ringförmigen Anordnung von Temperaturensensoren 24 installiert sein, um zusätzliche Messpunkte entlang dem Gasweg zu liefern. Man versteht, dass mehr als zwei in Längsrichtung beabstandete Sätze von Sensoren vorgesehen sein können. Wie in der 5b gezeigt, kann die zweite Anordnung von Sensoren 30 relativ zu der ersten Anordnung von Sensoren 24 winkelmäßig versetzt sein.
Alternativ könnte, wie in der 6 gezeigt, das Überwachungssystem 22 mit einer Temperaturerfassungseinheit aufweisend eine Anzahl von umfangsmäßig beabstandeten Messaufnehmern 32 versehen sein, wobei jeder Messaufnehmer 32 eine Anzahl von radial beabstandeten Thermoelementen 34 und 36 aufweist, die daran zum Erfassen der Temperaturverteilung an unterschiedlichen konzentrischen Kreisen um eine Querebene der Strömung von Verbrennungsgasen angebracht ist.
Man erkennt auch, dass andere Typen von Temperaturenverteilungserfassungsmessvorrichtungen verwendet werden könnten (anstelle der Thermoelemente) zum Messen der Temperaturverteilung in der Brennkammereinrichtung 16 und strömungsabwärts davon. Beispielsweise könnten auch optische Zeitdomain-Reflektrometrietemperaturvorrichtung (optical time domain reflectometry temperature devices) oder solche vom Infrarottyp verwendet werden. Der Fachmann kann erkennen, dass andere Sensorpositionen und -anordnungen auch in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Wie aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich, kann das kontinuierliche Überwachungssystem und -verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Typen von Gasturbinenmaschinen angewandt werden, um ein Echtzeitfeedback des heißen Abschnitts zu erhalten und somit festzustellen, wenn eine Wartung wahrscheinlich tatsächlich erforderlich ist, statt sich lediglich auf Vorhersagen hinsichtlich passender Intervalle zwischen Wartungsarbeiten zu verlassen. Das kann es dem Betreiber erlauben, einen ökonomischeren Betrieb der Maschine(n) zu erzielen, da Wartung lediglich dann durchgeführt wird, wenn sie als erforderlich angezeigt ist, statt nach einer vorbestimmten spezifizierten Periode. Das Überwachungssystem der vorliegenden Erfindung erlaubt vorteilhafterweise das Realisieren von Verbesserungen bei der Maschinenzuverlässigkeit und kann vorzeitige Maschinenverschlechterung verringern. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie auf neue Maschinen sowie bereits im Einsatz befindliche leicht angewandt werden kann, mit lediglich minimaler Modifikation an der Maschine und der zugehörigen Steuereinrichtung. In dieser Hinsicht könnte das System in der Form eines Nachrüstsatzes einschließlich einer Temperaturverteilungsmessvorrichtung, einem Signalprozessor und der Befestigungshardware angeboten werden.

Claims

System (22) zum Liefern eines Gasturbinenmaschinen-Zustands-Feedbacks, aufweisend: eine Erfassungsanordnung (24, 30, 32, 34, 36) zum Erfassen einer Temperatur an einer Mehrzahl von Stellen in einem Gasstrom einer Gasturbinenmaschine und zum Erzeugen einer Mehrzahl von Temperatursignalen, die zu den Temperaturen korrespondieren, die an der Mehrzahl von Stellen erfasst wurden, wobei die erfassten Temperaturen ein Temperaturverteilungsprofil des Gasstroms liefern; und eine Signalprozessoranordnung (28) zum Empfangen und Vergleichen der Mehrzahl von Temperatursignalen von den Erfassungsanordnungen (24, 30, 32, 34, 36); dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessoranordnung konfiguriert ist, ein Warnsignal zu erzeugen, dass Wartung erforderlich ist, wenn die Differenz zwischen einer maximalen Temperatur und einer minimalen Temperatur größer als ein vorbestimmter akzeptabler Deltawert ist; und dass das System ferner eine Warnanzeigeranordnung (29) zum Warnen eines Menschens beim Empfangen eines Warnsignal von der Signalprozessoranordnung (28) aufweist.
System (22) nach Anspruch 1, wobei die Erfassungsanordung (28) daran angepasst ist, die Zwischenturbinentemperatur (ITT – inter-turbine temperature) der Gasturbinenmaschine zu erfassen.
System (22) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Erfassungsanordnung (24, 30, 32, 34, 36) eine erste ringförmige Anordnung einer Mehrzahl von umfangsmäßig beabstandeten Temperatursensoren (24) aufweist.
System (22) nach Anspruch 3, wobei die Erfassungsanordnung (24, 30) eine zweite ringförmige Anordnung von umfangsmäßig beabstandeten Temperatursensoren (30) aufweist und die zweite ringförmige Anordnung strömungsabwärts der ersten ringförmigen Anordnung relativ zu einer Strömungsrichtung des Gasstroms angeordnet ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Erfassungsanordnung (24, 30, 32, 34, 36) eine Mehrzahl von umfangsmäßig beabstandeten radialen Messaufnehmern (32) aufweist und für mindestens zwei radial beabstandete Temperatursensoren (34, 36) an jeden Messaufnehmer (32) vorgesehen sind.
System (22) nach Anspruch 1, wobei die Erfassungsanordnung (24, 30, 32, 34, 36) derart positioniert und angeordnet ist, dass sie ein Verteilungsprofil der Temperatur an einem Auslass eines Brennkammereinrichtungsabschnitts (16) der Gasturbinenmaschine (16) liefert.
System (22) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Erfassungsanordnung (24, 30, 32, 36) eine Mehrzahl von Thermoelementen aufweist.
System (22) nach Anspruch 3, wobei die Signalprozessoranordnung (28) die Temperatursensoren (24) detektiert, welche die maximale und die minimale Temperatur registrieren und anschließend die Temperaturdifferenz feststellt, die zwischen der minimalen und der maximalen Temperatur besteht, bevor sie den berechneten Differenzwert mit dem vorbestimmten akzeptablen Deltawert vergleicht.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das System (22) in der Form eines Nachrüstsatzes vorgesehen ist, der daran angepasst ist, an existierenden Maschinen angebracht zu werden.
Verfahren zum Überwachen des Zustands eines Bauteils des heißen Endes einer Gasturbinenmaschine (10), aufweisend die folgenden Schritte: a) Erfassen einer Temperaturverteilung in mindestens einem Teil eines Gaswegs in einer Gasturbinenmaschine (10); und gekennzeichnet durch die weiteren folgenden Schritte: b) Berechnen der Temperaturdifferenz zwischen einer maximalen Temperatur und einer minimalen Temperatur der erfassten Temperaturverteilung; und c) Vergleichen der Temperaturdifferenz mit einem vorbestimmten Deltawert, um einen Fehlfunktionszustand zu ermitteln und dann, beim Ermitteln des Fehlfunktionszustands, Erzeugen eines Warnsignals, welches anzeigt, dass eine Wartung erforderlich ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Warnsignal erzeugt wird, wenn die berechnete Temperaturdifferenz größer als der vorbestimmte Deltawert ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Fehlfunktionszustand einer inkorrekt funktionierenden Brennstoffdüse korrespondiert.
Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, wobei die Temperatur an einer Mehrzahl von Stellen in einer Ebene rechtwinklig zu einer Gaswegrichtung erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, wobei die Temperatur an einer Mehrzahl von Stellen in einer Ebene parallel zur Gaswegrichtung erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, wobei die Temperatur zwischen zwei Turbinenstufen der Gasturbinenmaschine (10) erfasst wird.
Gasturbinenmaschine (10), aufweisend einen Verdichterabschnitt (14), einen-Verbrennkammereinrichtungsabschnitt (16), eine Mehrzahl von Brennstoffdüsen zum Zuführen von druckbeaufschlagtem Brennstoff zu dem Brennkammereinrichtungsabschnitt (16), in dem der Brennstoff entzündet wird, um einen Strom heißer Verbrennungsgase zu erzeugen, einen Turbinenabschnitt (18) zum Entziehen von Energie von den Verbrennungsgasen und ein Brennkammereinrichtungs-Fehlfunktionserfassungssystem (22), wobei das System (22) einen ersten Satz von Temperatursensoren (24), die in dem heißen Gasstrom positioniert sind, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren angeordnet sind, eine Zwischenturbinentemperaturverteilung (ITT – inter-turbine temperature) zu erfassen und dass die Maschine ferner einen Signalpro zessor (28) aufweist, der ein Temperatursignal von jedem der Temperatursensoren (24) empfängt und konfiguriert ist, ein delta der Temperatur zwischen einer minimalen und einer maximalen erfassten Temperatur zu bestimmen und ein Brennkammereinrichtungs-Fehlfunktionssignal zu erzeugen, wenn das Temperaturdelta größer als ein vorbestimmter akzeptabler Wert ist.
Gasturbinenmaschine (10) nach Anspruch 16, wobei der erste Satz von Temperatursensoren (24) generell an einer ringförmigen Anordnung, die zwischen zwei Stufen der Turbinenlaufschaufeln positioniert ist, gleich beabstandet ist.
Gasturbinenmaschine (10) nach Anspruch 16 oder 17, wobei ein zweiter Satz von umfangsmäßig beabstandeten Temperatursensoren (30) strömungsabwärts des ersten Satzes vorgesehen ist.
Gasturbinenmaschine (10) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei der erste Satz von Temperatursensoren (24) eine Anzahl von umfangsmäßig beabstandeten Radial-Messaufnemern (32) aufweist und wobei mindestens zwei radial beabstandete Thermoelemente (34, 36) an jeden Messaaufnehmer (32) angebracht sind.