[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Minimierung des Spaltes zwischen
einem Läufer und einem Gehäuse einer Turbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1
und einer Turbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 und ein Verfahren zur Bestimmung
des Verschleißverhaltens eines Läufers eines Rotors gemäss Anspruch 14.
[0002] In einer Turbine, wie z.B. einer Dampf- oder Gasturbine, dreht sich ein Rotor mit
mindestens einer Scheibe und mehreren Schaufeln innerhalb eines Gehäuses. Zwischen
dem Schaufelende und dem Gehäuse besteht ein Spalt.
[0003] Verfahren zur Verschiebung von Rotor und Läufer sind aus der DE 42 23 495 und WO
00/28190 bekannt.
[0004] Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, soll der Spalt zwischen Schaufelende und
Gehäuse minimal sein.
[0005] Verfahren zur Spaltminimierung sind aus der DE 39 10 319 C2 und der DE 39 01 167
A1 bekannt.
Die Verfahren benötigen jedoch einen hohen apparativen Aufwand und/oder sind nicht
sehr genau, so dass eine weitere Optimierung wünschenswert ist.
[0006] Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem der Spalt zwischen
Läufer und Gehäuse auf einfache Art und Weise minimiert wird.
[0007] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, indem der Läufer und
das Gehäuse Teil eines Stromkreislaufs sind, so dass mit der Feststellung eines elektrischen
Kontakts ein mechanischer Kontakt ermittelt wird.
[0008] Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung eine Turbine aufzuzeigen, bei der der Spalt zwischen
Läufer und Gehäuse minimal ist.
[0009] Die Aufgabe wird gelöst durch eine Turbine gemäß Anspruch 7, indem der Läufer und
das Gehäuse Teil eines Stromkreislaufs sind.
[0010] Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Verschleißverhaltens
eines Läufers aufzuzeigen.
[0011] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 14, indem der Läufer und
das Gehäuse Teil eines Stromkreislaufs sind, so dass mit der Feststellung eines elektrischen
Kontakts ein mechanischer Kontakt ermittelt wird.
Wenn das Schaufelende einer Schaufel eines Läufers verschleißt, vergrößert sich der
Abstand zwischen Schaufelende und Gehäuse. Dies kann mit dem Verfahren gemäss Anspruch
13 ermittelt werden, indem der Verlauf der zeitlichen Abstandsänderung ermittelt wird.
[0012] In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet.
Die in den Unteransprüchen aufgelisteten Maßnahmen können in vorteilhafter Art und
Weise miteinander kombiniert werden.
[0013] Es zeigen
- Figur 1
- eine Gasturbine,
- Figur 2, 3
- ein Gehäuse mit einem Läufer als Teil eines Stromkreises, und
- Figur 4, 6
- ermittelte Messkurven, und
- Figur 5
- ein Teil einer Turbinenschaufel.
[0014] Die Figur 1 zeigt eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.
[0015] Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 (Axialrichtung)
drehgelagerten Rotor 103 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang
des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine
beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer 106, mit
mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse
109. Die Ringbrennkammer 106 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal
111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112
die Turbine 108. Jede Turbinenstufe 112 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung
eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe
115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
[0016] Die Leitschaufeln 130 sind dabei am Stator 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln
120 einer Reihe 125 mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
[0017] Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse
104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters
105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit
einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums
113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang
des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An
den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass
die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
[0018] Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes
der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln
120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112
werden neben den die Ringbrennkammer 106 auskleidenden Hitzeschildsteinen am meisten
thermisch belastet. Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, werden diese
mittels eines Kühlmittels gekühlt. Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen
gegen Korrosion (MCrAlX; M = Fe, Co, Ni, X=Y, Seltenen Erden) und Wärme (Wärmedämmschicht,
beispielsweise ZrO2, Y2O4-ZrO2) aufweisen.
[0019] Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten
Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden
Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem
Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.
[0020] Figur 2 zeigt schematisch einen elektrischen Stromkreis zwischen einem Läufer 120
und einem Gehäuse 138.
[0021] Um einen elektrischen Stromkreis zwischen einem Läufer 120, insbesondere einer Turbinenschaufel
120, und einem Gehäuse 138 einer Dampf- oder Gasturbine 100 herzustellen, wird eine,
elektrische Verbindung mittels elektrischer Leitungen 60 oder elektromagnetischer
Übertragung bspw. über die Welle zwischen der Turbinenschaufel 120 und dem Gehäuse
138 hergestellt. Mittels eines entsprechenden Messgeräts 63 (Spannungs-, Strom-, Widerstands-
oder Kapazitätsmesser) kann ein elektrischer Widerstand und/oder ein anderer elektrischer
Parameter gemessen werden.
Beispielsweise kann der elektrische Widerstand zwischen zumindest einer, hier schematisch
dargestellt, Turbinenschaufel 120 und dem Gehäuse 138 gemessen werden. Wenn kein Kontakt
zwischen der Turbinenschaufel 120 und dem Gehäuse 138 besteht, so ist der elektrische
Widerstand sehr oder unendlich hoch.
Kommt es zu einer Berührung zwischen einer Schaufelspitze 87 der Turbinenschaufel
120 und dem Gehäuse 138, so entsteht ein elektrischer Kontakt zwischen der Turbinenschaufel
120 und dem Gehäuse 138, wodurch sich der Widerstand stark minimiert und der Stromkreis
geschlossen wird.
Je nachdem wie groß die Kontaktfläche zwischen Turbinenschaufel 120 und dem Gehäuse
138 ist, ändert sich der elektrische Widerstand. Die gemessene elektrische Größe ist
somit ein Maß für die vorhandene Größe eines Spalts d zwischen Schaufelköpfen und
Gehäuse.
Aufgrund der Konizität der Läuferspitze des Läufers 120 und des Gehäuses 138 zueinander
(Fig. 1, WO 00/28190) wird durch eine Axialverschiebung des Läufers 120 oder des Gehäuses
138 der Spalt d verringert oder vergrössert.
[0022] Weitere elektrische Größen, die gemessen werden können, sind eine elektrische Spannung
oder die Kapazität (Gleichstrom, Wechselstrom, die i.a. umgekehrt proportional zum
Spalt d ist) zwischen beiden Elementen 120, 138.
Wenn eine elektrische Spannung zwischen Läufer 120 und Gehäuse angelegt wird, fließt
kein elektrischer Strom, solange kein mechanischer Kontakt gegeben ist.
Wenn sich ein Kontakt zwischen Läufer 120 und Gehäuse 138 durch Axialverschiebung
ergibt, fließt ein Strom, der gemessen werden kann bzw. es wird ein Spannungsabfall
registriert.
[0023] Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Turbine 100, mit der auch das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
Die Konizität der Läuferspitze des Läufers 120 und des Gehäuses 138 ist hier nicht
dargestellt.
Die Turbinenschaufel 120 und das Gehäuse 138 sind in der Regel aus metallischem Material,
so dass sie elektrischen Strom leiten können.
Oft weist jedoch die Turbinenschaufel 120 eine keramische Beschichtung auf, so dass
ein elektrischer Stromfluss zwischen Turbinenschaufel 120 und dem Gehäuse 138 nicht
möglich wäre. In diesem Fällen muss ein elektrischer Pfad zwischen Gehäuse 138 und
der Turbinenschaufel 120, insbesondere der Schaufelspitze 87, durch zusätzliche Maßnahmen
ermöglicht werden.
[0024] Dies geschieht beispielsweise durch elektrisch leitende Vorsprünge 69, die durch
die Beschichtung der Turbinenschaufel 120 hindurch eine elektrische Verbindung (Fig.
5) von dem Gehäuse 138 zu der Turbinenschaufel 120 und der elektrischen Leitung 60
herstellen.
[0025] Der Vorsprung 69 auf der Turbinenschaufel 120 stellt eine elektrische Kontaktfläche
66 dar und ist beispielsweise dreiecksförmig oder konisch ausgebildet und kann durch
den Kontakt mit dem Gehäuse 138 verschlissen werden.
[0026] Der Vorsprung 69 kann auf einer oder mehreren Turbinenschaufeln 120 einer oder mehrerer
Turbinenstufen 112 vorhanden sein.
Der zumindest eine Vorsprung 69 ist bspw. auf eine elektrische Kontaktfläche 66 des
gegenüberliegenden Gehäuses 138 ausgerichtet.
[0027] Ebenso kann das Gehäuse 138 separat ausgebildete elektrische Kontaktflächen 66 aufweisen,
die eine bspw. hohe elektrische Leitfähigkeit und/oder hohe Verschleißbeständigkeit
aufweisen.
[0028] Ebenso kann die Turbinenschaufel 120 Schaufelspitzen 87 nach dem Stand der Technik
aufweisen, die für einen Verschleiß ausgelegt sind (abradables).
[0029] In der Figur 4 ist der elektrische Widerstand R aufgetragen über eine Axialverschiebung
der Leitschaufel 120 gegenüber dem Gehäuse 138.
Der elektrische Widerstand R (oder Kapazität) steht für einen bestimmten Spalt d zwischen
Gehäuse 138 und der Turbinenschaufel 120.
Die Axialverschiebung erfolgt bspw. hydraulisch durch Verschiebung des Rotors 103
mit den Laufschaufeln 120 in Axialrichtung 102. Aufgrund der Konizität der Läuferspitze
und des Gehäuses 138 (Fig. 1, WO 00/28190) wird der Spalt d dadurch verringert.
Am Anfang hat der elektrische Widerstand R bspw. einen bestimmten Wert oder ist unendlich
hoch.
Durch eine axiale Verschiebung des Rotors 103 gegenüber dem Gehäuse 138 wird der bestehende
Spalt verengt und schließlich ein elektrischer Kontakt hergestellt, so dass der Widerstand
R sinkt. Je nach axialer Verschiebung der Leitschaufeln 120 gegenüber dem Gehäuse
138 wird eine mehr oder weniger große Kontaktfläche zwischen den Turbinenschaufeln
120 und dem Gehäuse 138 hergestellt, wodurch sich auch die Größe des elektrischen
Widerstands R (oder die Kapazität) bestimmt. So ergeben sich verschiedene Messpunkte
81 in Abhängigkeit von dem Wert der Axialverschiebung.
Je größer die axiale Verschiebung, desto kleiner ist der elektrische Widerstand.
Wenn ein elektrischer Kontakt hergestellt wurde, werden die Leitschaufeln 120 wieder
zurückverschoben, bis gerade kein elektrischer Kontakt mehr vorhanden ist (Punkt 85
der Kurve 84). Dann ist ein minimaler Spalt eingestellt.
Diese Einstellung des minimalen Spalts kann während des Betriebs und aber auch vor
Inbetriebnahme erfolgen.
[0030] Aus den gemessenen Wiederstandswerten 81 kann auch eine Kurve 84 ermittelt werden,
die dazu dient, den Läufer 1 nachzujustieren, wenn die Schaufelspitze 87 verschleißt.
[0031] Ebenso kann damit ein Endzeitpunkt festgelegt werden, bei dem eine Verscheißschicht
75 (Fig. 5) auf der Turbinenschaufel 120 verbraucht ist.
Dies geschieht dadurch, dass mit der Zeit t kontinuierlich oder diskontinuierlich
ermittelt wird, über welche Strecke x der Rotor 103 gegenüber dem Gehäuse 138 nachjustiert
wurde, um einen bestimmten minimalen Spalt einzustellen.
Dies ergibt eine Kurve wie in Figur 6 dargestellt.
Diese Strecke x entspricht einem bestimmten Schichtdickenverlust. Da die Schichtdicke
h der Schicht 75 bekannt ist, kann mittels der gesamten Strecke der Nachjustierung
x ermittelt werden, wann.die Schicht 75 verbraucht ist oder wie dick sie noch ist.
[0032] Figur 5 zeigt eine Turbinenschaufel 120 einer erfindungsgemäß ausgebildeten Turbine
100.
Die Turbinenschaufel 120 weist ein metallisches Substrat 72 auf, das (nicht dargestellt)
eine keramische Beschichtung 75 und/oder eine äußere Verschleißschicht 75 aufweist.
Die äußere Verschleißschicht 75 ist beispielsweise porös und/oder keramisch, so dass
an sich kein elektrischer Pfad zwischen der Schaufelspitze 87 und metallischem Kern
72 der Turbinenschaufel 120 vorhanden wäre.
Daher wird in der Verschleißschutzschicht 75 zumindest ein durchgehender elektrischer
Pfad 78 hergestellt.
Der elektrische Pfad 78 kann in einer oder mehreren Turbinenschaufeln 120 einer oder
mehrerer Schaufelreihen vorhanden sein.
1. Verfahren zur Minimierung des Spalts (d) zwischen einem Läufer (120),
insbesondere einer Laufschaufel (120),
und einem Gehäuse (138),
insbesondere einem Gehäuse (138) einer Turbine (100),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Spalt (d) zwischen Läufer (120) und Gehäuse (138) einstellbar ist,
insbesondere durch Verschiebung von Läufer (120) und Gehäuse (138) gegeneinander,
und
dass der Läufer (120) und das Gehäuse (138) Teil eines Stromkreises (120, 60, 138) sind,
wobei eine elektrische Größe des Stromkreises (120, 60, 138) als Maß für die Größe
des Spalts (d) und damit zur Einstellung eines minimalen Spalts (d) herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrische Widerstand als elektrische Größe zwischen dem Läufer (120) und dem
Gehäuse (138) gemessen wird, wobei ein unendlich hoher elektrischer Widerstandswert
bedeutet,
dass kein elektrischer Kontakt zwischen Läufer (120) und Gehäuse (138) vorhanden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrische Widerstand als elektrische Größe zwischen dem Läufer (120) und dem
Gehäuse (138) gemessen wird,
wobei ein messbarer elektrischer Widerstandswert bedeutet, dass ein elektrischer Kontakt
zwischen Läufer (120) und Gehäuse (138) zumindest teilweise vorhanden ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Spannung zwischen Läufer (120) und Gehäuse (138) angelegt wird,
wobei der Spannungsabfall als Maß für die Größe des Spalts zwischen Läufer (120) und
Gehäuse (138) herangezogen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrische Kapazität als elektrische Größe zwischen dem Läufer (120) und dem
Gehäuse (138) gemessen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Läufer (120) zur Einstellung der Größe des Spalts in einer axialen Richtung (102)
gegenüber dem Gehäuse (138) verschiebbar ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Läufer (120) so verschoben wird,
bis gerade kein elektrischer Kontakt mehr vorhanden ist.
8. Turbine, insbesondere Gasturbine,
bestehend aus einem Läufer (120) und einem Gehäuse (138),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Läufer (120) und das Gehäuse (138) Teil eines elektrischen Stromkreises (120,
60, 138) sind, in dem eine elektrische Größe als für die Größe des Spalts zwischen
Läufer (120) und Gehäuse (138) repräsentativ ermittelbar ist.
9. Turbine nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Läufer (120) zumindest eine gesondert geschaffene elektrische Kontaktfläche
(66) aufweist.
10. Turbine nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (138) zumindest eine gesondert geschaffene elektrische Kontaktfläche (66')
aufweist.
11. Turbine nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf zumindest einem Läufer (120) zumindest ein Vorsprung (69) vorhanden ist,
der die elektrische Kontaktfläche (66) bildet, und
dass der Vorsprung (69) den elektrischen Kontakt zwischen Läufer (120) und Gehäuse (138)
herstellt.
12. Turbine nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Vorsprung (69) zumindest teilweise dreiecksförmig oder konisch ausgebildet ist.
13. Turbine nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Vorsprung (69) und/oder der Läufer (120) verschleißbar ist.
14. Verfahren zur Bestimmung des Verschleißverhaltens eines Läufers (120) eines Rotors
(103),
der sich in einer Axialrichtung (102) erstreckt,
bei dem eine Messkurve (84) eines elektrischen Parameters gegenüber einer Axialverschiebung
gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 bestimmt wird, und
eine gesamte Strecke der Axialverschiebung über die Zeit ermittelt wird,
wobei eine bestimmte Axialverschiebung einem bestimmten Verschleiß des Läufers (120)
entspricht.
Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 86(2) EPÜ.
1. Verfahren zur Minimierung des Spalts (d) zwischen einem Läufer (120),
insbesondere einer Laufschaufel (120),
und einem Gehäuse (138),
insbesondere einem Gehäuse (138) einer Turbine (100),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Spalt (d) zwischen Läufer (120) und Gehäuse (138) einstellbar ist,
insbesondere durch Verschiebung von Läufer (120) und Gehäuse (138) gegeneinander,
und
dass der Läufer (120) und das Gehäuse (138) Teil eines Stromkreises (120, 60, 138) sind,
wobei der elektrische Widerstand des Stromkreises (120, 60, 138) als Maß für die Größe
des Spalts (d) und damit zur Einstellung eines minimalen Spalts (d) herangezogen wird,
wobei ein messbarer elektrischer Widerstandswert bedeutet, dass ein elektrischer Kontakt
zwischen Läufer (120) und Gehäuse (138) zumindest teilweise vorhanden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein unendlich hoher elektrischer Widerstandswert bedeutet, dass kein elektrischer
Kontakt zwischen Läufer (120) und Gehäuse (138) vorhanden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Spannung zwischen Läufer (120) und Gehäuse (138) angelegt wird,
wobei der Spannungsabfall als Maß für die Größe des Spalts zwischen Läufer (120) und
Gehäuse (138) herangezogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2, oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Läufer (120) zur Einstellung der Größe des Spalts in einer axialen Richtung (102)
gegenüber dem Gehäuse (138) verschiebbar ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Läufer (120) so verschoben wird,
bis gerade kein elektrischer Kontakt mehr vorhanden ist.
6. Turbine, insbesondere Gasturbine,
bestehend aus einem Läufer (120) und einem Gehäuse (138),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Läufer (120) und das Gehäuse (138) Teil eines elektrischen Stromkreises (120,
60, 138) sind,
in dem der elektrische Widerstand als für die Größe des Spalts (d) zwischen Läufer
(120) und Gehäuse (138) repräsentativ ermittelbar ist, und
dass Läufer (120) und Gehäuse (138) elektrisch miteinander kontaktierbar sind.
7. Turbine nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Läufer (120) zumindest eine gesondert geschaffene elektrische Kontaktfläche
(66) aufweist.
8. Turbine nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (138) zumindest eine gesondert geschaffene elektrische Kontaktfläche (66')
aufweist.
9. Turbine nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf zumindest einem Läufer (120) zumindest ein Vorsprung (69) vorhanden ist,
der die elektrische Kontaktfläche (66) bildet, und
dass der Vorsprung (69) den elektrischen Kontakt zwischen Läufer (120) und Gehäuse (138)
herstellt.
10. Turbine nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Vorsprung (69) zumindest teilweise dreiecksförmig oder konisch ausgebildet ist.
11. Turbine nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Vorsprung (69) und/oder der Läufer (120) verschleißbar ist.
12. Verfahren zur Bestimmung des Verschleißverhaltens eines Läufers (120) eines Rotors
(103),
der sich in einer Axialrichtung (102) erstreckt,
bei dem eine Messkurve (84) des elektrischen Widerstands gegenüber einer Axialverschiebung
gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 bestimmt wird, und
eine gesamte Strecke der Axialverschiebung über die Zeit ermittelt wird,
wobei eine bestimmte Axialverschiebung einem bestimmten Verschleiß des Läufers (120)
entspricht.