Vorrichtung zur Messung von Zustandsgrössen eines in einer Gasturbine strömbaren Heissgases

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (21) zur Messung von Zustandsgrößen eines in einer Gasturbine (1) strömbaren Heißgases (11), mit einem Heißgaskanal (18) zum Führen des Heißgases (11), in dem zumindest eine teilweise vom Heißgas (11) umströmte Bauteilwand (36) vorgesehen ist sowie mit einem in der Bauteilwand (36) vorgesehenen und in den Heißgaskanal (18) mündenden Durchführungskanal (37), in den eine erste Messeinrichtung (41) durch ein der Mündung gegenüberliegende Einführung (39) des Durchführkanals (37) einschiebbar ist. Um die Erfassung von Zustandsgrößen eines in einer Gasturbine strömbaren Heißgases zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass ein Kommunikationskanal (43) in den Durchgangskanal (37) mündet, an dessen zweitem, seiner Mündung (51) gegenüberliegenden Ende (49) eine zweite Messeinrichtung (45) vorgesehen ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Zustandsgrößen eines in einer Gasturbine strömbaren Heißgases, mit einem Heißgaskanal zum Führen des Heißgases, in dem zumindest eine teilweise vom Heißgas umströmte Bauteilwand vorgesehen ist sowie mit einem in der Bauteilwand vorgesehenen und in den Heißgaskanal mündenden Durchführungskanal zum Einführen einer Messvorrichtung.

[0002] Aus der KR 2004065502 eine Temperaturmesseinrichtung für eine Gasturbine bekannt. Ein Temperatursensor ist an der Spitze der lanzenartigen Temperaturmesseinrichtung vorgesehen und von einem den Sensor schützenden Gehäuserohr umgeben. Das Gehäuserohr hat an seinem zweiten, der Spitze gegenüberliegendem Ende einen Verschraubungsabschnitt zum Befestigen der Temperaturmesseinrichtung an einer Turbine. Um die Temperatur des in der Turbine strömenden Heißgases zu messen, wird die Spitze der Temperaturmesseinrichtung durch einen dazu korrespondierenden Kanal eingeschoben und mit der Halterung verschraubt. Anschließend wird die austauschbare Temperaturmesseinrichtung mit einer Reglereinheit verbunden.

[0003] Zudem ist aus der EP 1 288 642 A2 eine Messeinrichtung mit einem Messsensor zur Messung des Druckes eines in einer Brennkammer einer Gasturbine strömenden Verbrennungsgases bekannt. Die Messeinrichtung weist ferner eine Druckleitung auf, die die Brennkammer mit dem Drucksensor strömungstechnisch verbindet. Der in der Brennkammer auftretende Druck des Verbrennungsgases wird über die Druckleitung zu dem beabstandeten Drucksensor weitergeleitet und kann von diesem in einem kühleren Bereich einfach und zuverlässig erfasst werden. Aufgrund der Druckleitung können in dieser beim Betrieb Resonanzschwingungen auftreten, welche durch ein Dämpfungsrohr kompensiert werden. Das Dämpfungsrohr mündet in die Druckleitung und ist schraubenförmig um die Druckleitung gewunden.

[0004] Nachteilig ist, dass zur Messung jeder Zustandsgröße jeweils eine separate Vorrichtung und Halterung für die Messeinrichtungen notwendig ist. Außerdem kann zur weiteren Verarbeitung der erfassten Messgrößen, beispielsweise in einer Regelung oder Überwachung, eine Korrekturrechnung für die jeweilige Größe in Abhängigkeit des Messortes erforderlich sein.

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Erfassung von Zustandsgrößen eines in einer Gasturbine strömbaren Heißgases.

[0006] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Erfindung schlägt vor, dass die gattungsgemäße Vorrichtung einen in der Bauteilwand verlaufenden und in den Durchgangskanal mündenden Kommunikationskanal aufweist, an dessen zweitem seiner Mündung gegenüberliegendem Ende eine zweite Messeinrichtung vorgesehen ist. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass mindestens eine zu erfassende Große, beispielsweise der Druck des Heißgases, sich annähernd verlustfrei aus der Brennkammer über den Durchführungskanal bis in den Kommunikationskanal fortpflanzt, so dass außerdem im Durchführungskanal eine zweite Zustandsgröße des Heißgases ortsgebunden erfassbar ist. Somit ist durch die Erfindung neben einer kombinierten Erfassung mehrerer Zustandsgrößen in einem Messort - bezogen auf den Heißgaskanal - auch eine besonders einfache weitere Verarbeitung der erfassten Werte in einer Regelung oder Überwachung möglich, da die erfassten Werte aufgrund der sowohl zeitlich als auch örtlich übereinstimmenden Erfassung besonders exakte Zustandgrößen des Heißgases liefern.

[0007] Insbesondere, wenn der Messfühler bzw. der Messsensor der in den Durchführungskanal eingeschobenen ersten Messeinrichtung in der Betriebslage im Mündungsbereich oder geringfügig außerhalb des Durchführungskanals im Heißgaskanal angeordnet ist, kann eine besonders effiziente Erfassung der Zustandsgrößen erfolgen. Eine verbessere Verwertbarkeit der dadurch ermittelten Zustandsgrößen wird somit auch erreicht. Dementsprechend kann der Betrieb einer damit ausgerüsteten Gasturbine optimiert werden.

[0008] Außerdem sind die Kosten für die Herstellung der Kanäle und die Anbringung der Messeinrichtungen aufgrund einer reduzierten Anzahl an strukturellen Bauelementen geringer.

[0009] Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen angegeben.

[0010] Besonders vorteilhaft ist die erste Messeinrichtung zur Messung der Temperatur des Heißgases und die zweite Messeinrichtung zur Messung des Druckes des Heißgases vorgesehen. Hierdurch kann eine kombinierte Druck- und Temperaturmessung des beispielsweise eine Turbinenschaufel umströmenden Heißgases unter Betriebsbedingungen erfolgen, ohne dass eine Korrekturrechung für eine der beiden Zustandsgrößen zum Anpassen der bisher an unterschiedlichen Orten gemessenen Zustandsgrößen von der Reglereinheit der Gasturbine durchgeführt werden muss.

[0011] In einer vorteilhaften Weiterbildung werden der Kommunikationskanal und/oder der Durchführungskanal von einem sich durch das Bauteil erstreckenden Rohr gebildet, welches in der Bauteilwand stoffschlüssig, vorzugsweise durch eine Lötverbindung, befestigt ist. Das bisher auch übliche Erodieren und Einlöten der Temperaturmesseinrichtung, beispielsweise eines Thermoelementes ist nicht mehr nötig.

[0012] Zweckmäßigerweise ist die erste Messeinrichtung dem Durchführungskanal in Richtung der dem Heißgas abgewandten Seite der Bauteilwand entnehmbar. Dies ermöglicht das Austauschen einer defekten ersten Messeinrichtung, ohne dass ein Zugang zu dem Heißgaskanal der Gasturbine erforderlich ist. Dies reduziert im Wartungsfall die Bearbeitungsdauer und erhöht somit die Verfügbarkeit der damit ausgerüsteten Gasturbine.

[0013] Vorzugsweise ist der Heißgaskanal Teil einer Brennkammer der Gasturbine oder Teil einer Turbineneinheit der Gasturbine. Insbesondere, wenn die Messungen im Bereich von Turbinenschaufeln durchgeführt werden sollen, kann mit der vorgeschlagenen Erfindung eine besonders einfache Vorrichtung zur Messung des Druckes und der Temperatur eines die Gasturbine durchströmenden Heißgases angegeben werden.

[0014] Eine beispielhafte Ausführungsvariante der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

FIG 1

einen Längsteilschnitt durch eine Gasturbine und

FIG 2

die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen von Zustandsgrößen eines in einer Gasturbine strömbaren Heißgases in einer Schnittdarstellung.

[0015] FIG 1 zeigt eine Gasturbine 1 in einem Längsteilschnitt. Sie weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 4, ein Verdichter 5, eine torusartige Ringbrennkammer 6 mit mehreren rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Brennern 7, eine Turbineneinheit 8 und ein Abgasgehäuse 9. Die Ringbrennkammer 6 bildet einen Verbrennungsraum 17, der mit einem ringförmigen Heißgaskanal 18 kommuniziert. Dort bilden vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 10 die Turbineneinheit 8. Jede Turbinenstufe 10 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines in der Ringbrennkammer 6 erzeugten Heißgases 11 gesehen, folgt im Heißgaskanal 18 jeweils einer Leitschaufelreihe 13 eine aus Laufschaufeln 15 gebildete Reihe 14. Die Leitschaufeln 12 sind am Stator befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 15 einer Reihe 14 mittels einer Turbinenscheibe am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) angekoppelt.

[0016] FIG 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 21 zum Erfassen von Zustandsgrößen des in der Gasturbine 1 strömbaren Heißgases 11 in einer Schnittdarstellung. Die Schnittdarstellung zeigt eine hohle, als Leitschaufel 12 ausgebildete Turbinenschaufel 23 der Gasturbine 1. Die Turbinenschaufel 23 weist einen an einen nicht dargestellten Leitschaufelträger festgelegten Schaufelfuß 25 und einen in einem den Rotor 3 unmittelbar umgreifenden Befestigungsring festlegbaren Leitschaufelkopf 27 auf. Sowohl kopfseitig als auch fußseitig umfasst die Turbinenschaufel 23 ferner jeweils eine Plattform 29, 31, die beide als Heißgaskanalbegrenzung dienen. Zwischen den Plattformen 29, 31 erstreckt sich ein in Strömungsrichtung des Heißgases 11 gesehen aerodynamisch optimiertes Tragflächenprofil 33.

[0017] Im Inneren der hohlen Turbinenschaufel 23 ist ein Rohrsystem eingebracht und befestigt, dessen erstes Ende 35 im gezeigten Ausführungsbeispiel in der Plattform 31 offen mündet und vorzugsweise eingelötet ist. Andere Befestigungsvarianten sind denkbar.

[0018] Das Rohrsystem umfasst einen Durchführungskanal 37, der fußseitig beginnend sich anschließend durch das Tragflächenprofil 33 der Turbinenschaufel 23 erstreckt und kopfseitig in einem Bogen 39 endet. Der Durchführungskanal 37 mündet offen in einer Bauteilwand 36, beispielsweise in der kopfseitigen Plattform 31, an der das Heißgas 11 entlang strömen kann. In den Durchführungskanal 37 ist am dem Heißgas 11 abgewandten Ende, also an der fußseitigen Einführung 39, eine erste lanzenartige Messeinrichtung 41, beispielsweise ein Temperatursensor einschiebbar. Dabei wird die Messeinrichtung 41 derart tief in den Durchführungskanal 37 eingeschoben, dass eine Messspitze 53 der Messeinrichtung 41 im Mündungsbereich 47 des Durchführungskanals 37 angeordnet ist oder geringfügig in den Heißgaskanal 18 hinein ragt. Anstelle der Temperatur könnte die Messeinrichtung 41 beispielsweise auch die chemische Zusammensetzung des Heißgases 11 oder die Emissionskonzentration mit geeigneten Sensoren erfassen.

[0019] Im fußseitigen Bereich der Turbinenschaufel 23 ist ein zweiter Kanal, der Kommunikationskanal 43, vorgesehen, der einerseits in den Durchführungskanal mündet und der andererseits eine zweite Messeinrichtung 45, insbesondere einen Messsensor zur Druckerfassung aufweist.

[0020] Beim Betrieb der Gasturbine 1 wird das Tragflächenprofil 33 der Turbinenschaufel 23 von dem in der Brennkammer 6 erzeugten Heißgas 11 umströmt. Das Heißgas 11 strömt in der Turbineneinheit 8 entlang der auch von Plattformen 29, 31 gebildeten Bauteilwand 36.

[0021] Der im Heißgaskanal 18 auftretende Druck des Heißgases 11 pflanzt sich über die Mündung 47 des Durchführungskanals 37 in diesem fort. Demnach herrscht sowohl im Durchführungskanal 37 als auch im damit strömungstechnisch verbundenen Kommunikationskanal 43 der identische Druck des Heißgases 11, da zwischen eingeschobener erster Messeinrichtung 41 und der Kanalwand des Durchführungskanals ein dafür genügend großer Abstand vorgesehen ist. Dadurch kann am Ende 49 des Kommunikationskanals 47, welches seiner Mündung 51 im Durchgangskanal 37 gegenüberliegt, in einem kühleren Bereich der Druck des Heißgases 11 von der zweiten Messeinrichtung 45 erfasst werden.

[0022] Zugleich ist es durch die eingeschobene erste Messeinrichtung 41 möglich, an dessen Messspitze 53 die Temperatur des Heißgases 11 zu erfassen. Da der Druck des Heißgases 11 von der Mündung 47 des Durchgangskanals 37 bis zum Ende 49 des Kommunikationskanals 43 unverändert auftritt, ist für beide erfassten Zustandsgrößen des Heißgases 11 ein identischer Messort gegeben, nämlich die Messspitze 53.

Ansprüche

1. Vorrichtung (21) zur Messung von Zustandsgrößen eines in einer Gasturbine (1) strömbaren Heißgases (11), mit einem Heißgaskanal (18) zum Führen des Heißgases (11), in dem zumindest eine teilweise vom Heißgas (11) umströmte Bauteilwand (36) vorgesehen ist sowie mit einem in der Bauteilwand (36) vorgesehenen und in den Heißgaskanal (18) mündenden Durchführungskanal (37), in den eine erste Messeinrichtung (41) durch eine der Mündung gegenüberliegende Einführung (39) des Durchführkanals (37) einschiebbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Kommunikationskanal (43) in den Durchgangskanal (37) mündet, an dessen zweitem seiner Mündung (51) gegenüberliegenden Ende (49) eine zweite Messeinrichtung (45) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung (21) nach Anspruch 1,
bei der die erste Messeinrichtung (41) zur Messung der Temperatur des Heißgases (11) und die zweite Messeinrichtung (45) zur Messung des Druckes des Heißgases (11) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung (21) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der der Kommunikationskanal (43) und/oder der Durchführungskanal (37) von einem Rohr gebildet werden, welches in der Bauteilwand (36) stoffschlüssig befestigt ist.

4. Vorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei der die erste Messeinrichtung (41) dem Durchführungskanal (37) in Richtung der dem Heißgas (11) abgewandten Seite der Bauteilwand (36) entnehmbar ist.

5. Vorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei der der Heißgaskanal (18) Teil einer Brennkammer (6) der Gasturbine (1) oder Teil einer Turbineneinheit (8) der Gasturbine (1) ist.

Zeichnung