CZ20022054A3

CZ20022054A3 - Parní turbína a způsob měření kmitání oběľné lopatky

Info

Publication number: CZ20022054A3
Application number: CZ20022054A
Authority: CZ
Inventors: Frank Woditschka
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2000-09-14
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2002-11-13
Also published as: EP1189044B1; US6761528B2; EP1189044A1; US20030118442A1; WO2002023141A1; DE50014498D1

Description

Vynález se týká parní turbíny s průtokovým kanálem, v němž je uspořádána oběžná lopatka, a s měřicím systémem pro měření kmitání této oběžné lopatky. Vynález se dále týká způsobu měření kmitání oběžné lopatky v průtokovém kanálu parní turbíny.

Dosavadní stav techniky

Vynález náleží do technické oblasti týkající se měření kmitání lopatek v proudových strojích. Oběžné lopatky v proudových strojích jsou velmi zatíženy. Oběžné lopatky mohou v důsledku měnícího se zatížení začít kmitat, přičemž, jestliže se toto kmitání blíží vlastnímu kmitání příslušné lopatky, může způsobit zvlášť vysoké mechanické namáhání této lopatky. Aby vznik těchto zvlášť vysokých zatížení mohl být včas rozpoznán, měří se stavy kmitání lopatek různými způsoby.

Ve spise US 4,996,880 je uvedena parní turbína a způsob měření kmitání oběžné lopatky v průtokovém kanálu této parní turbíny. Měření kmitání oběžné lopatky se zde provádí pomocí akustického signálu. Akustickým čidlem se měří změna kmitočtu vlivem Dopplerova jevu, který je vyvolán pohybem oběžné lopatky. V závislosti na stavu kmitání oběžné lopatky vzniká charakteristický Dopplerův signál, takže obráceně je možno z Dopplerova signálu usoudit na stav kmitání oběžné lopatky.

• ·· · · · · · · • · · · ·· ····

Ve spise US 4,518,917 je uveden způsob měření stavu kmitání oběžných lopatek, při němž se měří odstup lopatek od skříně, která je obklopuje. Přitom se využívá závislosti impedance čidel uspořádaných v této skříni. Podle vzdálenosti oběžné lopatky od čidla nastane změna impedance.

Další způsob měření kmitání oběžné lopatky je uveden ve spise US 4,934,192. U tohoto způsobu se měří axiální výchylka způsobená axiálním kmitáním oběžné lopatky, a to tak, že dvě čidla jsou v klidovém stavu oběžné lopatky uspořádána symetricky nad vyvýšením na špičce oběžné lopatky. Čidla jsou vždy provedena jako elektrické vinutí, v němž se podle vzdálenosti vyvýšení na špičce oběžné lopatky indukuje napětí. Při nesymetrickém uspořádání čidel vůči špičce oběžné lopatky, které nastane v důsledku axiálního kmitání oběžné lopatky, vznikne rozdílový signál, který charakterizuje kmitání oběžné lopatky.

V článku „A Review Techniques for Blade Tip Timing Measurements“, S. Heath, M. Imregum, publikace ASME 97/GT/218, představenému na kongresu a výstavě International Gas Turbině and Aeroengine Congress and Exhibition, Orlando, Fl., USA, 02.-05. 1997, je uveden způsob měření kmitání lopatky pomocí laseru. Tento způsob se však výlučně týká plynových turbín.

Uvedené způsoby bezdotykového měření kmitání oběžné lopatky jsou buď poměrně nepřesné nebo vyžadují vytvoření oběžné lopatky z materiálu, který může být zmagnetizován, nebo vyžadují náročné a nespolehlivé umístění magnetického označení na oběžné lopatce.

Úkolem vynálezu proto je vytvořit parní turbínu, u níž bude možné provádět měření kmitání oběžné lopatky bezdotykově spolehlivým způsobem prakticky nezávislým na vlastnostech oběžné • * · · • · lopatky. Dalším úkolem vynálezu je vytvořit odpovídající způsob měření kmitání oběžné lopatky.

Podstata vynálezu

Uvedený úkol splňuje parní turbína s průtokovým kanálem, v němž je uspořádána oběžná lopatka, a s měřicím systémem pro měření kmitání této oběžné lopatky, podle vynálezu, jehož podstatou je, že měřicí systém obsahuje vysílač pro vysílání světelného paprsku na oběžnou lopatku a přijímač pro příjem světelného paprsku odraženého od oběžné lopatky, přičemž vysílač je od přijímače oddělen, a přičemž vysílač a přijímač jsou uspořádány v alespoň jedné části skříně parní turbíny.

Doposud nikdy nepřicházelo v úvahu použít optický měřicí systém pro měření stavu kmitání oběžné lopatky v průtokovém kanálu parní turbíny. Důvod spočívá v tom, že pára proudící v průtokovém kanálu znemožňuje, podle všeobecně panujícího mínění, optické sledování oběžné lopatky v důsledku vysokého rozptylu v páře. Přitom se ovšem doposud vždy vycházelo z měřicích systémů, u nichž jsou vysílač a přijímač sdruženy v jedné jednotce, takže v zásadě se měří zpětný rozptyl. Takové systémy se používají například pro měření kmitání lopatek plynových turbín. Tyto systémy mají tu výhodu, že pro zabudování vysílače a přijímače je zapotřebí jen jediného zásahu do části skříně ohraničující průtokový kanál. Podle poznatků vynálezu je nyní možno takový optický měřicí systém použít i v parní turbíně pro měření kmitání oběžné lopatky, když se provede odklon od zkostnatělé koncepce sdruženého vysílače a přijímače v jedné jednotce. Při vhodném uspořádání vysílače a přijímače je totiž nyní možno podíl rozptýleného záření, vyvolaného párou, udržovat na tak nízké hodnotě, že je umožněno spolehlivé měření kmitání lopatky.

• ·

Vysílač a přijímač nemusí být vytvořeny jako jednotka zcela vytvářející světlo, popřípadě přeměňující světlo, nýbrž mohou být vytvořeny například i jako kabely ze skleněných vláken a mohou vést světelný paprsek ze zdroje světla do transformační jednotky, jakou je například fotobuňka.

S výhodou je vysílač proveden tak, aby mohl vysílat laserový paprsek. V důsledku své monochromatičnosti a nízké rozbíhavosti je pro měření laserový paprsek zvlášť vhodný.

S výhodou jsou vysílač a přijímač uspořádány tak, že vyslaný světelný paprsek a odražený světelný paprsek navzájem svírají úhel odrazu o velikosti alespoň 45°. Úhel odrazu je dále s výhodou větší než 90°. U takového uspořádání s takto velkým úhlem odrazu vznikne dobrý poměr světelného paprsku odraženého do přijímače vůči rozptýlenému záření vzniklému v páře, protože podíl rozptýleného záření s větším úhlem odrazu klesá.

S výhodou je vysílač nastaven tak, aby vyslaný světelný paprsek osvětloval na oběžné lopatce plochu o velikosti menší než 1 mm². Větší zaostření, respektive nižší rozbíhavost, světelného paprsku rovněž způsobuje nižší podíl rozptýleného záření.

Podle dalšího výhodného provedení je přijímač uspořádán ve skříni ohraničující průtokový kanál vůči průtokovému kanálu přesazené zpět tak, že kromě přímo odraženého světelného paprsku nanejvýš dopadne na přijímač malý podíl rozptýleného záření. Tímto zpětným přesazením přijímače ve skříni se do určité míry vytvoří clona, která propustí k přijímači v podstatě jen takové světlo, které se k přijímači šíří v téměř přímém směru od osvětlené plochy na oběžné lopatce. Rozptýlené záření šířící se pod jinými úhly se tím z velké části před vstupem do přijímače odstíní.

Oběžná lopatka je s výhodou provedena z nemagnetického materiálu. Oběžná lopatka s výhodou sestává ze slitiny na bázi titanu. Pod pojmem nemagnetický je zde míněno to, že materiál oběžné lopatky nemá feromagnetické vlastnosti stojící za zmínku. Právě u takového materiálu je vyloučeno jednoduché bezdotykové měření pomocí magnetické indukce. Takovým materiálem je například slitina na bázi titanu, která se používá v nových generacích parních turbín, zejména u velmi velkých oběžných lopatek posledních stupňů nízkotlakých částí. Právě takové velké lopatky jsou však náchylné na vznik kmitání a jsou kmitáním velmi zatíženy. Právě tady tedy musí být použit spolehlivý monitorovací systém k měření stavů kmitání lopatky. Pomocí optického monitorování kmitání lopatky je umožněno měření takových lopatek jednodušším a spolehlivým způsobem.

Uvedený úkol dále splňuje způsob měření kmitání oběžné lopatky v průtokovém kanálu parní turbíny, podle vynálezu, jehož podstatou je, že světelný paprsek se usměrňuje na oběžnou lopatku a od ní se odráží pod úhlem odrazu větším než 45° a vede do přijímače, přičemž z takto přijmutého signálu se vypočítá kmitání lopatky.

Výhody způsobu podle vynálezu vyplývají z výše uvedených skutečností týkajících se výhod parní turbíny.

Uhel odrazu je s výhodou větší než 90°.

Jako světelný paprsek se s výhodou použije laserový paprsek.

Světelný paprsek se s výhodou vede na odraznou plochu na oběžné lopatce tak, aby osvětlená část odrazné plochy byla menší než 50 mm².

Oběžná lopatka je s výhodou provedena z nemagnetického materiálu, zejména ze slitiny na bázi titanu.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladném provedení podle přiložených výkresů, přičemž vyobrazení je pouze schematické a není v měřítku, na nichž obr. 1 znázorňuje parní turbínu a obr. 2 měřicí systém pro měření kmitání oběžné lopatky parní turbíny.

Příklady provedení vynálezu

Stejné vztahové značky mají na různých obrázcích stejný význam.

Na obr. 1 je znázorněna parní turbína 3_. Na společném hřídeli 5_ jsou mezi ložisky 7. za sebou uspořádány vysokotlaká část 9, středotlaká část 11 a dvouproudová nízkotlaká část 13. Dvouproudová nízkotlaká část 13 sestává z první nízkotlaké poloviny 15 a z druhé nízkotlaké poloviny 17. Nízkotlaká část 13 má nízkotlakovou skříň

14. Středotlaká část 11 má středotlakou skříň 12. Vysokotlaká část 9 má vysokotlakou skříň 10. Vysokotlaká část 9. má vysokotlaký průtokový kanál 19. Středotlaká část 11 má středotlakový průtokový kanál 21. Nízkotlaká část 13 má v první nízkotlaké polovině 1 5 první nízkotlaký průtokový kanál 23 a v druhé nízkotlaké polovině 17 druhý nízkotlaký průtokový kanál 25. Ve vysokotlakém průtokovém • · kanálu 1 9 jsou uspořádány vysokotlaké oběžné lopatky 27 v za sebou následujících věncích. Ve středotlakém průtokovém kanálu 21 jsou uspořádány středotlaké oběžné lopatky 29 v za sebou následujících věncích. V nízkotlakém průtokovém kanálu 23 první nízkotlaké poloviny 1 5 jsou uspořádány první nízkotlaké oběžné lopatky 3 1 v za sebou následujících věncích. V nízkotlakém průtokovém kanálu 25. druhé nízkotlaké poloviny 17 jsou uspořádány druhé nízkotlaké oběžné lopatky 33 v za sebou následujících věncích.

Při provozu parní turbíny 3_ se do vysokotlaké části 9. přivádí vysokotlakým přívodním potrubím 41 páry čerstvá pára, která ve vysokotlaké části 9 zčásti expanduje a přitom mění energii na energii v .

otáčení hřídele 5.. Částečně expandovaná pára je potom vedena středotlakým přívodním potrubím 43 páry do středotlaké části 11, kde dále expanduje a přeměňuje další energii na otáčení hřídele 5_. Potom se pára vede nízkotlakým přívodním potrubím 45 páry ve dvou proudech do nízkotlaké části 13 tak, že paralelně proudí jednak první nízkotlakou polovinou 15 a jednak druhou nízkotlakou polovinou 17. Přitom pára dále expanduje a přeměňuje další energii na otáčení hřídele 5_. Již prakticky expandovaná pára je potom odváděcími potrubími 47 vedena do neznázorněného kondenzátoru. Pro lepší přehlednost nejsou znázorněny vodicí lopatky, které jsou, na rozdíl od oběžných lopatek 27, 29, 31, 33, uspořádány v průtokových kanálech v axiálním směru.

Pára proudící kolem oběžných lopatek 27, 29, 31. 33 může způsobit to, že oběžné lopatky 27, 29, 31, 33 se rozkmitají. To platí zejména pro velmi velké oběžné lopatky 3 1, 33 nízkotlaké části 13, a sice zejména pro poslední stupně nízkotlaké části 1 3. Taková kmitání mohou způsobit zatížení oběžných lopatek 31, 33 způsobujících zkrácení jejich životnosti. Aby byla tato skutečnost včas rozpoznána, provádí se monitorování stavu kmitání každé oběžné lopatky 31. 33.

• · · · « *

Pomocí dosavadní techniky měření to bylo možné jen s vynaložením velkého úsilí nebo u nemagnetických oběžných lopatek 31, 33 prakticky vůbec nemožné. Optický měřicí systém podle vynálezu bude nyní blíže objasněn podle obr. 2.

Na obr. 2 je v řezu znázorněna část druhé nízkotlaké poloviny 17 z obr. 1. V nízkotlaké skříni 14 je uspořádán měřicí systém 60. Tento měřicí systém 60 obsahuje vysílač 55 a přijímač 57. Vysílačem 55 se vyšle světelný paprsek 61, vytvořený jako laserový paprsek, do průtokového kanálu 25 a vede na oběžnou lopatku 33. Oběžná lopatka 33 je opatřena bandáží 51, která má odraznou plochu 53 skloněnou šikmo směrem k vysílači 55. Od této odrazné plochy 53 je světelný paprsek 61 jako odražený světelný paprsek 63 veden k přijímači 57. Vysílač 55 a přijímač 57 jsou od sebe odděleny tak, že mezi dopadajícím světelným paprskem 61 a odraženým světelným paprskem 63 vznikne úhel a odrazu větší než 90°. Světelný paprsek 61 osvětlí na odrazné ploše 53 plošnou část 65, která je menší než 1 mm .

Odděleným uspořádáním vysílače 5 5 a přijímače 57 je umožněno provádění měření odrazu i v průtokovém kanálu 25 parní turbíny 3. protékaném párou. Zatímco doposud by, podle všeobecně panujícího mínění, pára způsobila příliš velký rozptyl světla, čímž by optické měření nemohlo být uskutečněno, poskytuje znázorněné uspořádání podle vynálezu v důsledku poměrně velkého úhlu a odrazu možnost spolehlivého optického měření bez negativního ovlivňování rozptýleným světlem. Toto optické měření je dále vylepšeno nízkou rozbíhavostí světelného paprsku 61 a zpětným přesazením přijímače 57 v nízkotlaké skříni 14, čímž se vytvoří clona na způsob kanálu, která rozptýlené světlo prakticky odstíní.

Claims

1. Parní turbína (3) s průtokovým kanálem (25), v němž je uspořádána oběžná lopatka (33), a s měřicím systémem (66) pro měření kmitání této oběžné lopatky (33), vyznačující se tím, že měřicí systém (60) obsahuje vysílač (55) pro vysílání světelného paprsku (61) na oběžnou lopatku (33) a přijímač (57) pro příjem světelného paprsku (63) odraženého od oběžné lopatky (33), přičemž vysílač (55) je od přijímače (57) oddělen, a přičemž vysílač (55) a přijímač (57) jsou uspořádány v alespoň jedné části skříně (10, 12, 14, 15, 17) parní turbíny (3).

2. Parní turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že vysílač (55) je dimenzován pro vysílání laserového paprsku (61).

3. Parní turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že vysílač (55) a přijímač (57) jsou uspořádány tak, že vyslaný světelný paprsek (61) a odražený světelný paprsek (63) navzájem svírají úhel (a) odrazu o velikosti alespoň 45°.

4. Parní turbína podle nároku 3, vyznačující se tím, že úhel (a) odrazu má velikost alespoň 90°.

5. Parní turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že vysílač (55) je nastaven tak, že vyslaný světelný paprsek (61) osvětlí na lopatce (33) plošnou část (65) menší než 1 mm².

6. Parní turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že přijímač (57) je uspořádán ve skříni (14) ohraničující průtokový kanál (25) přesazené vůči tomuto průtokovému kanálu (25) zpět tak, že kromě • · · « « · přímo odraženého světelného paprsku (63) dopadne na přijímač (57) nanejvýš malý podíl rozptýleného záření.

7. Parní turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že oběžná lopatka (33) je provedena z nemagnetického materiálu.

8. Parní turbína podle nároku 7, vyznačující se tím, že oběžná lopatka (33) je provedena ze slitiny na bázi titanu.

9. Způsob měření kmitání oběžné lopatky (33) v průtokovém kanálu (25) parní turbíny (3), vyznačující se tím, že světelný paprsek (61) se usměrňuje na oběžnou lopatku (33) a od ní se odráží pod úhlem (a) odrazu větším než 45° a vede do přijímače (57), přičemž z takto přijmutého signálu se vypočítá kmitání lopatky.

10. Způsob podle nároku 9, vyznačující se tím, že úhel (a) odrazu je větší než 90°.

11. Způsob podle nároku 9, vyznačující se tím, že jako světelný paprsek (61) se použije laserový paprsek.

12. Způsob podle nároku 9, vyznačující se tím, že světelný paprsek (61) se vede na odraznou plochu (53) na oběžné lopatce (33) tak, že osvětlená plošná část (65) odrazné plochy (53) je menší než 50 mm².

13. Způsob podle nároku 9, vyznačující se tím, že oběžná lopatka (33) je provedena z nemagnetického materiálu.

14. Způsob podle nároku 13, vyznačující se tím, že oběžná lopatka (33) je provedena ze slitiny na bázi titanu.

200017851