DE69924959T2

DE69924959T2 - Methode und Vorrichtung für die Steuerung und die Regelung von Spalten in Gasturbinen

Info

Publication number: DE69924959T2
Application number: DE69924959T
Authority: DE
Inventors: Craig W. Irwin; Syed J. Khalid
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2019-12-17
Also published as: DE69924959D1; EP1013891A1; JP2000186508A; US6155038A; KR100650095B1; KR20000048311A; EP1013891B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Kontrolle und die Kompensation von Spielen zwischen Rotoranordnungen und Gehäusen in einer Gasturbinenmaschine und insbesondere die Kontrolle und die Kompensation von Spielen während thermischer Ungleichgewichtszustände.
Eine Gasturbinenmaschine hat eine Anzahl von Rotoranordnungen. Jede Rotoranordnung hat eine Mehrzahl von Rotorstufen mit einer Mehrzahl von rotierenden Laufschaufeln. Die Laufschaufeln sind von einem Gehäuse umgeben. Die Laufschaufeln und das Gehäuse sind durch ein Spiel getrennt. Das Spiel zwischen den Laufschaufeln und dem Gehäuse ist ein kritischer Faktor bei der Leistung der Maschine. Ein zu kleines Spiel führt zu einem Reiben zwischen den Laufschaufeln und dem Gehäuse und verringert so die Maschineneffizienz und die Maschinenlebensdauer. Ein zu großes Spiel verringert die Maschinenleistung und kann in einem Verdichter zu einem Verdichter-Stall-Zustand führen.
Es ist wünschenswert, in der Lage zu sein, die Größe des Spiels zu bestimmen, um das Spiel zu kontrollieren oder Spiele zu kompensieren, die zu groß oder zu klein sind. Es gibt momentan Verfahren zum adäquaten Bestimmen eines Dauerzustandsspiels für einen Maschinenbetriebszustand, d.h. das Spiel, das vorliegt, wenn der Rotor, die Laufschaufeln und das Gehäuse bei einem thermischen Dauerzustand sind. Der Übergang von einem Betriebszustand zu einem anderen Betriebszustand bringt einen thermischen Ungleichgewichtszustand in den Rotor, die Laufschaufeln und das Gehäuse ein. Das Spiel während des thermischen Ungleichgewichtszustands kann deutlich größer oder deutlich kleiner sein als das Dauerzustandsspiel für den Maschinenbetriebszustand. Dieser Unterschied kann andauern, bis der Rotor, die Laufschaufeln und das Gehäuse jeweils den thermischen Dauerzustand für den Maschinenbetriebszu stand erreichen. Entsprechend sind Verfahren erforderlich, um adäquat das Spiel auch während thermischer Ungleichgewichtszustände zu bestimmen.
US-Patent Nr. 5 012 420 beschreibt ein System zum Berechnen des Momentanspiels zwischen einem Turbinengehäuse und einem Turbinenrotor basierend auf der Temperatur. Dauerzustandstemperaturen für das Gehäuse und den Rotor werden basierend auf momentan vorliegenden Maschinenbetriebszuständen, beispielsweise ausgewählte Temperaturen, Drücke und Drehzahlen, berechnet. Momentantemperaturen werden basierend auf Änderungen der Dauerzustandstemperaturen berechnet. Das System berechnet das Momentanspiel während Dauerzustands- und Ungleichgewichtszustands-Bedingungen. Die Notwendigkeit zur Berechnung der Dauerzustandstemperaturen und der Ungleichgewichtszustandstemperaturen des Gehäuses und des Rotors macht dieses System jedoch komplex und deshalb schwierig für eine spezielle Gasturbinenmaschine.
Das US-Patent Nr. 5 165 845 beschreibt ein System zum Kontrollieren des Stall-Grenzbereichs durch Synthetisieren der thermischen Ausdehnung kritischer Verdichterstufen zum Synthetisieren der temporären Zunahme des Laufschaufel-Gehäuse-Spiels während Beschleunigung. Dieses System bedarf nicht der Berechnung der Dauerzustandstemperaturen oder der Momentantemperaturen des Rotors, der Laufschaufeln und des Gehäuses. Jedoch schließt die Synthese der temporären Zunahme des Laufschaufel-Gehäuse-Spiels keine Effekte ein, die in Relation zu einem temporären Unterschied sind, der sich aus einem Unterschied zwischen dem Dauerzustandsspiel vor der Beschleunigung und dem Dauerzustandsspiel nach der Beschleunigung ergeben. Folglich kann es schwierig sein, dieses System von einem Typ von Gasturbinenmaschine für einen anderen Typ von Gasturbinenmaschine anzupassen. Außerdem hat dieses System eine eingeschränkte Flexibilität hinsichtlich der Darstellung von thermischen Ausdehnungseigenschaften des Rotors, der Laufschaufeln und des Gehäuses.
US-Patent Nr. 4,849,895 beschreibt ein System zum Anpassen des radialen Spiels zwischen Rotor- und Statorelementen, aufweisend eine erste Verarbei tungseinrichtung zum Erzeugen mindestens eines Signals, welches für mindestens einen thermischen Zustand der Rotoranordnung repräsentativ ist, und eine zweite Verarbeitungseinrichtung ansprechend auf das Signal, welches den Maschinenbetriebszustand anzeigt.
Ein Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche den Unterschied zwischen dem Momentanspiel und dem Dauerzustandsspiel für einen Maschinenbetriebszustand bestimmen, einschließlich der Effekte, die mit dem temporären Unterschied, der sich aus dem Unterschied zwischen dem Dauerzustandsspiel für den Maschinenbetriebszustand und einem Dauerzustandsspiel für einen vorhergehenden Maschinenbetriebszustand ergibt, ohne das Erfordernis, die Momentantemperaturen oder die erwarteten Dauerzustandstemperaturen der Rotoranordnung und des Gehäuses zu berechnen.
Die vorliegende Erfindung basiert zum Teil auf der Erkenntnis, dass der Unterschied zwischen dem Momentanspiel und dem Dauerzustandsspiel für einen Maschinenbetriebszustand basierend auf einer Angabe des Maschinenbetriebszustands und der daraus bestimmten thermischen Zustände bestimmt werden kann, um so Effekte einzuschließen, die mit dem momentanen Unterschied, der sich aus einem Unterschied zwischen Dauerzustandsspiel für den Maschinenbetriebszustand und einem Dauerzustandsspiel für einen vorhergehenden Maschinenbetriebszustand ergeben, in Beziehung stehen, ohne das Erfordernis, die Momentantemperaturen oder die erwarteten Dauerzustandstemperaturen der Rotoranordnung und des Gehäuses zu berechnen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Gasturbinenmaschine gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 6 bereitgestellt.
Die Erfindung bestimmt den Unterschied zwischen dem Momentanspiel und dem Dauerzustandsspiel auf der Basis eines Signals, welches den Maschinenbetriebszustand anzeigt. Die Bestimmung schließt Effekte ein, die mit dem temporären Unterschied in Beziehung stehen, der sich aus einem Unterschied zwischen dem Dauerzustandsspiel für den Maschinenbetriebszustand und ei nem Dauerzustandsspiel für einen vorhergehenden Maschinenbetriebszustand ergibt. Jedoch fordert die Erfindung nicht die Berechnung der tatsächlichen Temperaturen oder der Dauerzustandstemperaturen der Rotoranordnung und des Gehäuses. Folglich ist die Erfindung mit ausreichender Genauigkeit an verschiedene Typen von Gasturbinenmaschinen anpassbar. In einer detaillierten Ausführungsform liefert die Erfindung die Fähigkeit zum Repräsentieren der thermischen Ausdehnung des Rotors, der Laufschaufeln und des Gehäuses, einschließlich deren Charakteristika, die mit den Strukturen und/oder den Materialien des Rotors, der Laufschaufeln und des Gehäuses in Beziehung stehen. In einer derartigen detaillierten Ausführungsform hat die Erfindung die Flexibilität, präzise an die Maschine angepasst zu werden, basierend auf Messungen des Momentanspiels während des Testens der Maschine. Das den Maschinenbetriebszustand anzeigende Signal kann eine Arbeitsmediumgastemperatur anzeigen. Die Erfindung kann zum Kontrollieren des Spiels und/oder zum Kompensieren übermäßig großer oder übermäßig kleiner Spiele verwendet werden.
Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 ist eine schematische Darstellung einer Gasturbinenmaschine in Kombination mit einer Blockdiagrammdarstellung einer Maschinensteuerung zum Kontrollieren der Gasturbinenmaschine;
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht in Richtung 2-2 von 1 eines Teils eines Verdichterabschnitts der Gasturbinenmaschine von 1;
3 ist ein Auftrag, der die Größen der verschiedenen Maschinenparameter vor, während und nach einem schnellen Übergang von einem Maschinenleerlauf-Betriebszustand zu einem Maschinenteilleistungs-Betriebszustand darstellt;
4 ist ein funktionales Blockdiagramm, welches einen Teil der Maschinensteuerung von 1 darstellt, der verwendet wird, um ein Transientenspiel-Überschießssignal zu synthetisieren;
5 ist ein Auftrag, der Größen von Signalen darstellt, die von dem Maschinensteuerungsteil von 4 vor, während und nach dem schnellen Übergang von 3 erzeugt werden;
6 ist ein Flussablaufplan von Schritten in einem Teil eines Programms in der Maschinensteuerung von 1, die verwendet werden, um das Transientenspiel-Überschießssignal von 4 zu erzeugen;
7 ist ein Auftrag, der die Größe des Transientenspiel-Überschießsignals von 4 und die Größe des von einer Gruppe von Lasertestsonden vor, während und nach dem schnellen Übergang von 3 gemessenen Spiels darstellt; und
8 ist ein Funktionsblockdiagramm, welches eine alternative Ausführungsform des Wärmeausdehnungsmoduls des Maschinenkontrollteils von 4 zeigt.
Die vorliegende Erfindung wird hinsichtlich einer Ausführungsform zur Verwendung mit einer Gasturbinenmaschine des in 1 gezeigten Typs beschrieben. Es wird nun auf die 1 Bezug genommen. Eine Gasturbinenmaschine 20 weist einen Bläserabschnitt 22, einen Verdichterabschnitt 24, einen Brennkammerabschnitt 26 und einen Turbinenabschnitt 28 auf, die entlang einer Längsachse 30 angeordnet sind und in einem äußeren Maschinengehäuse 32 eingeschlossen sind. Die Gasturbinenmaschine 20 hat einen Strömungsweg 34 für Arbeitsmediumgase. Der Strömungsweg 34 verläuft durch die Abschnitte der Maschine 20.
Der Verdichterabschnitt 24 weist eine Rotoranordnung 40 und eine Statoranordnung 42 eingeschlossen in einem Gehäuse 44 auf. Es wird nun auf die 2 Bezug genommen. In einer Schnittansicht eines Teils des Verdichterab schnitts 24 weist die Rotoranordnung 40 eine Mehrzahl von Rotorstufen, die durch eine Rotorstufe 46 und eine Rotorstufe 48 repräsentiert sind, auf. Die Statoranordnung 42 hat eine Mehrzahl von Leitschaufelstufen, die durch eine Leitschaufelstufe 50 repräsentiert sind, die alternierend zwischen den Rotorstufen 46,48 angeordnet sind. Jede Rotorstufe hat einen Rotor 52 (rotor) und Laufschaufeln 54 (blades). Der Rotor 52 weist eine Scheibe 56 (1) und einen Reifen 58 auf. Die Laufschaufeln 54 sind umfangsmäßig um den Reifen 58 beabstandet und daran angeschlossen. Die Laufschaufeln 54 und das Gehäuse 44 sind beabstandet und definieren so ein Spiel 60. Die Scheibe 56 und der Reifen 58 können ein Nickellegierungsmaterial aufweisen. Die Laufschaufeln 54 können ein Titan- oder Nickellegierungsmaterial aufweisen. Das Gehäuse 44 kann ein Titan- oder ein Nickellegierungsmaterial aufweisen.
Jede der Leitschaufelstufen 50 hat eine Mehrzahl von beweglichen Leitschaufeln, die durch eine Leitschaufel 52 repräsentiert sind, welche die Luftströmung zu den Laufschaufeln 54 kontrollieren. Die Leitschaufeln 62 in den Leitschaufelstufen 50 werden von Steuerarmen, welche durch einen Steuerarm 64 repräsentiert sind, bewegt. US-Patent 4,995,786 zeigt Leitschaufeln und einen Steuerarm zum Bewegen der Leitschaufeln ähnlich zu den Leitschaufeln 62 und dem Steuerarm 64. Die Steuerarme 64 werden von einem Statoranordnungsbetätiger 66 (1) angetrieben.
Es wird wieder auf die 1 Bezug genommen. Die Gasturbinenmaschine 20 erhält Brennstoff von einem Brennstoffsystem, welches zum Teil durch eine erste Brennstoffleitung 70, eine zweite Brennstoffleitung 72 und ein Brennstoffkontrollventil 74 repräsentiert ist. Die erste Brennstoffleitung 70 schafft eine Verbindung von einer Brennstoffversorgung (nicht gezeigt) zu dem Brennstoffkontrollventil 74. Die zweite Brennstoffleitung 72 schafft eine Verbindung von dem Brennstoffkontrollventil 74 zu dem Brennkammerabschnitt 26 der Gasturbinenmaschine. Das Brennstoffkontrollventil 74 reguliert die Rate, mit der Brennstoff in die Maschine 20 strömt.
Eine Maschinensteuerung 80 weist einen Eingabe/Ausgabe (I/O)-Bereich 82, einen Prozessorbereich 84 und einen Busbereich 86 mit Verbindungen 88 zu jedem anderen der Bereiche der Maschinensteuerung 80 auf. Der Prozessorbereich 84 weist einen CPU-Bereich 90 und einen Speicherbereich 92 auf. Der Prozessor weist ferner ein in dem Speicherbereich 92 gespeichertes Programm auf. Das Programm weist eine Serie von Modulen in Software oder Hardware auf, mit Serien von Instruktionen oder Schritten, die von dem CPU-Bereich 90 ausgeführt werden sollen. Das Programm wird detaillierter nachfolgend mit Bezugnahme auf die 6 beschrieben.
Die Maschinensteuerung 80 erhält Signale von verschiedenen Sensoren in der Gasturbinenmaschine 20. Ein Temperatursensor 94 liefert ein Signal T3_in an der Signalleitung 96, welches indikativ für die Temperatur des Arbeitsmediumgases an einem strömungsabwärtigen Ende des Verdichters 24 ist. Ein Drucksensor 98 liefert ein Signal PB_in an der Signalleitung 100, welches indikativ für den statischen Druck in dem Brennkammerabschnitt 26 ist. Ein Drehzahlsensor 102 liefert ein Signal N2 an der Signalleitung 104, welches indikativ für die Drehzahl der Rotoranordnung 40 ist.
Die Maschinensteuerung 80 liefert ein Kontrollsignal an das Brennstoffkontrollventil 74 über eine Signalleitung 106. Das Kontrollsignal ist indikativ für eine gewünschte Rate von Brennstoffströmung zu der Gasturbinenmaschine 20. Die Maschinensteuerung 80 liefert ferner ein Kontrollsignal an den Statoranordnungsbetätiger 66 über eine Signalleitung 108. Das Kontrollsignal ist indikativ für eine gewünschte Position der Leitschaufeln 62 der Statoranordnung 42.
Das Spiel 60 (2) zwischen der Rotoranordnung 40 und dem Gehäuse 44 hängt von der Temperatur der Rotoranordnung 40 und der Temperatur des Gehäuses 44 ab. Zunahme der Temperatur der Rotoranordnung 40 und der Temperatur des Gehäuses 44 bewirken eine radiale Ausdehnung der Rotoranordnung 40 und des Gehäuses 44. Eine radiale Ausdehnung der Rotoranordnung 40 trägt zu einer Abnahme des Spiels 60 bei. Eine radiale Ausdehnung des Gehäuses 44 trägt zu einer Zunahme des Spiels 60 bei.
Die Dauerzustandstemperaturen der Rotoranordnung 40 und des Gehäuses 44 hängen von der Dauerzustandstemperatur der Arbeitsmediumgase ab, die wiederum von dem Maschinenbetriebszustand abhängt. Das Spiel 60, welches erwartet wird, wenn die Rotoranordnung 40 und das Gehäuse 44 bei ihren Dauerzustandstemperaturen für einen Maschinenbetriebszustand sind (d.h. bei einem thermischen Gleichgewichtszustand für einen Maschinenbetriebszustand), wird nachfolgend als Dauerzustandsspiel für den Maschinenbetriebszustand bezeichnet. Wenn die Rotoranordnung 40 und das Gehäuse 44 nicht im thermischen Gleichgewicht sind, gibt es einen Unterschied zwischen dem Momentanspiel 60 (2) und dem Dauerzustandsspiel.
Es wird nun auf die 3 Bezug genommen. Eine grafische Darstellung 120 hat vier Kurven, die für Maschinenparameter vor, während und nach einem schnellen Übergang von einem Maschinenleerlauf-Betriebszustand zu einem Maschinenteillast-Betriebszustand indikativ sind. Eine erste Kurve 122 ist indikativ für die Größe des N2 Drehzahlsignals. Eine zweite Kurve 124 ist indikativ für die Größe des Momentanspiels 60 (2). Eine dritte Kurve 126 ist indikativ für das Dauerzustandsspiel. Eine vierte Kurve 128 ist indikativ für den Unterschied zwischen dem Momentanspiel (der zweiten Kurve 124) und dem Dauerzustandsspiel (der dritten Kurve 126). In einem Startintervall T₀ ist die Maschine bei dem Maschinenleerlauf-Betriebszustand und die Rotoranordnung 40 und das Gehäuse 44 sind im thermischen Gleichgewicht. Während dieses gesamten Intervalls ist das Momentanspiel gleich dem Dauerzustandsspiel. In einem Intervall T₁ nimmt die Maschinenleistung schnell von dem Maschinenleerlauf-Betriebszustand auf den Maschinenteilleistungs-Betriebszustand zu. Die Zunahmeführt zu einer Zunahme der Drehzahl der Rotoranordnung 40 (wie durch die erste Kurve 122 angezeigt), was eine radiale Expansion der Rotoranordnung 40 bewirkt, und so zu einer Abnahme des Momentanspiels und des Dauerzustandsspiels (wie durch die zweite Kurve 124 bzw. die dritte Kurve 126 angezeigt) führt. Außerdem bewirkt die Maschinenleistungszunahme eine Zunahme der Temperatur der Arbeitsmediumgase und bewirkt so eine Zunahme der Dauerzustandstemperaturen der Rotoranordnung 40 und des Gehäuses 44. Die Zunahme bei den Dauerzustandstemperaturen bewirkt eine thermische Dauerzustandsexpansion der Rotoranordnung und eine thermische Dauerzustandsexpansion des Gehäuses. Eine fehlende Übereinstimmung zwischen der thermischen Dauerzustandsexpansion der Rotoranordnung 40 und der thermischen Dauerzustandsexpansion des Gehäuses 44 führt zu einer Abnahme des Dauerzustandsspiels (wie durch die dritte Kurve 126 angezeigt) relativ zu dem des Dauerzustandsspiels für den Maschinenleerlauf-Betriebszustand. Weil das Momentanspiel (wie durch die zweite Kurve 124 angezeigt) die existierenden Temperaturen der Rotoranordnung und des Gehäuses wiederspiegelt, und weil die Temperaturen der Rotoranordnung und des Gehäuses sich nicht sofort ändern können, entwickelt sich ein Unterschied (wie durch die vierte Kurve 128 angezeigt) zwischen dem Momentanspiel und dem Dauerzustandsspiel. In einem Intervall T₂ bleibt die Maschinenleistung konstant bei dem Maschinenteilleistungs-Betriebszustand. Die Temperatur der Arbeitsmediumgase erreicht innerhalb weniger Sekunden den Dauerzustand. Die Temperatur der Rotoranordnung 40 und die Temperatur des Gehäuses 44 erreichen schließlich den Dauerzustand bei P₃, ein Punkt, bei dem das Momentanspiel wieder gleich dem Dauerzustandsspiel ist.
Der Unterschied zwischen dem Momentanspiel und dem Dauerzustandsspiel kann weiter wie folgt erklärt werden. Während des Intervalls T₁ ist der Unterschied zwischen dem Momentanspiel und dem Dauerzustandsspiel hauptsächlich eine Funktion des nicht Zusammenpassens zwischen thermischer Dauerzustandsexpansion des Rotors 52 und der thermischen Dauerzustandsexpansion des Gehäuses 44 kombiniert mit der Tatsache, dass der Rotor 52 und das Gehäuse 44 zur thermischen Stabilisierung eine signifikante Zeitdauer benötigen. Der Unterschied ist in einem geringeren Maße eine Funktion der thermischen Zeitkonstante und der thermischen Ausdehnung der Laufschaufel. Die Laufschaufel ist kein großer Beitrag zur thermischen Ausdehnung der Rotoranordnung 40, vielmehr erwärmen sich die Laufschaufeln schnell genug (und kühlen sich ab), um während des schnellen Übergangs in dem Maschinenbetriebszustand thermisch zu expandieren. Hinsichtlich des Intervalls T₂ ist der Unterschied zwischen dem Momentanspiel 60 und dem Dauerzustandsspiel über die ersten 5 bis 10 Sekunden des T₂ Intervalls hauptsächlich eine Funktion der thermischen Zeitkonstante und der thermischen Ausdehnung der Laufschaufel. Der Unterschied zwischen dem Momentanspiel und dem Dauerzustandsspiel in diesen 5 bis 10 Sekunden ist in einem geringeren Maße eine Funktion der thermischen Zeitkonstante und der thermischen Expansion des Gehäuses 44, wenn es beginnt sich aufzuwärmen. Der Unterschied zwischen dem Momentanspiel und dem Dauerzustandsspiel in den nächsten etwa 30 bis 120 Sekunden ist hauptsächlich durch ein nicht Zusammenpassen zwischen der thermischen Zeitkonstante des Gehäuses 44 und der thermischen Zeitkonstante des Rotors sowie dem nicht Zusammenpassen zwischen der thermischen Dauerzustandsexpansion des Rotors 52 und der thermischen Dauerzustandsexpansion des Gehäuses 44 getrieben. Dem ist so, weil, wie vorangehend ausgeführt, sich Rotor 52 und Gehäuse 44 nicht im gleichen Maße wie das jeweils andere ausdehnen. Der Unterschied zwischen dem Momentanspiel und dem Dauerzustandsspiel in den abschließenden 200 bis 500 Sekunden ist eine Funktion der thermischen Zeitkonstante und der thermischen Expansion des Rotors 52, da zu dieser Zeit sowohl die Laufschaufel als auch das Gehäuse bereits ihre Dauerzustandstemperatur und ihre thermische Dauerzustandsexpansion (d.h. vollständig erwärmt und thermisch expandiert), erreicht haben.
Man hat festgestellt, dass der Unterschied zwischen dem Momentanspiel 60 und dem Dauerzustandsspiel ohne das Erfordernis, die Dauerzustandstemperatur oder die Momentantemperaturen der Rotoranordnung 40 und des Gehäuses 44 zu berechnen, bestimmt werden kann. Zu diesem Zweck und in Anbetracht der nachfolgenden Beschreibung, wird man verstehen, dass eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Signal erhält, welches indikativ für den Maschinenbetriebszustand ist. Das Signal ist vorzugsweise das der Arbeitsmediumgastemperatur an einer Stelle in der Nähe des Rotors, der Laufschaufeln und des Gehäuses von Interesse. Die Arbeitsmediumgastemperatur wird verwendet, um die thermischen Dauerzustandszustände des Rotors, die der Laufschaufel 54 und den des Gehäuses 44 für den Maschinenbetriebszustand zu repräsentieren. Die Arbeitsmediumgastemperatur wird ferner verwendet, um Signale zu erzeugen, die die thermischen Zustände des Rotors 52, der Laufschaufeln 54 und des Gehäuses 44 repräsentieren. Signale, die für den thermischen Expansionskoeffizienten des Rotors, der Laufschaufeln und des Gehäuses repräsentativ sind, setzen die thermischen Zustände und die thermischen Dauerzustandszustände in Beziehung mit der thermischen Ausdehnung des Rotors, der Laufschaufeln und des Gehäuses. Der Unterschied zwischen dem Momentanspiel und dem Dauerzustandsspiel wird als eine Funktion der thermischen Expansion des Rotors, der Laufschaufeln und des Gehäuses bei den thermischen Zuständen und den thermischen Expansionen des Rotors, der Laufschaufeln und des Gehäuses bei den thermischen Dauerzustandsbedingungen bestimmt.
Es wird nun auf die 4 Bezug genommen. In einem Funktionsblockdiagramm eines Bereichs der Maschinensteuerung 80 hat die Maschinensteuerung 80 einen Bereich 130, der den Unterschied zwischen dem Momentanspiel 60 und dem Dauerzustandsspiel für drei hintere (d.h. am meisten strömungsabwärts befindliche) Rotorstufen des Verdichterabschnitts 24 (1) bestimmt. Der Bereich kann zusätzlich Kontrollaktionen initiieren, um ein Momentanspiel 60 zu kompensieren, welches übermäßig größer oder übermäßig kleiner ist als das Dauerzustandsspiel. Die Temperatur des Arbeitsmediumgases an dem strömungsabwärtigen Ende des Verdichterabschnitts 24, wie durch das T3 Signal angezeigt, wird als die repräsentative Arbeitsmediumgastemperatur gewählt. Wie vorangehend erwähnt, repräsentiert die repräsentative Arbeitsmediumgastemperatur die thermischen Zustände des Rotors, der Laufschaufeln und des Gehäuses bei Dauerzustand (d.h. thermischen Gleichgewicht) für den Maschinenbetriebszustand.
Der Bereich weist einen Analog-/Digitalkonverter (ADC – analog-to-digital converter)-Kreis 132 in dem I/O-Bereich 82 der Maschinensteuerung 80 auf. Der ADC-Kreis 132 erhält das T3_in an der Signalleitung 96 und erhält das PB_in Signal an der Signalleitung 100. Der ADC-Kreis 132 führt eine Analog-/Digital-Signalumwandlung durch, um ein digitales Signal T3 zu liefern, welches indikativ für die Größe des T3_in Signals ist. Der ADC-Kreis 132 führt ferner eine Analog-/Digital-Signalumwandlung durch, um ein Digitalsignal PB zu liefern, welches indikativ für die Größe des PB_in Signals ist. Die Analog-/Digital-Signalumwandlungen werden vorzugsweise mit einer im Wesentlichen periodischen Rate durchgeführt, z.B. 20 Umwandlungen pro Sekunde pro Signal.
Das T3 Signal und das PB Signal werden über Signalleitung 134, 136 einem Modul 138 für thermischen Nachlauf in einem Bereich des Programms 140 bereitgestellt, welches in den Prozessorbereich 84 der Maschinensteuerung 80 gespeichert ist und ausgeführt wird. Um die thermischen Zustände des Rotors, der Laufschaufeln und des Gehäuses zu bestimmen, weist das Modul für thermische Verzögerung bzw. thermischen Nachlauf τ_Rotor Signal 142, ein τ_BLADE Signal 144 und τ_CASE Signal 146 auf, die für thermische Zeitkonstanten des Rotors 52, der Laufschaufeln 54 bzw. des Gehäuses 44 repräsentativ sind. Es ist jedoch bekannt, dass die Geschwindigkeit, mit der sich der Rotor 52, die Laufschaufeln und das Gehäuse 44 erwärmen und abkühlen, von dem Druck in dem Brennkammerabschnitt 28 abhängt. Folglich erzeugt das Modul für thermischen Nachlauf ein thermisches Zeitkonstanten-Skalierungs-Faktorsignal R mit einer Größe, die als Funktion des PB Signals und eines Signals PB_ref 148 gemäß Gleichung (1) berechnet wird, um die thermischen Zeitkonstanten für Variationen des Brennkammerdrucks zu kompensieren: R = (PBref/PB)0,5 (Gleichung 1)
Der Exponentialwert in Gleichung (1) muss nicht gleich 0,5 sein, sondern wird vielmehr empirisch bestimmt und ist typischerweise in einem Bereich zwischen 0,4 und 0,6.
In einer Weise, die nachfolgend mit Bezugnahme auf 6 weiter beschrieben wird, erzeugt das Modul für thermischen Nachlauf drei Signal T_ROTOR, T_BLADE und T_CASE, die repräsentativ für die thermischen Zustände des Rotors 52, der Laufschaufeln 54 bzw. des Gehäuses 44 sind. Es wird nun auch auf die 5 Bezug genommen. Eine grafische Darstellung 150 hat vier Kurven: Eine Kurve T3, eine Kurve T_ROTOR, eine Kurve T_BLADE und eine Kurve T_CASE. Die Kurve T3 ist indikativ für die Größe des T3 Signals vor, während und nach dem schnellen Übergang von dem Maschinenleerlauf-Betriebszustand zu dem Maschinenteilleistungs-Betriebszustand, wie mit Bezugnahme auf die 3 beschrieben. Die Kurven T_ROTOR, T_BLADE und T_CASE sind indikativ für die Größen des T_ROTOR T_BLADE bzw. T_CASE Signals, die von dem Modul für thermischen Nachlauf in Reaktion auf die durch die Kurve T3 angezeigten Größe des T3 Signals erzeugt werden. Man beachte, dass, wenn der Maschinenbetriebszustand konstant bleibt, die Größe des T_ROTOR des T_BLADE und des T_CASE Signals jeweils der Größe des T3 Signals gleicht und so anzeigt, dass der Rotor, die Laufschaufeln und die Gehäuse jeweils bei einem thermischen Dauerzustandzustand (d.h. thermisch stabilisiert) sind.
Das T3 Signal, das T_ROTOR Signal, das T_BLADE Signal und das T_CASE Signal werden einem thermischen Ausdehnungsmodul 160 bereitgestellt. Das thermische Ausdehnungsmodul 160 hat Signale GAIN_ROTOR 162, GAIN_BLADE 164 und GAIN_CASE 166, die Koeffizienten thermischer Ausdehnung des Rotors 52, der Laufschaufeln 54 bzw. des Gehäuses 44 repräsentieren. Insbesondere betreffen das GAIN_ROTOR Signal 162, das GAIN_BLADE Signal 164 und das GAIN_CASE Signal 166 die Relation der thermischen Zustände, die durch das T3, das T_ROTOR, das T_BLADE und T_CASESignal repräsentiert sind, zu den thermischen Expansionen des T_ROTOR, des T_BLADE bzw. des T_CASE. Das GAIN_ROTOR Signal 162, das GAIN_BLADE Signal 164 und das GAIN_CASE Signal 166 sind vorzugsweise ausreichend präzise Repräsentationen der Charakteristika der thermischen Expansion des Rotors 52 und des Gehäuses 44 einschließlich Charakteristika, die mit den Strukturen und/oder den Materialien des Rotors 52, der Laufschaufeln 54 und des Gehäuses 44 in Beziehung stehen.
Das thermische Ausdehnungsmodul erzeugt ein Signal, Transientenspiel-Überschießsignal, welches indikativ ist für den Unterschied zwischen dem Momentanspiel 60 für die thermischen Zustände, die durch die durch das T_ROTOR, das T_BLADE und das T_CASE Signal repräsentiert sind, und dem Dauerzustandsspiel für den Maschinenbetriebszustand. Wie vorangehend angemerkt, ist das Dauerzustandsspiel das Spiel, das erwartet wird, wenn der Rotor 52, die Laufschaufeln 54 und das Gehäuse 44 für den Maschinenbetriebszustand bei ihren Dauerzustandstemperaturen sind. Wie vorangehend angemerkt, sind die thermischen Zustände des Rotors, der Laufschaufeln und des Gehäuses bei Dauerzustand für den Maschinenbetriebszustand durch die Größe des T3 Signals repräsentiert. Das Transientenspiel-Überschießsignal hat eine Größe, die gemäß Gleichung (2) berechnet wird. Transientenspiel – Überschießsignal = GAINROTOR (T3 – TROTOR) + GAINBLADE (T3 – TBLADE) – GAINCASE (T3 – TCASE) (Gleichung 2)
Der Term GAIN_ROTOR (T3 – T_ROTOR) repräsentiert einen Unterschied zwischen der thermischen Expansion des Rotors 52 bei Dauerzustand und der thermischen Expansion des Rotors 52 bei dem durch das T_ROTOR Signal repräsentierten thermischen Zustand. Der Term GAIN_BLADE (T3 – T_BLADE) repräsentiert einen Unterschied zwischen der thermischen Expansion der Laufschaufeln 54 bei Dauerzustand und der thermischen Expansion der Laufschaufeln 54 bei dem durch das T_BLADE Signal repräsentierten thermischen Zustand. Der Term GAIN_CASE (T3 –T_CASE) repräsentiert einen Unterschied zwischen der thermischen Expansion des Gehäuses 44 bei Dauerzustand und der thermischen Expansion des Gehäuses 44 bei dem durch das T_CASE Signal repräsentierten thermischen Zustand.
Das Transientenspiel-Überschießsignal kann verschiedenen Verstärkungsplanungseinrichtungen über eine Signalleitung 168 bereitgestellt werden. Beispielsweise empfängt eine erste Verstärkungsplanungseinrichtung 170 das Transientenspiel-Überschießsignal und erzeugt ein Signal ΔFuel (Fuel – Brennstoff). Das ΔFuel-Signal wird einer Summiereinrichtung 172 bereitgestellt, die das ΔFuel-Signal und ein geplantes Brennstoffströmungssignal 174 zusammenzählt, um ein verstärktes geplantes Brennstoffströmungssignal an einer Signalleitung 176 zu erzeugen. Wenn das Transientenspiel-Überschießsignal einen großen positiven Wert hat, hat das ΔFuel-Signal einen Wert, der effektiv die Maschinenbeschleunigung verringert.
Eine zweite Verstärkungsplanungseinrichtung 180 empfängt das Transientenspiel-Überschießsignal und erzeugt ein Signal ΔAirflow (Airflow – Luftströmung). Das ΔAirflow-Signal wird einer Summiereinrichtung 182 bereitgestellt, die das ΔAirflow-Signal und ein Signal für geplante Luftströmung 184 zusammenzählt, um ein verstärktes geplantes Luftströmungssignal an einer Signalleitung 186 zu erzeugen. Wenn das Transientenspiel-Überschießsignal einen großen positiven Wert hat, hat das ΔAirflow-Signal eine Größe, die effektiv die geplante Luftströmung verringert. Bei Betrieb befiehlt die Maschinensteuerung 80 dem Strömungskontrollventil, eine Brennstoffströmungsrate zu liefern, die zu der geplanten Luftströmung führt. Somit verringert das Verringern der geplan ten Luftströmung, wenn das Transientenspiel-Überschießsignal groß ist, die Wahrscheinlichkeit, dass die Maschinensteuerung eine übermäßige Brennstoffströmungsrate in einem Versuch befehlen wird, eine Luftströmung zu erzielen, die unter den Umständen zu hoch ist. Eine übermäßige Brennstoffströmungsrate kann übermäßige Temperaturen in der Maschine zur Folge haben. Folglich hat die zweite Verstärkungsplanungseinrichtung 180 den Effekt der Begrenzung von Schub während thermischen Ungleichgewichts, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, übermäßige Maschinentemperaturen zu verursachen. Das Signal an der Signalleitung 176 und das Signal an der Signalleitung 186 werden einem Brennstoffkontrollventil-Positionskontrollmodul 187 bereitgestellt, welches ein Signal an einer Signalleitung 188 erzeugt, welches indikativ für eine gewünschte Brennstoffströmungsrate ist. Das Signal an der Signalleitung 188 wird einem Signalkonditionierkreis 189 in dem I/O-Bereich 82 der Maschinensteuerung 80 bereitgestellt. Der Signalkonditionierkreis 189 wiederum erzeugt das dem Brennstoffkontrollventil 74 (1) durch die Signalleitung 106 bereitgestellte Kontrollsignal.
Eine dritte Verstärkungsplanungseinrichtung 190 empfängt das Transientenspiel-Überschießsignal und erzeugt ein Signal Δ₁CVV. Das Δ₁CVV Signal wird einer Summiereinrichtung 192 zugeführt, die das Δ₁CVV zu einem Plan-Kontrollsignal 194 der variablen Verdichterleitschaufeln (CVV – Compressor Variable Vanes) hinzu zählt, um ein Signal an einer Leitung 195 zu erzeugen. Wenn das Transientenspiel-Überschießssignal groß ist, hat das Δ₁CVV Signal einen Wert, der effektiv ein Schließen der variablen Leitschaufeln bewirkt. Eine vierte Verstärkungsplanungseinrichtung 196 erhält das Transientenspiel-Überschießssignal und erzeugt ein Signal Δ₂CVV. Das Δ₂CVV Signal wird einer Summiereinrichtung 197 bereitgestellt, die das Δ₂CVV Signal zu dem Signal an der Signalleitung 195 hinzu zählt, um ein verstärktes Plan-CVV-Kontrollsignal an Signalleitung 198 zu erzeugen. Wenn das Transientenspiel-Überschießsignal einen großen negativen Wert hat, der anzeigt, dass ein Anreiben wahrscheinlich ist, hat das Δ₂CVV Signal einen Wert, der effektiv ein Öffnen der variablen Leitschaufeln bewirkt und so bewirkt, dass die Drehzahl der Rotoranordnung 40 verringert wird und das Spiel 60 zunimmt. Das Signal an der Signalleitung 198 wird einem Statorpositions-Kontrollmodul 199A bereitgestellt, welches ein Signal an einer Signalleitung 199B erzeugt, welches indikativ für eine gewünschte Position der Leitschaufeln 62 (2) der Statoranordnung 42 (1, 2) ist. Das Signal an der Signalleitung 199B wird dem Signalkonditionierkreis 189 in dem I/O-Bereich 82 der Maschinensteuerung bereitgestellt. Der Signalkonditionierkreis 189 wiederum erzeugt das Kontrollsignal, welches dem Statoranordnungsaktuator (1) über die Signalleitung 108 bereitgestellt wird.
Es wird nun auf die 6 Bezug genommen. Ein Flussablaufplan 200 zeigt die Schritte in dem Bereich des Programms 140, welches zum Erzeugen des Transientenspiel-Überschießsignals verwendet wird. Das Erzeugen des Transientenspiel-Überschießsignals wird inkremental durch das Ausführen des Teils des Programms 140 vorzugsweise mit einer im Wesentlichen konstanten Rate, bewirkt. Die Rate kann auf der erforderlichen Genauigkeit und der verfügbaren Rechnerzeit basieren und kann etwa 20 Hz betragen. In einem Anfangsschritt 202 erzeugt der Prozessor ein Δt Signal mit einer Größe gleich dem Unterschied zwischen der momentanen Zeit t und einer vorherigen Zeit t_prev. Bei einem Schritt 204 wird die vorhergehende Zeit t_prev aktualisiert, dass t_prev gleich dem Wert der momentanten Zeit t ist. Beim Schritt 206 berechnet der Prozessor den Wert des thermischen Zeitkonstantenskalierungs-Faktorsignals R gemäß Gleichung (1).
Beim Schritt 208 erzeugt der Prozessor das T_ROTOR Signal, das T_BLADE Signal und das T_CASE Signal gemäß Gleichungen (3), (4), (5), wobei T_prevROTOR, T_prevBLADE und T_prevCASE vorherige Werte des T_ROTOR Signals, des T_BLADE Signals bzw. des T_CASE Signals bezeichnen. TROTOR = TprevROTOR + (T3 – TprevROTOR)(1 – e–Δt(Rτ ROTOR)) (Gleichung 3) TBLADE = TprevBLADE + (T3 – TprevBLADE)(1 – e–Δt(Rτ BLADE)) (Gleichung 4) TCASE = TprevCASE + (T3 – TprevCASE)(1 – e–Δt(Rτ CASE)) (Gleichung 5)
Gleichungen (3), (4) und (5) führen zu einem Nachlauf erster Ordnung. Ein Nachlauf erster Ordnung ist zum Minimieren der Komplexität bevorzugt. Jedoch können andere Funktionstypen zum Erzeugen des T_ROTOR, des T_BLADE und T_CASE Signals verwendet werden, einschließlich Funktionen, die zu einem Nachlauf jeglicher Ordnung, einem Vorlauf jeglicher Ordnung und Kombinationen daraus führen, aber nicht auf solche Funktionen beschränkt. Beim Schritt 210 werden die Werte der Signale T_prevROTOR, T_prevBLADE und T_prevCASE aktualisiert.
Beim Schritt 212 erzeugt der Prozessor den Wert den Transientenspiel-Überschießsignals gemäß Gleichung (2). Beim Schritt 214 erzeugt der Prozessor ΔFuel, ΔAirflow, ΔCVV, und ΔCVV₂ gemäß den Verstärkungsplanungsvorgaben, die vorangehend mit Bezugnahme auf die 5 beschrieben wurden. Beim Schritt 216 zählt der Prozessor, ΔFuel, ΔAirflow, ΔCVV₁, und ΔCVV₂ zu den Plankontrollsignalen, um verstärkte Plankontrollsignale zu erzeugen, wie vorangehend mit Bezugnahme auf 5 beschrieben.
Es wird nun auf die 7 Bezug genommen. Eine grafische Darstellung 220 hat eine erste Kurve 222, die indikativ für den Wert des Transientenspiel-Überschießsignals ist, und eine zweite Kurve 224, die indikativ für das Momentanspiel 60 ist, wie es durch eine Gruppe von Lasertestsonden während des schnellen Übergangs von dem Maschinenleerlauf-Betriebszustand zu dem Maschinenteilleistungs-Betriebszustand ist, wie es mit Bezugnahme auf die 3 beschrieben wurde. Die enge Korrespondenz zwischen den zwei Kurven ist indikativ für die Genauigkeit des Transientenspiel-Überschießsignals einschließlich Effekten, die in Bezug stehen zu dem temporären Unterschied, der sich aus einem Unterschied zwischen dem Dauerzustandsspiel für den Maschinenbetriebszustand und den Dauerzustandsspiel für einen vorangehenden Maschinenbetriebszustand ergibt.
Es wird nun auf die 8 Bezug genommen. In einer alternativen Ausführungsform 230 weist das thermische Ausdehnungsmodul 160 Signale auf, die drei Transferfunktionen repräsentieren: Eine GROWTH_ROTOR Transferfunktion 232, eine GROWT_BLADE 234 und eine GROWTH_CASE Transferfunktion 236. Die Transferfunktionen repräsentieren thermische Ausdehnungskoeffizienten des Rotors 52, der Laufschaufeln 54 bzw. des Gehäuses 44. Insbesondere betreffen die GROWTH_ROTOR Transferfunktion 132, die GROWTH_BLADE Transferfunktion 234 und die GROWTH_CASE Transferfunktion 236 das Verhältnis der thermischen Zu stände, welche durch das T3, das T_ROTOR, das T_BLADE und das T_CASE Signal repräsentiert sind, zu den thermischen Expansionen von T_ROTOR, T_BLADE bzw. T_CASE. Die Transferfunktionen GROWTH_ROTOR, GROWTH_BLADE und GROWTH_CASE sind vorzugsweise ausreichend präzise Repräsentationen der Charakteristika der thermischen Ausdehnung des Rotors 52, der Laufschaufeln 54 und des Gehäuses 44, einschließlich Charakteristika, welche mit den Strukturen und/oder Materialien des Rotors 52, der Laufschaufeln 54 und des Gehäuses 44 in Beziehung stehen.
Jede der Transferfunktionen empfängt Eingaben, die repräsentativ für thermische Zustände sind und erzeugt in Reaktion darauf Ausgaben, die indikativ für thermische Expansionen sind, die zu den thermischen Zuständen gehören. Somitempfängt die GROWTH_ROTOR Transferfunktion 232 das T3 Signal und erzeugt in Reaktion darauf ein Signal GROWTH_ROTOR(T3), welches indikativ für die thermische Expansion des Rotors 52 für den durch das T3 Signal repräsentierten thermischen Zustand ist. Die GROWTH_ROTOR Transferfunktion 232 erhält ferner das T_ROTOR Signal und erzeugt in Reaktion darauf ein Signal GROWTH_ROTOR(T_ROTOR), welches indikativ für die thermische Expansion des Rotors 52 für den durch das T_ROTOR Signal repräsentierten thermischen Zustand ist. Die GROWTH_BLADE Transferfunktion 232 empfängt das T3 Signal und erzeugt in Reaktion darauf ein Signal GROWTH_BLADE(T3), welches indikativ für die thermische Expansion der Laufschaufeln 52 für den durch das T3 Signal repräsentierten Zustand ist. Die GROWTH_BLADE Transferfunktion 232 empfängt ferner das T_BLADE Signal und erzeugt in Reaktion darauf ein Signal GROWTH_BLADE(T_BLADE) indikativ für die thermische Expansion der Laufschaufeln 52 für den durch das T_BLADE Signal repräsentierten thermischen Zustand. Die GROWTH_CASE Transferfunktion 232 empfängt das T3 Signal und erzeugt in Reaktion darauf ein Signal GROWTH_CASE(T3), welches indikativ für die thermische Expansion des Gehäuses 52 für den durch das T3 Signal repräsentierten thermischen Zustand ist. Die GROWTH_CASE Transferfunktion 232 empfängt ferner das T_CASE Signal und erzeugt in Reaktion darauf ein Signal GROWTH_CASE(T_CASE), welches indikativ für die thermische Expansion des Gehäuses 52 für den durch das T_CASE Signal repräsentierten thermischen Zustand ist.
Die Transferfunktionen GROWTH_ROTOR, GROWTH_BLADE und GROWTH_CASE können von einem beliebigen Typ sein, einschließlich einem linearen Typ, einem nicht linearen Typ und Kombination daraus. Die Transferfunktionen können als eine Nachschlagetabelle, eine Gleichung oder in irgendeiner anderen passenden Form implementiert sein.
Das thermische Ausdehnungsmodul 160 erzeugt ein Transientenspiel-Überschießssignal. Das Transientenspiel-Überschießssignal ist indikativ für den Unterschied zwischen dem Momentanspiel 60 für die durch T_ROTOR, T_BLADE und das T_CASE repräsentierten thermischen Zustände und dem Dauerzustandssignal für den Maschinenbetriebszustand ist. Das Transientenspiel-Überschießssignal hat einen Wert, der gemäß Gleichung (6) erzeugt wird. Transientenspiel – Überschießsignal = GROWTHROTOR(T3) – GROWTHROTOR(TROTOR) + GROWTHBLADE(T3) – GROWTHBLADE(TBLADE) – GROWTHCASE(T3) – GROWTHCASE(TCASE) (Gleichung 6)
Der Term GROWTH_ROTOR(T3) – GROWTH_ROTOR(T_ROTOR) repräsentiert einen Unterschied zwischen der thermischen Expansion des Rotors 52 bei Dauerzustand und der thermischen Expansion des Rotors 52 bei dem durch das T_ROTOR Signal repräsentierten thermischen Zustand. Der Term GROWTH_BLADE(T3) –GROWTH_BLADE(T_BLADE) repräsentiert einen Unterschied zwischen der thermischen Expansion der Laufschaufeln 54 bei Dauerzustand und der thermischen Expansion der Laufschaufeln 54 bei dem durch das T_BLADE Signal repräsentierten thermischen Zustand. Der Term GROWTH_CASE(T3) – GROWTH_CASE(T_CASE) repräsentiert einen Unterschied zwischen der thermischen Expansion des Gehäuses 44 bei einem Dauerzustand und der thermischen Expansion des Gehäuses 44 bei dem durch das T_CASE Signal repräsentierten thermischen Zustand.
Die vorliegende Erfindung ist an verschiedene Typen von Gasturbinenmaschinen anpassbar. Thermische Zeitkonstanten und Expansionskoeffizienten werden von der speziellen Ausführungsform abhängen. Analyse und/oder empirisches Testen wird verwendet, um geeignete thermische Zeitkonstanten und Expansionskoeffizienten zu bestimmen. Die Erfindung hat die Flexibilität, fein auf die Maschine abgestimmt zu werden, basierend auf Messungen des momentanen Spiels während Maschinentests. Ein bevorzugtes Verfahren zum Bestimmen der Expansionskoeffizienten geht folgendermaßen. Man wähle eine Maschinentemperatur (z.B. T3) zur Verwendung als repräsentative Arbeitsmediumgastemperatur zum Bestimmen der Expansionskoeffizienten aus. Die repräsentative Arbeitsmediumgastemperatur ist vorzugsweise die gleiche Maschinentemperatur wie die, die zum Berechnen des Transientenspiel-Überschießsignals verwendet werden soll. Man verwende ein analytisches thermisches Modell der Rotoranordnung 40 und des Gehäuses 44 zum Bestimmen von anfänglichen Abschätzungen der thermischen Zeitkonstanten und Expansionskoeffizienten. Man führe eine Mehrzahl von Tests durch, die eine Mehrzahl von Maschinenbeschleunigungs-Nerzögerungs-Betriebsszenarios repräsentieren. Die Szenarios sollten verschiedene Maschinen-Anfangsbetriebszustände und verschiedene Maschinen-Endbetriebszustände unter einer Vielzahl von Flugbedingungen umfassen und sollten mit der Maschine bei thermischem Gleichgewicht beginnen. Beispielsweise beginnt ein Szenario mit thermischem Gleichgewicht bei einem niedrigen Maschinenleistungszustand, dem ein schneller Übergang (d.h. snap accelaration) auf einen militärischen Leistungsmaschinenzustand folgt. Man sammle für jedes Szenario Daten über die Referenzmaschinentemperatur und das Momentanspiel 60 vor, während und nach dem Szenario. Die Daten werden typischerweise 10 Minuten kontinuierlicher Transientendaten während der thermischen Stabilisierung beinhalten. Ein Lasertestsensor oder ein kapazitiver Sensor können verwendet werden, um Daten für das Momentanspiel zu sammeln. Durch Analysieren der empirischen Daten mit Blick auf die vorangehende Beschreibung mit Bezugnahme auf 3 ist es möglich, herzuleiten, welche Komponenten was und wann tun. Man berechne, trage auf und analysiere Transientenspiel-Überschieß-Vorhersagen. Man vergleiche die empirischen Daten mit den Vorhersagen. Basierend auf den Ergebnissen des Vergleichs passe man die thermischen Zeitkonstanten und die thermischen Expansionskoeffizienten an, die verwendet wurden, um das Transientenspiel-Überschießsignal zu erzeugen, um so Abweichungen zwischen den empirischen Spieldaten und dem Transientenspiel-Überschießsignal zu minimieren. Für den Fall, dass keine Lösung für alle Szenarios optimal ist, kann es erforderlich sein, Konstanten und Koeffizienten zu wählen, die die besten sind für alle oder die besten bei den kritischsten Szenarios. Alternativ kann es wünschenswert sein, Merkmale zu inkorporieren, die Konstanten und Koeffizienten in Echtzeit auf der Basis der Szenarios auswählen.
Wenn die thermische Expansion eine lineare Funktion der Änderung in der Referenzmaschinentemperatur ist, dann kann ein Expansionskoeffizient durch einen einzelnen Wert repräsentiert sein, der durch Teilen der Expansion durch die Änderung in der Referenzmaschinentemperatur berechnet wurde. Wenn die Expansion keine lineare Funktion der Änderung der Referenzmaschinentemperatur ist, dann kann ein Mittelwert verwendet werden oder alternativ eine Transferfunktion, welche die Expansionskoeffizienten mit den unterschiedlichen Temperaturen des thermischen Gleichgewichts für die Referenzmaschinentemperatur in Beziehung setzt. Die Transferfunktion kann in der Form einer Gleichung oder alternativ einer Nachschlagetabelle sein.
Obwohl mit Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen zum Repräsentieren thermischer Expansionskoeffizienten beschrieben, ist die vorliegende Erfindung nicht auf solche beschränkt. Beispielsweise können in einer anderen Ausführungsform die Transferfunktionen GROWTH_ROTOR, GROWTH_BLADE und GROWTH_CASE jeweils einen einzelnen Eingabewert empfangen, der indikativ für einen thermischen Zustand ist, und in Reaktion einen Ausgabewert generieren, der indikativ für den Unterschied zwischen einer thermischen Expansion bei dem thermischen Zustand und einer thermischen Expansion bei einem vorbestimmten thermischen Zustand ist. Transferfunktionen dieses Typs können günstig sein, wo thermische Dauerzustandsbedingungen für einen Maschinenbetriebszustand vorbestimmt werden können.
Außerdem wird der Fachmann erkennen, dass obwohl der Prozessor in der beschriebenen Ausführungsform programmierte Hardware aufweist, d.h. in Software durch einen Computer ausgeführt wird, er andere Formen annehmen kann, einschließlich fest verdrahteter Hardwarekonfigurationen, Hardware, die in der Form eines integrierten Schaltkreises hergestellt ist, Firmware und Kombinationen daraus. Man sollte erkennen, dass, obwohl die beschriebene Ausführungsform ein digitales System mit periodisch gesammelten Signalen auf weist, die vorliegende Erfindung ebenso in einem analogen System mit kontinuierlichen Signalen oder in einer Kombination von digitalem und analogem System realisiert werden kann.
Obwohl mit Blick auf das Bestimmen des Transientenspiel-Überschießsignals für die drei hinteren Verdichterstufen beschrieben, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Die vorliegende Erfindung ist geeignet zur Verwendung sowohl bei Verdichtern als auch bei Turbinen und sie kann für jegliche Stufe von diesen verwendet werden.
Außerdem kann, obwohl hinsichtlich einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, die ein Signal verwendet, welches indikativ für eine repräsentative Arbeitsmediumgastemperatur ist, jedes geeignete Signal verwendet werden, welches indikativ für den Maschinenbetriebszustand ist. Das Signal kann eine gemessene Anzeige oder eine berechnete sein. Beispielsweise kann eine repräsentative Arbeitsmediumgastemperatur auf der Basis anderer Maschinenparameter bestimmt werden, die selbst gemessen oder berechnet sind.
Außerdem ist, obwohl hinsichtlich einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, die den Unterschied zwischen dem Momentanspiel und dem Dauerzustandsspiel auf der Basis des thermischen Zustands des Rotors, des thermischen Zustands der Laufschaufeln und der thermischen Zustände des Gehäuses berechnet, die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche beschränkt. Die Bestimmung kann auf der Basis von irgendeiner Anzahl thermischer Zustände für die Rotoranordnung und irgendeiner Anzahl thermischer Zustände für das Gehäuse erfolgen. Alles, was für die vorliegende Erfindung erforderlich ist, ist mindestens ein thermischer Zustand für die Rotoranordnung und mindestens ein thermischer Zustand für das Gehäuse. Eine geeignete Anzahl thermischer Zustände für die Rotoranordnung und eine geeignete Anzahl thermischer Zustände für das Gehäuse hängt von der Anwendung ab. Die Anzahl thermischer Zustände wird typischerweise so ausgewählt, dass sie zu einer gewünschten Genauigkeit hinsichtlich der Charakteristika der Bauteile der Rotoranordnung und der Bauteile des Gehäuses führt. Andere Ausführungsformen können beispielsweise nur einen thermischen Zustand für die Rotoranordnung oder alternativ mehr als zwei thermische Zustände für die Rotoranordnung zur Repräsentation thermischer Zustände davon verwenden (z.B. thermischen Zustand der Scheibe und thermischer Zustand des Reifens und thermischer Zustand der Laufschaufeln).
Ähnlich ist, obwohl hinsichtlich einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, die den Unterschied zwischen dem Momentanspiel und dem Dauerzustandsspiel auf der Basis des thermischen Expansionskoeffizienten des Rotors, des thermischen Expansionskoeffizienten der Laufschaufeln und des thermischen Expansionskoeffizienten des Gehäuses bestimmt, die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Die Bestimmung kann auf der Basis irgendeiner Anzahl von thermischen Expansionskoeffizienten für die Rotoranordnung und irgendeiner Anzahl von thermischen Expansionskoeffizienten für das Gehäuse erfolgen. Alles, was für die vorliegende Erfindung benötigt wird, ist mindestens ein thermischer Expansionskoeffizient für die Rotoranordnung und mindestens ein thermischer Expansionskoeffizient für das Gehäuse. Die Anzahl thermischer Expansionskoeffizienten für die Rotoranordnung und die Anzahl thermischer Expansionskoeffizienten für das Gehäuse korrespondiert typischerweise aber nicht notwendigerweise mit der Anzahl thermischer Zustände in der Rotoranordnung bzw. der Anzahl thermischer Zustände in dem Gehäuse. Wie bei der Anzahl thermischer Zustände, wie sie vorangehend beschrieben wurden, ist die Anzahl thermischer Expansionskoeffizienten typischerweise so gewählt, dass sie in einer gewünschten Genauigkeit hinsichtlich der Charakteristika der Bauteile der Rotoranordnung und der Bauteile des Gehäuses führt.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, ist die Beschreibung nicht so gemeint, dass sie in einer limitierenden Weise ausgelegt werden soll. Verschiedene Modifikationen der bevorzugten Ausführungsform sowie zusätzliche Ausführungsformen der Erfindung werden den Fachleute bei Bezugnahme auf diese Beschreibung ersichtlich, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie sie durch die angefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

Gasturbinenmaschine (20) mit einer Rotoranordnung (40) und einem Gehäuse (44), wobei die Rotoranordnung (40) einen Rotor (52) und eine Mehrzahl von Laufschaufeln (54) aufweist, die umfangsmäßig um den Rotor (52) beabstandet und daran angeschlossen sind, wobei die Laufschaufeln (54) sind von dem Gehäuse (44) einen Abstand (60) weg beabstandet sind, wobei die Gasturbinenmaschine (20) einen Maschinenbetriebszustand und eine Einrichtung zum Liefern eines dafür indikativen Signals hat, wobei die Maschine ferner eine Vorrichtung aufweist, die aufweist: eine erste Verarbeitungseinrichtung (138), die ansprechend auf das für den Maschinenbetriebszustand indikative Signal, zum Erzeugen mindestens eines Signals, welches für mindestens einen thermischen Zustand der Rotoranordnung (40) repräsentativ ist, und mindestens eines Signals, welches für mindestens einen thermischen Zustand des Gehäuses (44) repräsentativ ist; eine zweite Verarbeitungseinrichtung (160), ansprechend auf das für den Maschinenbetriebszustand indikative Signal, das mindestens eine für den mindestens einen thermischen Zustand der Rotoranordnung (40) repräsentative Signal und das mindestens eine für den mindestens einen thermischen Zustand des Gehäuses (44) ansprechenden Signals, zum Erzeugen eines Signals, welches indikativ für einen Unterschied zwischen einem Momentanspiel für den mindestens einen thermischen Zustand der Rotoranordnung (40) und den mindestens einen thermischen Zustand des Gehäuses (44) und einem Spiel (60) bei thermischen Dauerzustandsbedingungen für die Rotoranordnung (40) und das Gehäuse (44) für den Maschinenbetriebszustand ist; wobei die zweite Verarbeitungseinrichtung (160) ferner eine Einrichtung zum Liefern von mindestens einem Signal aufweist, welches repräsentativ für mindestens einen thermischem Expansionskoeffizienten den Rotoranordnung (40) ist, und mindestens eines Signals, welches repräsentativ für mindestens einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses (44) ist, und zum Erzeugen des Signals, welches indikativ für den Unterschied zwischen dem Momentanspiel und dem Dauerzustandsspiel ist, mit einem Wert, der als Funktion des mindestens einen für den mindestens einen thermischem Expansionskoeffizienten der Rotoranordnung (40) repräsentativen Signals und des mindestens einen für den mindestens einen thermischem Expansionskoeffizienten des Gehäuses (44) repräsentativen Signals bestimmt ist; und wobei die zweite Verarbeitungseinrichtung (160) ferner eine Einrichtung zum Bestimmen der thermischen Dauerzustandsexpansion der Rotoranordnung (40) als eine Funktion des für den Maschinenbetriebszustand indikativen Signals und des mindestens einen für den mindestens einen thermischen Expansionskoeffizienten der Rotoranordnung repräsentativen Signals, und eine Einrichtung zum Bestimmen der thermischen Dauerzustandsexpansion des Gehäuses (44) als eine Funktion des für den Maschinenbetriebszustand indikativen Signals und des mindestens einen für den mindestens einen thermischen Expansionskoeffizienten des Gehäuses (44) repräsentativen Signals aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens eines von dem mindestens einen für den mindestens einen thermischen Expansionskoeffizienten der Rotoranordnung repräsentativen Signals und dem mindestens einen für den mindestens einen thermischen Expansionskoeffizienten des Gehäuses (44) repräsentativen Signals unter Verwendung einer Nachschlagetabelle und/oder einer Gleichung erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das für den Maschinenbetriebszustand indikative Signal ein für eine Temperatur eines Arbeitsmediumgases für den Maschinenzustand indikatives Signal ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Verarbeitungseinrichtung (160) ferner eine Einrichtung zum Erzeugen des mindestens einen für den mindestens einen thermischen Zustand des Rotors (52) repräsentativen Signals mit einem Wert, der gleich dem des für den Maschinenbetriebszustand indikativen Signals ist, wenn die Rotoranordnung (40) beim thermischen Gleichgewicht für den Maschinenzustand ist, und eine Einrichtung aufweist zum Erzeugen des mindestens einen für den mindestens einen thermischen Zustand des Gehäuses (44) repräsentativen Signals mit einem Wert, der gleich dem für den Maschinenbetriebszustand indikativen Signals ist, wenn das Gehäuse (44) für bei thermischem Gleichgewicht den Maschinenzustand ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine für den mindestens einen thermischen Zustand der Rotoranordnung (40) repräsentative Signal ein für einen thermischen Zustand des Rotors (52) repräsentatives Signal und ein für einen thermischen Zustand der Laufschaufeln (54) repräsentatives Signal aufweist.
Verfahren zur Verwendung bei einer Gasturbinenmaschine (20) mit einer Rotoranordnung (40) und einem Gehäuse (44), wobei die Rotoranordnung (40) einen Rotor (52) und eine Mehrzahl von Laufschaufeln (54), die umfangsmäßig um den Rotor (52) beabstandet sind und daran angeschlossen sind, aufweist, wobei die Laufschaufeln (54) von dem Gehäuse (44) ein Spiel (60) weg beabstandet sind, wobei die Gasturbinenmaschine (20) einen Maschinenbetriebszustand hat und ein dafür indikatives Signal bereitgestellt wird, wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen in Reaktion auf das für den Maschinenbetriebszustand indikative Signal mindestens ein für mindestens einen thermischen Zustand der Rotoranordnung (40) repräsentatives Signal und mindestens ein für mindestens einen thermischen Zustand des Gehäuses (44) repräsentatives Signal; und Erzeugen eines für einen Unterschied zwischen einem Momentanspiel (60) für den mindestens einen thermischen Zustand der Rotoranordnung (40), die Laufschaufeln (54) und den mindestens einen thermischen Zustand des Gehäuses (44) und einem Spiel bei thermischen Dauerzustandsbedingungen für die Rotoranordnung (40) und das Gehäuse (44) für den Maschinenbetriebszustand indikativen Signals in Reaktion auf das auf den Maschinenbetriebszustand indikative Signal, das mindestens eine für den mindestens einen thermischen Zustand der Rotoranordnung (40) repräsentative Signal und das mindestens eine für den mindestens einen thermischen Zustand des Gehäuses (44) repräsentative Signal; Bereitstellen mindestens eines für mindestens einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Rotoranordnung (40) repräsentativen Signals und mindestens eines für mindestens einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses (44) repräsentativen Signals, und Erzeugen des für den Unterschied zwischen dem Momentanspiel und dem Dauerzustandsspiel indikativen Signals mit einem Wert, der als eine Funktion des mindestens einen für mindestens einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Rotoranordnung (40) repräsentativen Signals und des mindestens einen für mindestens einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses (44) repräsentativen Signals; und Bestimmen der thermischen Dauerzustandsexpansion der Rotoranordnung (40) als eine Funktion des für den Maschinenbetriebszustand indikativen Signals und des mindestens einen für den mindestens einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Rotoranordnung (40) repräsentativen Signals, und Bestimmen der thermischen Dauerzustandsexpansion des Gehäuses (44) als eine Funktion des für den Maschinenbetriebszustand indikativen Signals und des mindestens einen für den mindestens einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses (44) repräsentativen Signals.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei mindestens eines von den mindestens einen für den mindestens einen thermischen Expansionskoeffizienten der Rotoranordnung (40) repräsentativen Signals und dem mindestens einen für den mindestens einen thermischen Expansionskoeffizienten des Gehäuses (44) repräsentativen Signals unter Verwendung einer Nachschlagetabelle und/oder einer Gleichung generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das für den Maschinenbetriebszustand indikative Signal ein für die Temperatur eines Arbeitsmediumgases für den Maschinenzustand indikatives Signal ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, ferner aufweisend das Erzeugen des mindestens einen für den mindestens einen thermischen Zustand der Rotoranordnung repräsentativen Signals mit einem Wert, der gleich dem des für den Maschinenbetriebszustand indikativen Signals ist, wenn die Rotoranordnung (40) bei thermischem Gleichgewicht für den Maschinenbetriebszustand ist, und Erzeugen des mindestens einen für den mindestens einen thermischen Zustand des Gehäuses repräsentativen Signals mit einem Wert, der gleich dem des für den Maschinenbetriebszustand indikativen Signal ist, wenn das Gehäuse (44) im thermischen Gleichgewicht für den Maschinenzustand ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das mindestens eine für den mindestens einen thermischen Zustand der Rotoranordnung (40) repräsentative Signal ein für einen thermischen Zustand des Rotors (52) repräsentatives Signal und ein für einen thermischen Zustand der Laufschaufeln (54) repräsentatives Signal aufweist.