устройство для определения расстояния между рабочей лопаткой и окружающей рабочую лопатку стенкой машины для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию

Формула изобретения

1. Устройство для определения расстояния ( х) между, по меньшей мере, одной рабочей лопаткой (14) и окружающей, по меньшей мере, одну рабочую лопатку (14) стенкой (111) газовой турбины (10), которое имеет следующие элементы:

- волновод (40) для направления электромагнитных волн (31, 32) и излучения электромагнитных волн (31) через, по меньшей мере, одно обращенное к рабочей лопатке (14) отверстие (41) волновода в направлении рабочей лопатки (14),

- по меньшей мере, одно связанное с волноводом (40) средство (51) для ввода электромагнитных волн (31) в волновод (40),

- по меньшей мере, одно связанное с волноводом (40) средство (52) для приема отраженных составляющих (32) электромагнитных волн (31), вводимых в волновод (40), и

- блок (60) оценки для оценки принимаемых отраженных составляющих (32) вводимых электромагнитных волн (31), включающий в себя средство (61) для сравнения фазы вводимых электромагнитных волн (31) с фазой отраженных составляющих (32) вводимых электромагнитных волн (31), причем посредством блока оценки для каждой частоты может определяться значение сравнения фаз и из сравнения значений сравнения фаз может определяться расстояние ( х),

отличающееся тем, что

- волновод (40) выполнен из, по меньшей мере, двух сегментов волновода, которые выполнены из различных материалов, причем температурная стойкость и свойство ослабления для электромагнитных волн материалов, начиная от сегмента, который связан со средствами (51, 52) для ввода и приема, возрастают в направлении сегмента, имеющего отверстие (41) волновода.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что волновод (40) выполнен из трех сегментов.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сегмент, который связан со средствами (51, 52) ввода и приема, выполнен из металла с меньшей способностью ослабления, в частности из меди, серебра, золота или платины, а сегмент, имеющий отверстие (41) волновода, выполнен из жаропрочного сплава с высокой температурной стойкостью.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средний сегмент выполнен из высококачественной стали.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сегмент, который связан со средствами (51, 52) для ввода и приема, выполнен охлаждаемым с помощью жидкости или воздуха.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что волновод в переходной зоне двух следующих друг за другом сегментов снабжен покрытием из одного из обоих материалов сегментов.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сегмент, содержащий отверстие (41) волновода, выполнен как рупор.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электромагнитные волны (31a, 31b, 32a, 32b) являются миллиметровыми волнами, в частности, в частотном диапазоне от 70 ГГц до 150 ГГц.

9. Применение устройства по любому из предыдущих пунктов для определения расстояния ( х) между, по меньшей мере, одной рабочей лопаткой (14) и окружающей, по меньшей мере, одну рабочую лопатку (14) стенкой (111) газовой турбины (10).

10. Применение по п.9, отличающееся тем, что волновод (40) размещен в канале охлаждения стенки (111).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству для определения расстояния между, по меньшей мере, одной рабочей лопаткой и окружающей, по меньшей мере, одну рабочую лопатку стенкой газовой турбины, а также к применению способа. Соответствующее устройство для контроля радиального или осевого зазора в турбинах и соответствующее применение устройства следуют из DE 19705769 А1.

Машины для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию, как, например, паровые или газовые турбины используются в технике в качестве тепловых двигателей для того, чтобы накопленную в газовом потоке энергию переводить в механическую энергию, в частности во вращательное движение. Чтобы обеспечить надежную работу подобных машин для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию, стремятся, особенно во время работы и, следовательно, во время вращения рабочего колеса, установленного в машине для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию, к тому, чтобы непрерывно контролировать рабочие лопатки рабочего колеса. При этом очень важно точное поддержание расстояния от вершин рабочих лопаток, то есть радиально самых крайних кромок рабочих лопаток до стенки, окружающей рабочие лопатки (радиальный зазор). По соображениям надежности радиальный зазор не должен снижаться ниже минимального радиального зазора; однако слишком большой радиальный зазор приводит к излишне низкому коэффициенту полезного действия. Наряду с радиальным зазором, особенно в случае рабочих колес, в которых ряды лопаток облицованы лопаточным бандажом, осевое расстояние до участков стенки является важным. Так как эти параметры изменяются из-за различных динамических факторов влияния, стремятся к непрерывному контролю радиального зазора и осевого зазора во время работы. Величина радиального зазора может, например, контролироваться с помощью емкостных зондов, которые позиционируются вплоть до касания вблизи вершин лопаток. Этим зондам, однако, свойственны ограничения по точности, разрешению по местоположению и сроку службы.

В DE 19705769 А1 предложено устройство для контроля радиального зазора и осевого зазора в машине для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию. При этом применяется радиолокационная система, которая содержит блок передачи и приема, от которого электромагнитные волны с постоянной частотой направляются по волноводу на рабочее колесо машины для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию. При этом волновод проходит через корпус, который окружает рабочее колесо и там закрепляется. Раскрыв волновода размещен очень близко над вершинами рабочих лопаток рабочего колеса, так что из отражения излученных электромагнитных волн можно определить, на каком расстоянии находится вершина рабочей лопатки от конца волновода и, тем самым, от стенки, окружающей рабочую лопатку. Определение осуществляется посредством оценки фазы отраженных электромагнитных волн. Определение расстояния осуществляется тем, что определяется разность фаз между излученными и отраженными микроволнами.

В зоне рабочего колеса внутри корпуса, особенно в газовых турбинах, в процессе работы могут иметь место экстремальные тепловые условия. В газовых турбинах в их проточном канале, как правило, возникают температуры порядка 1200°С. Эти экстремальные температуры предъявляют особые требования к состоянию волновода, который, с одной стороны, должен изготавливаться термостойким, а с другой стороны, для направляемых электромагнитных волн должен проявлять незначительное свойство минимального ослабления. Устойчивые к высоким температурам материалы, например жаропрочные сплавы, отличаются, как правило, тем, что они проявляют свойство очень высокого ослабления для направляемых электромагнитных волн, в то время как материалы с более низкой способностью ослабления, как, например, медь, при высоких температурах названного уровня являются нестойкими.

В основе изобретения лежит задача предложить соответствующее устройство и применение устройства, при которых волновод может направлять электромагнитные волны с по возможности низким ослаблением и к тому же является устойчивым по отношению к высоким температурам.

Для решения этой задачи предложено устройство соответственно признакам независимого пункта 1 формулы изобретения.

В соответствии с этим устройство для определения расстояния между, по меньшей мере, одной рабочей лопаткой и окружающей, по меньшей мере, одну рабочую лопатку стенкой газовой турбины имеет следующие элементы:

- волновод для направления электромагнитных волн и излучения электромагнитных волн через, по меньшей мере, одно обращенное к рабочей лопатке отверстие волновода в направлении рабочей лопатки,

- по меньшей мере, одно связанное с волноводом средство для ввода электромагнитных волн в волновод,

- по меньшей мере, одно связанное с волноводом средство для приема отраженных составляющих электромагнитных волн, вводимых в волновод,

- блок оценки для оценки принимаемых отраженных составляющих вводимых электромагнитных волн, включающий в себя средство для сравнения фазы вводимых электромагнитных волн с фазой отраженных составляющих вводимых электромагнитных волн, причем посредством блока оценки для каждой частоты может определяться значение сравнения фаз и из сравнения значений сравнений фаз может определяться расстояние,

должно быть выполнено таким образом, что

- волновод выполнен из, по меньшей мере, двух сегментов волновода, которые выполнены из различных материалов, причем температурная стойкость и свойство ослабления для электромагнитных волн материалов, начиная от сегмента, который связан со средствами для ввода и приема, возрастают в направлении сегмента, имеющего отверстие волновода.

В основе изобретения лежит идея о том, что температура волновода, начиная от отверстия волновода, снижается в направлении средств для ввода и приема. Чтобы гарантировать по возможности оптимальное, эффективное направление электромагнитных волн в волноводе, в предложенном изобретении этот профиль снижения температуры в первом приближении отображается на волновод, так что в соответствии с изобретением волновод, согласно требованиям к температурной стойкости и свойству ослабления, составлен из сегментов различных материалов с, соответственно, другим свойством ослабления и, соответственно, другой температурной стойкостью.

Предпочтительные варианты выполнения соответствующего изобретению устройства вытекают из зависимых пунктов, подчиненных пункту 1. При этом форма выполнения по пункту 1 может комбинироваться с признаками одного из подчиненных зависимых пунктов или, предпочтительно, с признаками из нескольких зависимых пунктов. В соответствии с этим устройство, соответствующее изобретению, дополнительно может иметь следующие признаки:

- Так волновод может быть выполнен из трех сегментов. Тем самым достигается улучшенное согласование с температурным профилем, имеющим место в волноводе при работе газовой турбины.

- Предпочтительным образом сегмент, который связан со средствами ввода и приема, может быть выполнен из металла с меньшей способностью ослабления, в частности элемента группы 11 или платины, а сегмент волновода, имеющий отверстие волновода, может быть выполнен из жаропрочного сплава с высокой температурной стойкостью.

Медь, серебро и золото, в качестве элементов группы 11, проявляют очень высокую электропроводность, которая отражается на очень низкой способности ослабления при направлении электромагнитных волн. Поэтому возможно сегмент волновода, который выполнен из элемента группы 11 или платины или, по меньшей мере, снабжен внутренним покрытием из элемента группы 11 или платины, настолько удлинить, чтобы примыкающие к этому сегменту средства для ввода и приема могли размещаться на безопасном удалении от стенки газовой турбины.

Термином «жаропрочный сплав» обозначаются сплавы сложного состава для высокотемпературных применений. При этом речь идет о сплавах на основе железа, никеля или кобальта с добавками элементов кобальта, никеля, железа, хрома, молибдена, вольфрама, рения, рутения, тантала, ниобия, алюминия, титана, марганца, циркония, углерода и/или бора. При температурной стойкости выше 1200°С подобный сегмент волновода выдерживает высокие температуры, которые имеют место в проточном канале и, тем самым, на обращенной к проточному каналу стороне стенки в процессе работы газовой турбины.

- Предпочтительным образом средний сегмент может быть выполнен из высококачественной стали. Тем самым гарантируется, что такой сегмент является коррозионностойким. Температурная стойкость и способность ослабления для высококачественной стали находятся в диапазоне между жаропрочным сплавом и элементом группы 11.

- Может быть благоприятным, если сегмент, который связан со средствами для ввода и приема, выполнен охлаждаемым с помощью жидкости или воздуха. Тем самым этот сегмент можно внедрить глубже в стенку в направлении проточного канала. Температурных повреждений можно при этом избежать за счет охлаждения. В качестве охлаждающей жидкости может применяться, например, вода.

- Предпочтительным образом волновод в переходной зоне двух следующих друг за другом сегментов может быть снабжен покрытием из одного из обоих материалов сегментов. Тем самым можно избежать отражений электромагнитных волн на граничных поверхностях переходной зоны между двумя сегментами и улучшить свойство направленности волновода.

- Может быть предпочтительным, если сегмент, содержащий отверстие волновода, выполнен как рупор. Тем самым обеспечивается то, что электромагнитные волны выходят из волновода с характеристикой излучения, определенной рупором, и отраженные составляющие излученных электромагнитных волн могут вновь приниматься с более высоким выходом, так как выход при приеме определяется диаметром рупора на конце волновода. Сегмент, имеющий отверстие волновода, при этом замыкается заподлицо с внутренней поверхностью, обращенной к проточному каналу. Но он также может размещаться со смещением назад в отверстии в стенке, чтобы сегмент не подвергать действию прямого газового тока в проточном канале.

- Благоприятным образом, электромагнитные волны могут быть миллиметровыми волнами, в частности в частотном диапазоне от 70 ГГц до 150 ГГц. Так как длины волны при этих частотах составляют примерно 4 миллиметра и менее, тем самым могут использоваться очень компактные волноводы, размеры поперечного сечения которых в типовом случае должны выбираться порядка величины направляемых длин волн.

Изобретение также относится к применению соответствующего изобретению устройства для определения расстояния между, по меньшей мере, одной рабочей лопаткой и окружающей, по меньшей мере, одну рабочую лопатку стенкой газовой турбины.

- При этом волновод может предпочтительным образом размещаться в канале охлаждения стенки. Тем самым для установки соответствующего изобретению устройства может использоваться один из множества каналов охлаждения, уже предусмотренных в стенке для охлаждения.

Предпочтительные, однако никоим образом не ограничивающие примеры выполнения изобретения поясняются ниже более подробно со ссылками на чертежи. Для наглядности чертежи приведены не в масштабе, и некоторые признаки показаны в схематичном изображении. В частности, на чертежах показано следующее:

Фиг.1 - газовая турбина, соответствующая уровню техники, с частичным вырезом, в пространственном представлении,

Фиг.2 - рабочая лопатка газовой турбины на фиг.1;

Фиг.3 - схематичное представление соответствующего изобретению устройства с тремя сегментами волновода и

Фиг.4 - схематичное представление соответствующего изобретению устройства с двумя сегментами волновода.

Соответствующие друг другу элементы на фиг.1-4 обозначены одинаковыми ссылочными позициями.

На фиг.1 показана газовая турбина 10, соответствующая уровню техники, которая спроектирована для высоких температур входных газов около 1200°. В корпусе 11 с внутренней стенкой 111 газовая турбина 10 имеет вал 12 ротора, установленный с возможностью вращения, на котором установлены рабочие лопатки 14 в проточном канале 13.

На фиг.2 более детально показана такая рабочая лопатка 14 в демонтированном состоянии. Верхний конец рабочей лопатки 14, так называемая вершина 141 рабочей лопатки в смонтированном состоянии, обращен к внутренней стенке 111 корпуса 11 газовой турбины.

На фиг.3 показано схематичное представление соответствующего изобретению устройства в первом примере выполнения. Ради простоты схематично показана только часть рабочей лопатки 14. Стрелкой 142 обозначено, что рабочая лопатка 14 во время измерения расстояния при работе газовой турбины 10 движется в направлении стрелки 142. Движение в направлении стрелки может приближенно рассматриваться как линейное движение в поперечном направлении z. Вершина 141 рабочей лопатки размещена на радиальном расстоянии х от внутренней стенки 111 корпуса 11 газовой турбины. Чтобы обеспечить по возможности хороший коэффициент полезного действия газовой турбины 10, расстояние х между концами рабочих лопаток 14, то есть вершинами 141 рабочих лопаток и внутренней стенкой 111 корпуса 11 газовой турбины, выбрано по возможности малым и в типовом случае лежит в диапазоне нескольких миллиметров, в частности от 1 мм до 20 мм. Стенка 111 имеет, по меньшей мере, одно отверстие, в котором установлен с геометрическим замыканием волновод 40 для направления электромагнитных волн 31, 32. Предпочтительным образом волновод 40 размещен в одном из многочисленных, уже имеющихся в стенке 111 каналов охлаждения. Волновод 40 выполнен в форме трубы и имеет, например, круговое или прямоугольное поперечное сечение с внутренним диаметром d в диапазоне от 2 до 10 мм.

При работе газовой турбины 10 в проточном канале 13 имеет место температура примерно 1200°С. Обращенная к проточному каналу 13 поверхность 112 стенки 111 имеет, таким образом, также эту высокую температуру, которая, однако, в направлении противолежащей поверхности 113 стенки 111 через стенку 111 снижается. Температурный профиль 91 для примера представлен на диаграмме 90. В качестве ординаты приведена температура Т, в то время как абсцисса указывает пройденный путь в направлении х через стенку 111. Температура, согласно диаграмме 90, постоянно снижается от 1200°С на внутренней поверхности 112 стенки 111 до примерно 200°С на внешней поверхности 113 стенки, причем в середине между обеими поверхностями 112, 113 имеет место температура порядка 600°С.

Волновод 40 вдоль своей продольной оси, которая здесь указывает в направлении х, выполнена из нескольких, согласно фиг.3, для примера, из трех сегментов 42а, 42b, 42с. Их материалы согласно изобретению выбраны в зависимости от профиля 91 температуры, чтобы обеспечить высокую температурную стойкость при одновременно оптимальных свойствах волновода по всей длине волновода 40.

Так имеющий отверстие 41 волновода сегмент 42а в зоне внутренней поверхности 112 стенки 111 выполнен из жаропрочного сплава. В качестве материала для этого сегмента 42а особенно подходят Inconel (марка фирмы Special Metal Corporation, США) PM 1000 (марка фирмы Plansee GmbH , Германия). При этом для ближайшего к проточному каналу 13 сегмента 42а важное значение имеет, главным образом, хорошая температурная стойкость при экстремальных температурах в диапазоне 1200°С. Способность ослабления играет на этом участке волновода подчиненную роль. Дополнительно, для лучшей характеристики излучения и приема волновода 40, сегмент 42а, имеющий отверстие 41 волновода, выполнен как рупор.

Сегмент 42с волновода 40 в зоне внешней поверхности 112 стенки 111 и связанный с блоком 50 передачи/приема подвергается действию относительно невысокой температуры. Поэтому температурная стойкость на этом участке волновода 40 играет подчиненную роль. Первоочередным здесь является обеспечить хорошую проводимость волн волновода 40 и тем самым низкое свойство ослабления сегмента 42с для электромагнитных волн 31, 32, направляемых в волноводе 40. Это в соответствии с изобретением достигается тем, что сегмент 42с, связанный с 50 блоком передачи/приема, выполнен из элемента группы 11 или из платины. В качестве альтернативы этот сегмент 42с может также выполняться из высококачественной стали, причем внутренняя плоскость 43 волновода 40, которая ответственна за направление электромагнитных волн 31, 32, снабжена покрытием из элемента группы 11 или платины. Сегмент 42с и, тем самым, волновод 40 можно при этом настолько удлинить, чтобы подключенный к этому сегменту 42с блок 50 передачи/приема мог находиться на безопасном расстоянии от стенки 111 газовой турбины 10.

Промежуточный сегмент 42b, расположенный между обоими вышеупомянутыми сегментами 42а, 42с, предпочтительным образом выполнен из высококачественной стали. Сегмент 42b является, таким образом, коррозионностойким и имеет достаточную температурную стойкость в температурном диапазоне около 600°С. Температурная стойкость и способность ослабления для высококачественной стали лежат в диапазоне между жаропрочным сплавом и элементом группы 11. Если сегмент 42а, имеющий отверстие 41 волновода, изготовлен, например, из PM 1000 , то промежуточный сегмент 42b может альтернативно быть изготовлен из Inconel .

Переходная зона двух следующих друг за другом сегментов 42a, 42b или 42b, 42c во внутренней области волновода 40, ведущего электромагнитные волны 31, 32, может быть покрыта материалом, из которого изготовлен один из обоих сегментов 42a, 42b или 42b, 42c. С помощью подобного покрытия переходной зоны внутренней поверхности 43 выгодным образом можно избежать отражения электромагнитных волн 31, 32 на граничных поверхностях переходной зоны между двумя сегментами 42a, 42b или 42b, 42c, так что направляющее свойство волновода 40 в целом улучшается.

Более детально определение расстояния осуществляется следующим образом.

Блок 50 передачи/приема, который содержит средства для ввода 51 и приема 52 электромагнитных волн 31, 32, в частности в частотном диапазоне от 70 ГГц до 150 ГГц, вводит с помощью средства 51 ввода, которое связано с волноводом 40, электромагнитные волны 31, например с частотой a, в волновод 40. Электромагнитные волны 31 затем через отверстие 41 волновода излучаются в направлении рабочей лопатки 14. После прохождения расстояния х, по меньшей мере, составляющая 32 излученных электромагнитных волн 31 отражается от вершин 141 рабочих лопаток к волноводу 40 и затем подается по волноводу 40 к блоку 50 передачи/приема. Посредством, например, приемного диода в качестве средства 52 для приема электромагнитных волн отраженная составляющая 32 излученных электромагнитных волн 31 детектируется и преобразуется в соответствующие электрические сигналы, которые подаются на блок 60 оценки. Посредством блока 60 оценки из электрических сигналов сначала определяется значение фазы _ra электромагнитных волн 32, соответствующих частотам a. Затем с помощью средства 61 сравнения фаз фаза ₀a излученных электромагнитных волн 31 сравнивается с фазой _ra отраженных составляющих 32 излученных электромагнитных волн 31. Значение сравнения фаз a, которое определяется, например, посредством значения разности фаз a= _ra- ₀а при этом непосредственно зависит от расстояния, пройденного электромагнитными волнами 31 от средства 51 ввода. Полученное таким образом значение сравнения a затем, с помощью средства 62 установления соответствия, соотносится с измеренным значением М для расстояния х между вершиной 141 рабочей лопатки и стенкой 111. Это установление соответствия может осуществляться, например, с помощью таблицы значений или подходящего алгоритма.

Определенное измеренное значение М для расстояния х для, по меньшей мере, одной рабочей лопатки 14 передается через не показанные на чертеже блоки индикации и оповещения на пункт контроля или на центральный пульт управления.

Блок 60 оценки может также быть снабжен функцией сравнения, с помощью которой можно установить спадание ниже предварительно заданного порогового значения расстояния. Так можно, например, при снижении ниже порогового значения автоматически выдать оповещение, чтобы ввести подходящие защитные меры, например отключение газовой турбины 10.

На фиг.4 схематично представлен другой пример выполнения соответствующего изобретению устройства. Он во многом соответствует примеру выполнения по фиг.3. В нижеследующем описании будут представлены только отличия.

Волновод 40, согласно фиг.4, имеет только два сегмента 42а, 42с. Приведенный на фиг.3 промежуточный сегмент 42b отсутствует. Сегмент 42а, имеющий отверстие 41 волновода, при этом не замыкается заподлицо с внутренней поверхностью 112 стенки 111, а смещен назад в направлении х, чтобы не подвергаться непосредственному воздействию температур в проточном канале 13. В качестве материала для сегмента 42а особенно хорошо подходит и здесь жаропрочный сплав, в частности, Inconel . Сегмент 42с, связанный с 50 блоком передачи/приема, как описано выше, выполнен из элемента группы 11 или из платины, или, в качестве альтернативы, из высококачественной стали, причем внутренняя поверхность 43 волновода 40 снабжена покрытием из элемента группы 11 или платины. Так как сегмент 42с, связанный с блоком 50 передачи/приема, достигает до середины между обеими поверхностями 112, 113 стенки 111, то, по меньшей мере, этот сегмент 42с снабжен устройством охлаждения. Для этого сегмент 42с имеет каналы (на фиг.4 не изображены) для подачи жидкого или газообразного средства охлаждения, например воды или воздуха. Средство охлаждения может подаваться через размещенные над сегментом 42с впускной патрубок 80 и выпускной патрубок 81 по каналам охлаждения. Стрелки 802, 811 указывают при этом на впуск и выпуск охлаждающего средства. Тем самым гарантируется, что сегмент 42с, связанный с блоком 50 передачи/приема, в средней зоне стенки 111 защищен от повреждения, обусловленного температурой.

Заявленное изобретение не ограничивается представленными примерами выполнения. Также в объем защиты входит то, что также несколько волноводов 40 предусматриваются для излучения и/или приема, чтобы, например, реализовать избыточность измерения или достичь более высокой точности.