CH701143A2

CH701143A2 - Gasturbine mit einem Abstandsregelungssystem.

Info

Publication number: CH701143A2
Application number: CH00773/10A
Authority: CH
Inventors: Martel Alexander Mccallum
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2010-11-30
Also published as: CH701143B1; CN101892875B; JP2010270755A; CN101892875A; DE102010016890A1; US20100296911A1; JP5583473B2; US8177483B2

Abstract

Eine Gasturbine mit einem aktiven Abstandsregelungssystem enthält mehrere in Umfangsrichtung um eine Gehäusestruktur (24), die eine sich drehende Rotorkomponente umgibt, in Abstand angeordnete Stellglieder (30). Die Stellglieder sind dafür konfiguriert, die Gehäusestruktur in Bezug auf den Rotor exzentrisch zu verschieben. Mehrere Sensoren (32) sind in Umfangsrichtung um die Gehäusestruktur (24) in Abstand angeordnet, um einen Parameter zu detektieren, der eine Exzentrizität zwischen dem Rotor und der Gehäusestruktur anzeigt. Ein Regelungssystem in Verbindung mit den mehreren Sensoren und den mehreren Stellgliedern ist dafür konfiguriert, die mehreren Stellglieder zu steuern, um die Gehäusestruktur exzentrisch zum Kompensieren von zwischen dem Rotor und den detektierten Exzentrizitäten zu verschieben.

Description

Gebiet der Erfindung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Rotationsmaschinen, wie z.B. Gasturbinen, und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Messen und Regeln des Abstands zwischen dem Rotor und einer umgebenden Gehäusestruktur.

Hintergrund der Erfindung

[0002] Rotierende Maschinen, wie z.B. Gasturbinen, haben Teilabschnitte, welche üblicherweise als Rotoren bezeichnet werden, die in stationären Gehäusekomponenten, wie z.B. einem Mantelring, rotieren. Es müssen Abstandsdimensionen zwischen dem Rotor und dem Mantelring eingehalten werden, um Berührungen zwischen den Komponenten zu verhindern. Dieses ist ein spezielles Problem in Gasturbinen.

[0003] Eine Gasturbine nutzt von einer Brennkammer ausgehende heisse Gase zum Drehen eines Rotors, welcher typischerweise mehrere in Umfangsrichtung in Abstand um eine Welle angeordnete Rotorschaufeln enthält. Die Rotorwelle ist mit einem Verdichter, um der Brennkammer verdichtete Luft zuzuführen und in einigen Ausführungen mit einem elektrischen Generator verbunden, um die mechanische Energie des Rotors in elektrische Energie umzuwandeln. Die (manchmal als "Laufschaufeln") bezeichneten Rotorschaufeln sind üblicherweise in Stufen entlang der Welle vorgesehen und rotieren in einer Gehäusekonfiguration, welche ein Aussengehäuse und ein Innengehäuse oder einen Mantelring für jede entsprechende Stufe enthalten kann. Sobald die heissen Gase auf die Schaufeln auftreffen, dreht sich die Welle.

[0004] Die Distanz zwischen den Spitzen der Schaufel und dem Mantelring wird als "Abstand" bezeichnet. Wenn der Abstand zunimmt, nimmt der Wirkungsgrad der Turbine ab, da heisse Gase durch den Abstand entweichen. Daher sollte der Abstand zwischen den Schaufelspitzen und dem Mantelring zur Maximierung des Wirkungsgrades der Turbine minimiert werden. Andererseits können, wenn der Betrag des Abstands zu klein ist, dann die thermische Ausdehnung und Schrumpfung der Schaufel, des Mantelrings und weiterer Komponenten ein Reiben der Schaufeln an dem Mantelring bewirken, was zu einem Schaden an den Schaufeln, dem Mantelring und der Turbine insgesamt führen kann. Es ist daher wichtig, einen minimalen Abstand während einer Vielfalt von Betriebsbedingungen einzuhalten.

[0005] Es sind Verfahren und Systeme bekannt, die versuchen, einen genauen Abstand einzuhalten, indem sie Nebenstromluft aus dem Verdichter um das Gehäuse herumführen, um die Wärmeausdehnung des Gehäuses während des Betriebs der Turbine zu verringern. Beispielsweise beschreibt das U.S. Patent Nr. 6 126 390 ein Erwärmungs/Kühl-System, in welchem der Luftstrom zu dem Turbinengehäuse aus dem Verdichter oder der Brennkammer abhängig von der Temperatur der ankommenden Luft dosiert wird, um somit die Kühlrate des Turbinengehäuses zu steuern oder sogar das Gehäuse zu erwärmen.

[0006] Die herkömmlichen passiven Luftkühlsysteme setzen jedoch eine gleichmässige Umfangsausdehnung des Rotors und/oder Mantelrings voraus und können keine Exzentrizitäten berücksichtigen, die sich zwischen dem Rotor und dem Mantelring entwickeln oder in diesen inhärent vorhanden sind. Exzentrizitäten können sich als eine Folge von Herstellungs- oder Montagetoleranzen oder während des Betriebs der Turbine als Folge von Lagerölauftrieb, Wärmeausdehnung von tragenden Strukturen, Schwingungen, ungleichmässiger thermischer Ausdehnung der Turbinenkomponenten, Gehäuseschlupf, Schwerkraftdurchhängung usw. entwickeln. Vorab bekannte Exzentrizitäten müssen in der Auslegung berücksichtigt werden, und somit begrenzen diese Exzentrizitäten den Betrag des minimalen Auslegungsabstands, der ohne Reibvorgang zwischen den Schaufeln und Mänteln erzielt werden kann.

Der herkömmliche Lösungsweg für dieses Problem bestand in der Ausführung statischer Einstellungen in einer relativen Position der Komponenten während des kalten Zusammenbaus, um Exzentrizitätszustände im heissen Betrieb zu kompensieren. Dieses Verfahren kann jedoch die Schwankungen in Exzentrizitäten, die sich während der Betriebslebensdauer der Turbine entwickeln, nicht genau berücksichtigen.

[0007] Somit werden ein aktives Ausrichtungs-Regelungssystem und Verfahren benötigt, um Exzentrizitäten genau zu detektieren und zu berücksichtigen, die sich zwischen Turbinenkomponenten über einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen entwickeln.

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0008] Die vorliegende Erfindung stellt ein aktives Ausrichtungs-Regelungssystem und ein Verfahren bereit, die sich mit den Nachteilen herkömmlicher Regelungssysteme befassen. Zusätzliche Aspekte und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der nachstehenden Beschreibung behandelt oder können aus der Beschreibung ersichtlich sein oder können durch die praktische Ausführung der Erfindung erkannt werden.

[0009] In einer speziellen Ausführungsform einer Gasturbine mit einem Ausrichtungs-Regelungssystem ist ein Rotor mit wenigstens einer Stufe mit Rotorschaufeln enthalten. Der Rotor ist in einer Gehäusestruktur untergebracht, welche ein Aussengehäuse und ein Innengehäuse oder einen jeder Stufe der Rotorschaufeln zugeordneten Mantelring enthält. Mehrere Stellglieder sind in Umfangsrichtung um den Mantelring herum in Abstand angeordnet und verbinden den Mantelring mit dem Aussengehäuse. Beispielsweise können vier Stellglieder in Umfangsrichtung in 90 Grad Abstand um den Mantelring herum angeordnet sein. Die Stellglieder sind dafür konfiguriert, den Mantelring in Bezug auf das Aussengehäuse (und somit in Bezug auf den Rotor) exzentrisch zu verschieben.

Mehrere Sensoren sind in Umfangsrichtung in Abstand um den Mantelring herum angeordnet und dafür konfiguriert, einen Parameter, der eine Exzentrizität zwischen dem Rotor und dem Mantelring anzeigt, wie z.B. den Schaufelspitzenabstand zwischen den Rotorschaufeln und dem Mantelring, zu detektieren oder zu messen, sobald sich der Rotor in dem Mantelring dreht. Ein Regelungssystem ist in Verbindung mit den Sensoren und Stellgliedern konfiguriert und steuert die Stellglieder, um den Mantelring exzentrisch zum Kompensieren von Exzentrizitäten zu verschieben, die in dem Rotor durch die Sensoren detektiert werden. In einer speziellen Ausführungsform kann das Regelungssystem ein Regelungssystem mit geschlossener Rückkopplungsschleife.

[0010] Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Abstandsregelung in einer Gasturbine, in welcher ein Rotor mit wenigstens einer Stufe mit in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Rotorschaufeln in einer Gehäusestruktur mit einem Aussengehäuse und einem Innenmantelring rotiert. Im Betrieb der Gasturbine wird ein eine Exzentrizität anzeigender Parameter, wie z.B. der Schaufelspitzenabstand, zwischen den Rotorschaufeln und dem Mantelring durch aktive oder passive Mittel an mehreren Stellen um den Mantelring herum gemessen, um alle Exzentrizitäten zwischen dem Rotor und dem Mantelring zu detektieren.

In Reaktion auf alle detektierten Exzentrizitäten enthält das Verfahren den Schritt einer exzentrischen Verschiebung des Mantelrings in Bezug auf das Aussengehäuse (und somit in Bezug auf den Rotor), um die detektierte Exzentrizität zu kompensieren, sobald der Rotor in dem Mantelring rotiert.

[0011] Die Erfindung umfasst auch ein Rotor/Gehäuse-Ausrichtungssystem, das für Rotationsmaschinen im Allgemeinen relevant ist. Dieses System beinhaltet einen Rotor, der in einer Gehäusestruktur rotiert, welche ein Aussengehäuse und ein Innengehäuse enthält. Mehrere Stellglieder sind in Ümfangsrichtung in Abstand um das Innengehäuse herum angeordnet und verbinden das Innengehäuse mit dem Aussengehäuse. Die Stellglieder sind dafür konfiguriert, exzentrisch das Innengehäuse in Bezug auf das Aussengehäuse (und somit in Bezug auf den Rotor) zu verschieben. Mehrere Sensoren sind in Umfangsrichtung in Abstand um das Innengehäuse herum angeordnet und dafür konfiguriert, einen Parameter zu detektieren, der eine Exzentrizität, wie z.B. den Abstand zwischen dem Rotor und dem Innengehäuse zu detektieren, sobald sich der Rotor in dem Innengehäuse dreht.

Ein Regelungssystem steht mit den mehreren Sensoren und den mehreren Stellgliedern in Verbindung und ist dafür konfiguriert, die mehreren Stellglieder zu steuern, um das Innengehäuse zum Kompensieren von zwischen dem Rotor und dem Innengehäuse detektierten Exzentrizitäten exzentrisch zu verschieben.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0012]
<tb>Fig. 1<sep>ist eine schematische Darstellung einer exemplarischen Rotationsmaschine, insbesondere einer Gasturbine;

<tb>Fig. 2A<sep>ist eine zeichnerische Querschnittsansicht, die eine im Wesentlichen gleichmässige konzentrische Beziehung zwischen einem Rotor und einem Mantelring einer Rotationsmaschine, wie z.B. einer Gasturbine, darstellt;

<tb>Fig. 2B<sep>ist eine zeichnerische Querschnittsansicht, die eine exzentrische Beziehung zwischen einem Rotor und einem Mantelring einer Rotationsmaschine, wie z.B. einer Gasturbine, darstellt;

<tb>Fig. 3<sep>ist eine zeichnerische Querschnittsansicht einer Gasturbine, die Sensoren und Stellglieder enthält, um Exzentrizitäten zwischen dem Rotor und dem Mantelring zu kompensieren;

<tb>Fig. 4<sep>ist eine exemplarische Ansicht eines Regelungssystems; und

<tb>Fig. 5<sep>ist ein Flussdiagramm einer Verfahrens-Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

[0013] Es wird nun Bezug auf spezielle Ausführungsformen der Erfindung genommen, wovon eines oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen dargestellt sind. Jede Ausführungsform wird in Rahmen einer Erläuterung von Aspekten der Erfindung dargestellt und darf nicht als eine Einschränkung der Erfindung angesehen werden. Beispielsweise können unter Bezugnahme auf eine Ausführungsform dargestellte oder beschriebene Merkmale mit einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu ergeben. Die vorliegende Erfindung soll alle diese und weitere Modifikationen oder Varianten beinhalten, die an den hierin beschriebenen Ausführungsformen ausgeführt werden.

[0014] Fig. 1 stellt eine exemplarische Ausführungsform einer herkömmlichen Rotationsmaschine, wie z.B. einer Gasturbine 10 dar. Die Gasturbine 10 enthält einen Verdichter 12, eine Brennkammer 14 und eine Turbine 16. Der Verdichter 12 ist mit der Turbine 16 über eine Turbinenwelle 18 verbunden, welche wiederum mit einem elektrischen Generator 20 verbunden sein kann. Die Turbine 16 enthält Turbinenstufen 22, ein entsprechendes Innengehäuse oder einen Mantelring 24 (welche aus einer üblichen Einzelgehäusestruktur oder einzelnen Ringen bestehen können) und eine Aussengehäusestruktur 26. Jede Turbinenstufe 22 enthält mehrere Turbinenschaufeln 23.

[0015] Aspekte der vorliegenden Erfindung werden hierin unter Bezugnahme auf eine Gasturbinenkonfiguration beschrieben. Es dürfte jedoch erkennbar sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf Gasturbinen beschränkt ist und auf Rotationsmaschinen im Allgemeinen angewendet werden kann, in welchen es erwünscht ist, Exzentrizitäten zwischen einem Rotor und einer umgebenden Gehäusestruktur zu detektieren und zu kompensieren.

[0016] Aufbau und Betrieb von herkömmlichen Gasturbinenkonfigurationen sind dem Fachmann auf dem Gebiet allgemein bekannt und deren detaillierte Erläuterung ist für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich. Auch die vereinfachte Turbine 10 in Fig. 1ist lediglich für einen Typ einer geeigneten Turbine oder anderen Rotationsmaschinenkonfiguration repräsentativ, und es dürfte erkennbar sein, dass das vorliegende System und Verfahren bei verschiedenen Turbinenkonfigurationen brauchbar und nicht auf irgendeinen speziellen Typ einer Gasturbine oder anderen Rotationsmaschine beschränkt ist.

[0017] Fig. 2A ist eine schematische Ansicht, die eine Turbinenstufe 22 mit einzelnen Schaufeln oder Laufschaufeln 23 darstellt, die auf einer Rotorwelle 18 befestigt sind. Die Turbinenstufe 22 dreht sich in einem Innenmantelring 24 (einer für alle Turbinenstufen üblichen einteiligen Innengehäusestruktur, oder einzelnen Mantelringen), welcher konzentrisch in einem Aussengehäuse 28 der Gehäusestruktur 26 angeordnet ist. Ein idealer Schaufelspitzenabstand 34 ist zwischen den Spitzen der rotierenden Schaufeln 23 und dem Innenmantelring 24 erwünscht. Dieser Abstand 334 ist in Fig. 2A für Darstellungszwecke stark übertrieben dargestellt.

[0018] Wie in Fig. 2B dargestellt, können sich Exzentrizitäten zwischen der Turbinenstufe 22 und dem Innenmantelring 24 entwickeln. Diese Exzentrizitäten können das Resultat einer beliebigen Kombination von Faktoren, wie z.B. Herstellungs- oder Montagetoleranzen, Lagerausrichtung, Lagerölauftrieb, Wärmeausdehnung von tragenden Strukturen, Schwingungen, ungleichmässige Wärmeausdehnung der Turbinenkomponenten, Gehäuseschlupf, Schwerkraftdurchhängung usw. sein. Die exzentrische Beziehung kann zu einem Turbinenschaufelabstand 34 führen, der wie in Fig. 2B dargestellt, in seiner Art exzentrisch ist. Die Exzentrizität kann zu einem Turbinenschaufelabstand führen, der unterhalb einer minimalen zulässigen Spezifikation liegt, und welcher zu einem Reiben zwischen den Spitzen der Schaufeln 23 und dem Innenmantelring 24 führen kann.

Zusätzlich kann die Exzentrizität zu einem Schaufelspitzenabstand führen, der eine Auslegungsspezifikation überschreitet, was zu signifikanten Rotorverlusten führen kann.

[0019] Fig. 2A und 2B stellen Stellglieder 30 dar, die dazu dienen, den Innenmantelring 24 mit dem Aussengehäuse 28 der Gehäusestruktur 26 zu verbinden. Wie nachstehend detaillierter diskutiert, stellen diese Stellglieder 30 auch Mittel bereit, um im Wesentlichen sofort detektierte Exzentrizitäten zwischen der Turbinenstufe 22 und dem Mantelring 24 zu kompensieren.

[0020] Insbesondere sind gemäss den Fig. 3und 4mehrere Stellglieder 30 in Umfangsrichtung um den Innenmantelring 24 herum in Abstand angeordnet. Die Anzahl und Position von Stellgliedern 30 kann variieren, aber erwünschterweise ermöglichen die Stellglieder 30 eine Kompensation der gesamten detektierten Exzentrizität um den gesamten Umfang zwischen der Turbinenstufe 22 und dem Innenmantelring 24. Die Stellglieder 30 sind dafür konfiguriert, exzentrisch den Mantelring 24 in Bezug auf das Aussengehäuse 28 zu verschieben. Die Stellglieder 30 sind bezüglich ihrer Auslegung oder Konstruktion nicht beschränkt und können eine beliebige Art von pneumatischen, hydraulischen, elektrischen, thermischen oder mechanischen Betätigungsmechanismen enthalten.

Beispielsweise können die Stellglieder 30 als individuell gesteuerte elektrische Motoren, pneumatische oder hydraulische Kolben, Servos, Gewinde- oder Zahnradanordnungen und dergleichen konfiguriert sein. In der dargestellten Ausführungsform sind vier Stellglieder 30 gleichmässig in 90 Grad Abstand um den Umfang des Mantelrings 24 angeordnet. Die oberen und unteren Stellglieder 30 liefern eine vertikale Einstellung, und die linken und rechten Stellglieder 30 liefern eine horizontale Einstellung. Die Kombination der Stellglieder 30 kann jeden gewünschten Grad an horizontaler oder vertikaler Einstellung um den gesamten Umfang des Innenmantelrings 24 herum liefern.

[0021] Mehrere Sensoren 32 sind in Umfangsrichtung in Abstand um den Mantelring 24 herum angeordnet. In dieser speziellen Ausführungsform sind die Sensoren 32 Abstandsensoren, die dafür konfiguriert sind, den Schaufelspitzenabstand 34 zwischen den Spitzen der Rotorschaufeln 23 und dem Innenmantelring 24 zu messen, sobald sich die Rotorstufe 22 in dem Mantelring 24 dreht. Die Anzahl und Lage dieser Sensoren 32 kann variieren, aber erwünschterweise sind ausreichend viele vorhanden, um jede Art von Exzentrizität um den Umfang des Innenmantelrings 24 herum zu detektieren. Verschiedene Arten von Schaufelspitzensensoren sind bekannt und werden im Fachgebiet eingesetzt, und beliebiger oder eine Kombination derartiger Sensoren kann innerhalb des Schutzumfangs und Erfindungsgedankens der vorliegenden Erfindung verwendet werden.

Beispielsweise können die Sensoren 30 passive Vorrichtungen, wie z.B. kapazitive oder induktive Sensoren sein, die auf eine Änderung in der gemessenen Kapazität oder Induktivität reagieren, die durch das Passieren der metallischen Blattspitzen unter dem Sensor erzeugt werden, wobei die Grösse der Änderung einen relativen Grad des Blattspitzenabstands reflektiert. Typischerweise sind diese Arten von kapazitiven Sensoren in Vertiefungen in dem Mantelring 24 so befestigt, dass sie mit einer Innenoberfläche des Mantelrings 24 bündig sind. In alternativen Ausführungsformen können die Sensoren 30 jede Art oder konfiguriert von aktiven Messvorrichtungen sein, wie z.B. ein Mikrowellen-Sender/Empfänger-Sensor, Laser-Sensor/Empfänger-Sensor und dergleichen.

In noch einer weiteren alternativen Ausführungsform können die aktiven Sensoren 30 eine optische Konfiguration aufweisen, in welcher Licht an die Turbinenblätter gesendet und von diesen reflektiert wird.

[0022] Es dürfte selbstverständlich erkennbar sein, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die Art oder Konfiguration der Sensoren beschränkt ist, und dass jede Art oder Konfiguration bekannter oder entwickelter Sensoren oder anderer Vorrichtungen verwendet werden kann, um eine Exzentrizität zu detektieren, indem ein Parameter gemessen oder detektiert wird, der eine Exzentrizität zwischen dem Rotor und der umgebenden Struktur anzeigt. Dieser Parameter kann beispielsweise der hierin diskutierte Blattspitzenabstand sein.

[0023] In Fig. 4 ist ein exemplarisches Regelungssystem 36 in Verbindung mit den Sensoren 32 und Stellgliedern 30 konfiguriert. Das Regelungssystem kann als Software implementierte Programme aufweisen, die eine Grösse und Umfangsposition einer Rotorexzentrizität aus Signalen berechnet, die von den Sensoren empfangen werden, und die die Stellglieder steuern, um die berechnete Rotorexzentrizität zu kompensieren, sobald sich der Rotor in dem Mantelring dreht.

[0024] Das Regelungssystem 36 enthält eine Regelung 42, die mit einer beliebigen Art von Hardware oder Softwareprogrammen 40 konfiguriert ist, um eine Exzentrizität aus den Blattspitzenabstandsmessungen der verschiedenen entsprechenden Sensoren 32 zu berechnen. Das Regelungssystem 36 ist einer speziellen Ausführungsform als Rückkopplungssystem 38 mit geschlossener Regelschleife konfiguriert, in welcher eine Exzentrizität im Wesentlichen sofort aus den von den Sensoren 32 erzeugten Signalen berechnet wird. Das Regelungssystem 36 erzeugt dann ein Steuersignal 33 für jedes von den entsprechenden Stellgliedern 30. Die Stellglieder 30 verschieben in Reaktion auf die Steuersignale 33 den Innenmantelring 24 in Bezug auf das Aussengehäuse 28 (und somit in Bezug auf den Rotor), um die Exzentrizität auf zulässige Grenzwerte hin zu minimieren.

Sobald der Innenmantelring 24 neu positioniert ist, messen die Sensoren 32 ständig den Blattspitzenabstand 34 und die berechnete Exzentrizität wird kontinuierlich überwacht. Es dürfte selbstverständlich erkennbar sein, dass das Regelungssystem 36 jede beliebige Anzahl von Regeleinrichtungen, wie z.B. eine Dämpfungs- oder Zeitverzögerungseinheit oder irgendeine andere bekannte Systemfunktion eines Rückkopplungssystems mit geschlossenem Regelkreis aufweisen kann, um sicherzustellen, dass das System die minimale Anzahl erforderlicher Einstellungen ausführt, um die Exzentrizität innerhalb zulässiger Grenzwerte zu halten.

Beispielsweise kann das Regelungssystem 36 so konfiguriert sein, dass es inkrementelle Einstellungen an der Position des Mantelrings 24 ausführt, und dass es eine vorbestimmte Warteperiode zwischen jeder Einstellung hat, um eine Stabilisierung jeder Änderung in einer detektierten Exzentrizität zu ermöglichen, bevor weitere Einstellungen vorgenommen werden.

[0025] Das Regelungssystem 36 kann Eingangssignale 35 bezüglich seiner Funktion, beispielsweise Exzentrizitäts-Sollwertpunkte, Einstellungsregelvorgaben und dergleichen oder von irgendeinem anderen zugehörigen Regelungssystem aufnehmen. Zusätzlich kann ein Ausgangssignal 37 von den Sensoren durch irgendein anderes zugehöriges Regelungssystem oder Gerät für irgendeinen Zweck, wie z.B. für Diagnose, Wartung und dergleichen, verwendet werden.

[0026] Fig. 5 stellt ein Flussdiagramm dar, das für eine Ausführungsform des vorliegenden Regelungsverfahrens exemplarisch ist. Bei einem Schritt 100 wird der Blattspitzenabstand an mehreren Stellen um den Mantelring gemessen, sobald sich die Turbine in dem Mantelring dreht. Wie vorstehend diskutiert, kann der Blattspitzenabstand mittels beliebiger Arten von Sensoren gemessen werden, die in Umfangsrichtung um den Mantelring herum angeordnet sind.

[0027] Bei dem Schritt 110 werden die gemessenen Blattspitzenabstände verwendet, um die Grösse und die relative Umfangsposition jeder Exzentrizität zwischen dem Mantelring und dem Rotor zu berechnen.

[0028] Bei dem Schritt 120 wird die berechnete Exzentrizität mit einem vordefinierten zulässigen Grenzwert verglichen.

[0029] Bei dem Schritt 130 fährt dann, wenn die berechnete Exzentrizität innerhalb der Grenzwerte liegt, der Überwachungsprozess mit dem Schritt 100 fort.

[0030] Bei dem Schritt 130 erzeugt, wenn die berechnete Exzentrizität einen zulässigen Einstellpunkt überschreitet, dann das Regelungssystem Stellgliedsteuersignale, welche an die verschiedenen um den Mantelring herum angeordneten Stellglieder angelegt werden, um den Mantelring exzentrisch in dem Gehäuse bei dem Schritt 150 zu verschieben, um die Exzentrizität zu kompensieren. Wie vorstehend diskutiert, können die von den Stellgliedern ausgeführten Einstellungen in inkrementellen Schritten vorliegen oder können in nur einem Schritt vorliegen, der zum Kompensieren der gesamten Konzentrizität berechnet wird. Nach jeder Einstellung an dem Mantelring fährt die Überwachung bei dem Schritt 100 fort.

[0031] Es dürfte selbstverständlich erkennbar sein, dass das in dem System von Fig. 4 dargestellte Rückkopplungssystem mit geschlossener Regelungsschleife und das Verfahren von Fig. 5keine Einschränkung der Erfindung darstellen. Verschiedene Arten von Regelungssystemen können von dem Fachmann auf. diesem Gebiet erdacht werden, um die Zwecke der exzentrischen Verschiebung des Innenmantelrings in dem Aussengehäuse zu erzielen, um Exzentrizitäten zwischen dem Rotor und dem Mantelring zu kompensieren.

[0032] Nachdem der vorliegende Erfindungsgegenstand in Bezug auf seine spezifischen exemplarischen Ausführungsformen und Verfahren im Detail beschrieben worden ist, dürfte es erkennbar sein, dass der Fachmann auf diesem Gebiet mit dem Verständnis des Vorstehenden, leicht Änderungen an, Varianten von und Äquivalente solcher Ausführungsformen erzeugen kann. Demzufolge ist der Schutzumfang der vorliegenden Offenlegung nur als Beispiel statt als Einschränkung gedacht, und die Offenlegung des Erfindungsgegenstandes schliesst nicht die Einbeziehung solcher Modifikationen, Varianten und /oder Hinzufügungen an dem vorliegenden Erfindungsgegenstand aus, die für den Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet ohne weiteres ersichtlich sind.

[0033] Eine Gasturbine mit einem aktiven Abstandsregelungssystem enthält mehrere in Umfangsrichtung um eine Gehäusestruktur 24, die eine sich drehende Rotorkomponente umgibt, in Abstand angeordnete Stellglieder 30. Die Stellglieder sind dafür konfiguriert, die Gehäusestruktur in Bezug auf den Rotor exzentrisch zu verschieben. Mehrere Sensoren 32 sind in Umfangsrichtung um die Gehäusestruktur 24 in Abstand angeordnet, um einen Parameter zu detektieren, der eine Exzentrizität zwischen dem Rotor und der Gehäusestruktur anzeigt. Ein Regelungssystem 36 in Verbindung mit den mehreren Sensoren und den mehreren Stellgliedern ist dafür konfiguriert, die mehreren Stellglieder zu steuern, um die Gehäusestruktur exzentrisch zum Kompensieren von zwischen dem Rotor und den detektierten Exzentrizitäten zu verschieben.

Bezugszeichenliste

[0034]
<tb>10<sep>Gasturbine

<tb>12<sep>Verdichter

<tb>14<sep>Brennkammer

<tb>16<sep>Rotor/Turbine

<tb>18<sep>Rotor/Turbinenwelle

<tb>20<sep>Elektrischer Generator

<tb>22<sep>Turbinenstufen

<tb>23<sep>Turbinenschaufeln oder Laufschaufein

<tb>24<sep>Innenmantelring/Innengehäuse

<tb>26<sep>Gehäusestruktur

<tb>28<sep>Aussengehäuse

<tb>30<sep>Stellglieder

<tb>32<sep>Sensoren

<tb>33<sep>Steuersignale

<tb>34<sep>Schaufelspitzenabstand

<tb>35<sep>Eingangssignale

<tb>36<sep>Regelungssystem

<tb>37<sep>Ausgangssignal

<tb>38<sep>Rückkopplungssystem mit geschlossener Regelungsschleife

<tb>40<sep>Hardware oder Softwareprogramme

<tb>42<sep>Regelung

<tb>100<sep>Messen des Schaufelabstands

<tb>110<sep>Berechnen von Grösse und Lage der Exzentrizität

<tb>120<sep>Vergleichen der berechneten Exzentrizität mit Grenzwerten

<tb>130<sep>Ermitteln einer Grenzwerteinhaltung

<tb>140<sep>Erzeugen von Stellgliedersteuersignalen

<tb>150<sep>Exzentrizitätsverschiebung des Mantelrings in dem Gehäuse

Claims

1. Gasturbine (10) mit einem Abstandsregelungssystem, aufweisend:

einen Rotor (16) mit wenigstens einer Stufe (22) von Rotorschaufeln (23);

eine Gehäusestruktur (26), wobei der Rotor in der Gehäusestruktur untergebracht ist und die Gehäusestruktur ein Aussengehäuse (28) und einen jeder Stufe von Rotorschaufeln zugeordneten Innenmantelring (24) enthält;

mehrere Stellglieder (30), die in Umfangsrichtung um den Mantelring herum angeordnet sind und den Mantelring mit dem Aussengehäuse verbinden, wobei die mehreren Stellglieder dafür konfiguriert sind, den Mantelring in Bezug auf das Aussengehäuse exzentrisch zu verschieben;

mehrere Sensoren (32), die in Umfangsrichtung um den Mantelring herum in Abstand angeordnet und dafür konfiguriert sind, einen eine Exzentrizität zwischen dem Rotor und dem Mantelring anzeigenden Parameter zu messen, sobald sich der Rotor in dem Mantelring dreht; und

ein Regelungssystem (36) in Verbindung mit den mehreren Sensoren und den mehreren Stellgliedern und das dafür konfiguriert ist, die mehreren Stellglieder zu steuern, um den Mantelring exzentrisch zum Kompensieren von zwischen dem Rotor und dem Mantelring durch die mehreren Sensoren detektierten Exzentrizitäten zu verschieben.

2. Gasturbine (10) nach Anspruch 1, wobei das Regelungssystem (36) ein Rückkopplungssystem (38) mit geschlossener Regelschleife mit Softwareimplementierten Programmen aufweist, die eine Grösse und Rotationsposition einer Rotorexzentrizität aus von den mehreren Sensoren (32) empfangenen Signalen berechnen, und die die mehreren Stellglieder (30) zum Kompensieren der berechneten Rotorexzentrizität steuern, sobald sich der Rotor (16) in dem Mantelring dreht.

3. Gasturbine (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mehreren Sensoren (32) eine beliebige Kombination von in Umfangsrichtung in Abstand um den Mantelring (24) angeordneten aktiven Abstandssensoren zum Messen des Blattspitzenabstands (34) zwischen den Rotorschaufeln (23) und dem Mantelring durch Senden und Empfangen eines von Rotorschaufeln reflektierten Signals oder von in Umfangsrichtung in Abstand um den Mantelring angeordneten passiven Abstandsensoren zum Messen des Blattspitzenabstands zwischen den Rotorschaufeln und dem Mantelring sind.

4. Verfahren zur Abstandsregelung in einer Gasturbine (10), wobei sich ein Rotor (16) mit wenigstens einer Stufe (22) von in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Rotorschaufeln (23) in einer Gehäusestruktur (26) mit einem Innenmantelring (24) dreht und wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

im Betrieb der Gasturbine, Detektieren von Exzentrizitäten zwischen dem Rotor und dem Mantelring durch Messen eines eine Exzentrizität anzeigenden Parameters, sobald sich der Rotor in dem Mantelring dreht; und

in Reaktion auf alle detektierten Exzentrizitäten, exzentrisches Verschieben des Mantelrings in Bezug auf ein Aussengehäuse (28) der Gehäusestruktur zum Kompensieren der detektierten Exzentrizitäten, sobald sich der Rotor in dem Mantelring dreht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, mit dem Schritt der Messung des Schaufelspitzenabstands (34) zwischen den Rotorschaufeln (23) und dem Mantelring (24) an mehreren Stellen um den Mantelring mit einer beliebigen Kombination von in Umfangsrichtung um den Mantelring in Abstand angeordneten aktiven Sensoren (32) oder in Umfangsrichtung um den Mantelring in Abstand angeordneten passiven Sensoren, und der Berechnung einer Grösse und einer relativen Rotationsposition der Exzentrizität, um somit kontinuierlich die Exzentrizität zu kompensieren, sobald sich der Rotor (16) in dem Mantelring dreht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, mit dem Schritt der Messung des Schaufelspitzenabstands (34) an mehreren Stellen um den Mantelring (24), der Berechnung einer Grösse und relativen Rotationsposition der Exzentrizität, und in einem Rückkopplungssystem (38) mit geschlossener Regelungsschleife, der kontinuierlichen Steuerung mehrerer Stellglieder (30), die den Mantelring mit dem Aussengehäuse (28) verbinden, um den Mantelring in Bezug auf das Aussengehäuse zum Kompensieren der Exzentrizität exzentrisch zu verschieben, sobald sich der Rotor (16) in dem Mantelring dreht.

7. Rotor/Gehäuse-Ausrichtungssystem, aufweisend: einen Rotor (16);

eine Gehäusestruktur (26), wobei der Rotor in der Gehäusestruktur untergebracht ist und wobei die Gehäusestruktur ein Aussengehäuse (28) und ein Innengehäuse (24) enthält;

mehrere Stellglieder (30), die in Umfangsrichtung um das Innengehäuse herum angeordnet sind und das Innengehäuse mit dem Aussengehäuse verbinden, wobei die mehreren Stellglieder dafür konfiguriert sind, das Innengehäuse in Bezug auf das Aussengehäuse exzentrisch zu verschieben;

mehrere Sensoren (32), die in Umfangsrichtung um das Innengehäuse in Abstand angeordnet und dafür konfiguriert sind, eine Exzentrizität zwischen dem Rotor und dem Innengehäuse zu detektieren, sobald sich der Rotor in dem Mantelring dreht; und

ein Regelungssystem (36) in Verbindung mit den mehreren Sensoren und den mehreren Stellgliedern und das dafür konfiguriert ist, die mehreren Stellglieder zu steuern, um das Innengehäuse exzentrisch zum Kompensieren von zwischen dem Rotor und dem Innengehäuse durch die mehreren Sensoren detektierten Exzentrizitäten zu verschieben.

8. System nach Anspruch 7, wobei das Regelungssystem (36) ein Rückkopplungssystem (38) mit geschlossener Regelschleife mit Softwareimplementierten Programmen aufweist, die eine Grösse und Rotationsposition einer Rotorexzentrizität aus von den mehreren Sensoren (32) empfangenen Signalen berechnen, und die die mehreren Stellglieder (30) steuern, um die berechnete Rotorexzentrizität zu kompensieren, sobald sich der Rotor (16) in dem Innengehäuse dreht.

9. System nach Anspruch 8, wobei die mehreren Sensoren (32) in Umfangsrichtung um das Innengehäuse (24) in Abstand angeordnete aktive Abstandssensoren sind, die ein von Rotorschaufeln reflektiertes Signal senden und empfangen.

10. System nach Anspruch 8, wobei die mehreren Sensoren (32) in Umfangsrichtung um das Innengehäuse (24) in Abstand angeordnete passive Abstandssensoren sind.