CH701146A2

CH701146A2 - Gasturbine mit einem Abstandssteuerungssystem.

Info

Publication number: CH701146A2
Application number: CH00776/10A
Authority: CH
Inventors: Martel Alexander Mccallum; Parvagada Ganapathy Bojappa; David August Snider
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2010-11-30
Also published as: JP2010270757A; CN101892871A; DE102010016894A1; US20100296912A1

Abstract

Eine Rotationsmaschine, wie beispielsweise eine Gasturbine (10), enthält ein aktives Abstandssteuerungssystem zur Rotorausrichtung, in dem mehrere Aktuatoren (30) längs des Umfangs im Abstand zueinander rings um wenigstens ein Rotorwellenlager (50) angeordnet sind. Die Aktuatoren sind konfiguriert, um das Lager und somit die Rotorwelle (19) relativ zu einer stationären äusseren Gehäusestruktur (26) exzentrisch zu verschieben. Mehrere Sensoren sind längs des Umfangs im Abstand zueinander rings um eine Komponente der Gehäusestruktur (26) angeordnet und messen einen für eine Exzentrizität kennzeichnenden Parameter, wie beispielsweise den Schaufelspitzenabstand zwischen den Rotorschaufeln und der Struktur, während der Rotor (18) innerhalb der Struktur umläuft. Ein mit den Sensoren und Aktuatoren (30) in Verbindung stehendes Steuerungssystem ist konfiguriert, um die Aktuatoren zu steuern, um den Rotor (18) durch Bewegung des Wellenlagers (50) exzentrisch zu verschieben, um zwischen dem Rotor und der Gehäusestruktur detektierte Exzentrizitäten zu kompensieren.

Description

Gebiet der Erfindung

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

Hintergrund der Erfindung

[0002] Rotationsmaschinen, wie beispielsweise Gasturbinen, weisen Abschnitte auf, die üblicherweise als Rotoren bezeichnet werden, die in stationären Gehäusekomponenten, wie beispielsweise einem Mantel, rotieren. Zwischen dem Rotor und dem Mantel müssen Abstandsdimensionen eingehalten werden, um Berührungen zwischen den Komponenten zu vermeiden. Dieses stellt in Gasturbinen ein spezielles Problem dar.

[0003] Eine Gasturbine verwendet heisse Gase, die von einer Brennkammer ausgegeben werden, um einen Rotor zu drehen, der gewöhnlich mehrere Rotorlaufschaufeln enthält, die längs des Umfangs im Abstand zueinander rings um eine Welle angeordnet sind. Die Rotorwelle ist mit einem Verdichter, um der Brennkammer komprimierte Luft zuzuführen, und in einigen Ausführungsformen 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 laufen im Innern einer Gehäusekonfiguration um, die ein äusseres Gehäuse und ein inneres Gehäuse oder einen Mantelring für jede jeweilige Stufe enthalten kann. Wenn die heissen Gase auf die Schaufeln auftreffen, wird die Welle gedreht.

[0004] Die Entfernung zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und dem Mantelring wird als "Abstand" oder "Spalt" bezeichnet. Wenn der Abstand zunimmt, nimmt der Wirkungsgrad der Turbine ab, weil heisse Gase durch den Spalt entweichen. Deshalb sollte der Abstand zwischen den Schaufelspitzen und dem Mantel minimiert sein, um den Wirkungsgrad der Turbine zu maximieren. Andererseits können, wenn die Grösse des Abstands zu klein ist, die thermische Ausdehnung und Schrumpfung der Schaufeln, des Mantels und sonstiger Komponenten dann die Schaufeln veranlassen, an dem Mantel anzustreifen, was zu einer Beschädigung der Schaufeln, des Mantelrings und der Turbine insgesamt führen kann. Es ist daher wichtig, während vielfältiger Betriebsbedingungen einen minimalen Abstand aufrechtzuerhalten.

[0005] Es sind Verfahren und Systeme bekannt, die versuchen, einen genauen Abstand einzuhalten, indem sie Nebenstromluft aus dem Verdichter um das Gehäuse herum führen, um die wärmebedingte Ausdehnung des Gehäuses während des Betriebs der Turbine zu reduzieren. Beispielsweise beschreibt die US-Patentschrift Nr. 6 126 390 ein passives Erwärmungs-/Kühlsystem, worin der Luftstrom zu dem Turbinengehäuse aus dem Verdichter oder der Brennkammer in Abhängigkeit von der Temperatur der ankommenden Luft dosiert wird, um somit die Abkühlrate des Turbinengehäuses zu steuern oder sogar das Gehäuse zu erwärmen.

[0006] Die herkömmlichen passiven Luftkühlsysteme setzen jedoch eine gleichmässige Umfangsausdehnung des Rotors und/oder Mantels voraus und können keine Exzentrizitäten berücksichtigen, die zwischen dem Rotor und dem Mantel entstehen oder darin inhärent vorhanden sind. Exzentrizitäten können in Folge von Herstellungs- oder Montagetoleranzen oder während des Betriebs der Turbine in Folge von Lageölauftrieb, Wärmeausdehnung von tragenden Strukturen, Schwingungen, ungleichmässiger thermischer Ausdehnung der Turbinenkomponenten, Gehäuseschlupf, schwerkraftbedingte Durchhängung usw. entstehen.

Im Voraus erwartete Exzentrizitäten müssen bei der Auslegung berücksichtigt werden, wobei diese Exzentrizitäten auf diese Weise die Grösse des minimalen Auslegungsabstands begrenzen, der ohne ein Anstreifen zwischen den Laufschaufeln und den Mantelringen erreicht werden kann. Der herkömmliche Lösungsansatz zu diesem Problem besteht darin, statische Einstellungen der relativen Position der Komponenten während des kalten Zusammenbaus vorzunehmen, um Exzentrizitätszustände im heissen Betrieb zu kompensieren. Dieses Verfahren kann jedoch die Veränderungen der Exzentrizitäten, die sich während der Betriebslebensdauer der Turbine entwickeln, nicht genau berücksichtigen.

[0007] Somit werden ein aktives Ausrichtungs-Steuerungssystem und -verfahren benötigt, um Exzentrizitäten genau zu detektieren und zu berücksichtigen, die über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen zwischen Turbinenkomponenten entstehen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0008] Die vorliegende Erfindung sieht ein aktives Ausrichtungs-Steuerungssystem und eine zugehörige Methodik vor, die sich mit bestimmten der Unzulänglichkeiten der herkömmlichen Steuerungssysteme befassen. Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden zum Teil in der folgenden Beschreibung angegeben oder können aus der Beschreibung ersichtlich sein, oder sie können durch die praktische Ausführung der Erfindung erkannt werden.

[0009] In einer speziellen Ausführungsform einer Gasturbine mit einem aktiven Rotorausrichtungs-Abstandssteuerungssystem ist ein Rotor mit wenigstens einer Stufe von Rotorschaufeln geschaffen. Der Rotor ist innerhalb einer Gehäusestruktur drehbar gelagert und enthält eine Welle mit entgegengesetzten Enden, die durch jeweilige Wellenlager gelagert sind. Mehrere Aktuatoren sind mit wenigstens einem der Wellenlager eingerichtet, um das Wellenlager relativ zu der stationären Gehäusestruktur zu bewegen, wodurch der Rotor relativ zu der Gehäusestruktur exzentrisch verlagert wird.

Mehrere Sensoren sind längs des Umfangs im Abstand zueinander rings um die Gehäusestruktur angeordnet und konfiguriert, um einen Parameter zu messen, der eine Exzentrizität, wie beispielsweise den Schaufelspitzenabstand zwischen den Rotorschaufeln und der Gehäusestruktur, kennzeichnet, wenn der Rotor innerhalb der Gehäusestruktur rotiert. Ein Steuerungssystem steht mit den mehreren Sensoren und den mehreren Aktuatoren in Verbindung und ist konfiguriert, um die mehreren Aktuatoren zu steuern, um das Wellenlager relativ zu der Gehäusestruktur zu verlagern, um zwischen dem Rotor und der Gehäusestruktur detektierte Exzentrizitäten zu kompensieren. In einer speziellen Ausführungsform kann das Steuerungssystem ein geschlossenes Regelungssystem mit Rückkopplungsschleife sein.

[0010] Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Abstandssteuerung zwischen einem Rotor und einer Gehäusestruktur in einer Rotationsmaschine, worin ein Rotor innerhalb der Gehäusestruktur rotiert. Die Maschine kann beispielsweise eine Gasturbine sein. Das Verfahren enthält ein Detektieren von Exzentrizitäten zwischen dem Rotor und der Gehäusestruktur durch Erfassen eines Parameters, der für eine Exzentrizität kennzeichnend ist, wie beispielsweise eines Abstands zwischen einem Rotor und der Gehäusestruktur, während der Rotor innerhalb der Gehäusestruktur rotiert. In Abhängigkeit von irgendwelchen detektierten Exzentrizitäten wird der Rotor relativ zu der Gehäusestruktur verlagert, um die detektierte Exzentrizität zu kompensieren, während der Rotor innerhalb der Gehäusestruktur rotiert.

[0011] Die Erfindung umfasst auch ein Rotor-zu-Gehäuse-Ausrichtungssystem, das für Rotationsmaschinen allgemein relevant ist. Dieses System enthält einen Rotor, der in einer Gehäusestruktur drehbar gelagert ist. Der Rotor weist entgegengesetzte Wellenenden auf, wobei jedes der Wellenenden durch ein jeweiliges Wellenlager gelagert ist. Mehrere Aktuatoren sind mit wenigstens einem der Wellenlager konfiguriert, um das Wellenlager zu bewegen und dadurch den Rotor relativ zu der Gehäusestruktur exzentrisch zu verlagern. Mehrere Sensoren sind längs des Umfangs im Abstand zueinander rings um die Gehäusestruktur angeordnet und konfiguriert, um einen eine Exzentrizität kennzeichnenden Parameter, wie beispielsweise einen Abstand zwischen dem Rotor und der Gehäusestruktur, zu messen, während der Rotor innerhalb der Gehäusestruktur rotiert.

Ein Steuerungssystem steht mit den mehreren Sensoren und den mehreren Aktuatoren in Verbindung und ist konfiguriert, um die mehreren Aktuatoren zu steuern, um durch Verschiebung des Wellenlagers den Rotor relativ zu der Gehäusestruktur zu verlagern, um durch die mehreren Sensoren zwischen dem Rotor und der Gehäusestruktur detektierte Exzentrizitäten zu kompensieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0012]
<tb>Fig. 1<sep>zeigt eine schematisierte Darstellung einer beispielhaften Rotationsmaschine, insbesondere einer Gasturbine;

<tb>Fig. 2A<sep>zeigt eine schematisierte Querschnittsansicht unter Veranschaulichung einer im Wesentlichen gleichmässigen konzentrischen Beziehung zwischen einem Rotor und einer umgebenden Gehäusestruktur einer Rotationsmaschine, wie beispielsweise einer Gasturbine;

<tb>Fig. 2B<sep>zeigt eine schematisierte Querschnittsansicht unter Veranschaulichung einer exzentrischen Beziehung zwischen einem Rotor und einer umgebenden Gehäusestruktur einer Rotationsmaschine, wie beispielsweise eine Gasturbine;

<tb>Fig. 3<sep>zeigt eine ausschnittsweise Perspektivansicht einer Gasturbine, die ein aktives Rotorausrichtungssystem enthält, um Exzentrizitäten zwischen dem Rotor und dem Mantel zu kompensieren;

<tb>Fig. 4<sep>zeigt eine schematisierte Querschnittsansicht einer Gasturbine, die Sensoren enthält, um Exzentrizitäten zwischen dem Rotor und der umgebenden Gehäusestruktur zu detektieren;

<tb>Fig. 5<sep>zeigt eine schematisierte Querschnittsansicht einer Gasturbine, die Aktuatoren enthält, die mit einem Wellenlager eingerichtet sind, um den Rotor relativ zu der Gehäusestruktur zu verschieben;

<tb>Fig. 6<sep>zeigt eine beispielhafte Ansicht eines Steuerungs-/Regelungssystems und

<tb>Fig. 7<sep>zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens gemäss der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

[0013] Es wird nun auf die speziellen Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, für die ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen dargestellt sind. Jede Ausführungsform wird für die Zwecke der Erläuterung von Aspekten der Erfindung dargestellt und sollte nicht als eine Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden. Z.B. können Merkmale, die im Zusammenhang mit einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, mit einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu ergeben. Die vorliegende Erfindung soll diese und weitere Modifikationen oder Veränderungen, die an den hier beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden, umfassen.

[0014] Aspekte der vorliegenden Erfindung sind hierin im Zusammenhang mit einer Gasturbinenkonfiguration beschrieben. Jedoch sollte es verständlich sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf Gasturbinen beschränkt ist und dass sie auf Rotationsmaschinen allgemein anwendbar ist, bei denen es erwünscht ist, Exzentrizitäten zwischen einem Rotor und einer umgebenden Gehäusestruktur zu erfassen und zu kompensieren.

[0015] Fig. 1 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform einer herkömmlichen Rotationsmaschine, wie beispielsweise einer Gasturbine 10. Die Gasturbine 10 enthält einen Verdichterabschnitt 12, eine Brennkammer 14 und einen Turbinenabschnitt 16. Ein Turbinenrotor, allgemein mit 18 bezeichnet, enthält eine Rotorwelle 19, die in Längsrichtung durch die Gasturbine 10 hindurch angeordnet und mit einem elektrischen Generator 20 gekoppelt ist. Der Turbinenabschnitt 16 enthält Turbinenstufen 22, die innerhalb einer Gehäusestruktur 26 rotieren, die eine beliebige Konfiguration aus inneren und äusseren Gehäusen, wie beispielsweise ein Innengehäuse oder einen Innenmantel 24 (das aus einer üblichen Einzelgehäusestruktur oder einzelnen Gehäuseringen bestehen kann) und ein Aussengehäuse 28, enthalten kann. Jede Turbinenstufe 22 enthält mehrere Turbinenlaufschaufeln 23.

[0016] Der Aufbau und die Funktionsweise herkömmlicher Gasturbinenkonfigurationen sind dem Fachmann allgemein bekannt, so dass eine detaillierte Erläuterung hiervon für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich ist. Ausserdem ist die vereinfachte Turbine 10 nach Fig. 1lediglich für eine beliebige Art einer geeigneten Konfiguration einer Turbine oder sonstigen Rotationsmaschine repräsentativ, und es sollte erkennbar sein, dass das vorliegende System und die vorliegende Methodik bei verschiedenen Turbinenkonfigurationen nützlich und nicht auf irgendeine spezielle Art einer Gasturbine oder sonstigen Rotationsmaschine beschränkt sind.

[0017] Fig. 2A zeigt eine schematisierte Ansicht, die eine Turbinenstufe 22 mit einzelnen Laufschaufeln oder Schaufeln 23 veranschaulicht, die an der Rotorwelle 19 befestigt sind. Die Turbinenstufe 22 rotiert im Innenraum eines Innenmantels 24 (einer einzelnen inneren Gehäusestruktur, die für alle Turbinenstufen gemeinsam ist, oder einzelnen Mantelringen), der innerhalb eines Aussengehäuses 28 der Gehäusestruktur 26 konzentrisch angeordnet ist. Es kann eine beliebige Art einer Verbindungs- oder Haltestruktur 25 zwischen dem Innenmantel 24 und der äusseren Gehäusestruktur 28 eingerichtet sein. Zwischen den Spitzen der umlaufenden Schaufeln 23 und dem Innenmantel 24 ist ein idealer Schaufelspitzenabstand 34 erwünscht. Dieser Abstand 34 ist in Fig. 2A für Veranschaulichungszwecke übertrieben gross dargestellt.

[0018] Wie in Fig. 2B veranschaulicht, können zwischen der Turbinenstufe 22 und dem Innenmantel 24 Exzentrizitäten entstehen. Diese Exzentrizitäten können die Folge einer beliebigen Kombination von Faktoren, wie beispielsweise Herstellungs- oder Montagetoleranzen, Lagerausrichtung, Lagerölauftrieb, Wärmeausdehnung von tragenden Strukturen, Schwingungen, ungleichmässige Wärmeausdehnung der Turbinenkomponenten, Gehäuseschlupf, schwerkraftbedingte Durchhängung, usw., sein. Die exzentrische Beziehung kann zu einem Turbinenschaufelabstand bzw. -spalt 34 führen, der, wie in Fig. 2B veranschaulicht, selbst eine exzentrische Art aufweist. Die Exzentrizität kann zur Folge haben, dass der Turbinenschaufelabstand unterhalb eines minimalen zulässigen Spezifikationswertes liegt, und dies kann zu einem Reiben zwischen den Spitzen der Schaufeln 23 und dem Innenmantel 24 führen.

Zusätzlich kann die Exzentrizität einen Schaufelspitzenabstand zur Folge haben, der einen Auslegungsspezifikationswert überschreitet, was zu beträchtlichen Rotorverlusten führen kann.

[0019] Fig. 3 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Gasturbine 10, die Aspekte der Erfindung enthält. Der Rotor 18 enthält Wellenenden 21 an den entgegengesetzten Enden der Welle 19. Die Wellenenden 21 sind in jeweiligen Wellenlagern 50 (rechte Seite von Fig. 3) gelagert. Der Aufbau und die Funktionsweise einer beliebigen Art von herkömmlichen Wellenlagern 50 sind bekannt und für Fachleute auf dem Gebiet verständlich. Fig. 3veranschaulicht ferner mehrere Aktuatoren bzw. Stellglieder 30, die das Wellenlager 50 relativ zu der Gehäusestruktur 26 halten. In der veranschaulichten Ausführungsform sind die Aktuatoren 30 zwischen einer äusseren Struktur 52 und einer inneren Struktur 54 angeschlossen, die konzentrische Strukturen bilden können. Das Wellenlager 50 enthält ein Lagergehäuse 56 (Fig. 5), das in der inneren Struktur 54 aufgenommen ist.

[0020] Bezugnehmend auf Fig. 5sind mehrere der Aktuatoren 30 in Umfangsrichtung voneinander beabstandet zwischen der äusseren Struktur 52 und der inneren Struktur 54 angeordnet, in der das Lagergehäuse 56 aufgenommen ist. Die Aktuatoren dienen somit dazu, den Rotor relativ zu der stationären Gehäusestruktur 26 drehbar zu lagern. Es sollte verstanden werden, dass eine ähnliche Lagerstruktur und Aktuatorkonfiguration an jedem der Rotorwellenenden vorgesehen sein kann. Die Anzahl und Position der Aktuatoren 30 können variieren, ermöglichen aber wünschenswerter Weise eine um den Umfang herum vollständige Kompensation jeder detektieren Exzentrizität zwischen dem Rotor und der Gehäusestruktur ermöglichen, wie sie anhand des Schaufelspitzenabstands zwischen einer Turbinenstufe 22 und dem Innenmantel 24 (Fig. 4) detektiert wird.

Die Aktuatoren 30 sind konfiguriert, um die innere Struktur 54 (und somit das Wellenlager 50) in Bezug auf die stationäre äussere Struktur 52 der Gehäusestruktur 26 zu verschieben oder zu verlagern. Die Aktuatoren sind hinsichtlich ihres Aufbaus oder ihrer Konstruktion nicht beschränkt und können jede beliebige Art eines pneumatischen, hydraulischen, elektrischen, thermischen oder mechanischen Stell- bzw. Betätigungsmechanismus enthalten. Z.B. können die Aktuatoren 30 als individuell gesteuerte Elektromotoren, pneumatische oder hydraulische Kolben, Servomechanismen, Gewinde- oder Zahnradanordnungen, Zwischenlegeinrichtungen und dergleichen konfiguriert sein. In der veranschaulichten Ausführungsform sind vier Aktuatoren 30 gleichmässig im Abstand von 90 Grad zueinander rings um den Umfang der inneren Struktur 54 angeordnet.

Der obere und der untere Aktuator 30 sorgen für eine vertikale Einstellung, während der linke und der rechte Aktuator 30 eine horizontale Einstellung ermöglichen. Die Kombination der Aktuatoren 30 kann jeden gewünschten Grad an horizontaler oder vertikaler Einstellung um den vollständigen Umfang der inneren Mantelstruktur 54 herum ermöglichen.

[0021] Bezugnehmend auf Fig. 4sind mehrere Abstandssensoren 32 in Umfangsrichtung voneinander beabstandet rings um den Innenmantel 24 des Turbinenabschnitts angeordnet und konfiguriert, um den Schaufelspitzenabstand 34 zwischen den Spitzen der Rotorschaufeln 23 und dem Innenmantel 24 zu messen, während die Rotorstufe 22 innerhalb des Mantels 24 umläuft. Die Anzahl und Lage dieser Sensoren 32 kann variieren, wobei sie jedoch wünschenswerter Weise hinreichend sind, um jede Art einer Exzentrizität rings um den Umfang des Innenmantels 24 zu detektieren. Es können verschiedene Sätze der in Umfangsrichtung beabstandeten Sensoren 32 an mehreren axialen Stellen entlang der Turbine funktionsmässig angeordnet sein, um eine verfeinerte Auswertung einer Gesamtexzentrizität, insbesondere zur Steuerung von Aktuatoren an den Lagern an den beiden Rotorwellenenden zu ermöglichen.

Es sind verschiedene Arten von Schaufelspitzensensoren bekannt, die in der Technik verwendet werden, und jeder beliebige einzelne oder eine beliebige Kombination von derartigen Sensoren kann innerhalb des Rahmens und Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Z.B. können die Sensoren 30 passive Vorrichtungen, wie beispielsweise kapazitive oder induktive Sensoren, sein, die auf eine Veränderung der gemessenen Kapazität oder Induktivität ansprechen, die durch das Vorbeilaufen der metallenen Schaufelspitzen unter dem Sensor erzeugt werden, wobei die Grösse der Änderung einen relativen Grad des Schaufelspitzenabstands wiedergibt. Typischerweise sind derartige Arten von kapazitiven Sensoren in Ausnehmungen innerhalb des Mantels 24 derart montiert, dass sie mit einer inneren Umfangsfläche 24 bündig abschliessen.

In alternativen Ausführungsformen können die Sensoren 30 von beliebiger Art oder Konfiguration von aktiven Erfassungsvorrichtungen, wie beispielsweise ein mikrowellenbasierter Sender/Empfänger-Sensor, laserbasierter Sender/Empfänger-Sensor und dergleichen, sein. In noch einer weiteren alternativen Ausführungsform können die aktiven Sensoren 30 eine optische Konfiguration aufweisen, in welcher Licht zu den Turbinenschaufeln übertragen und von diesen reflektiert wird.

[0022] Es sollte ohne weiteres verständlich sein, dass die vorliegende Erfindung durch die Art oder Konfiguration von Sensoren nicht beschränkt ist und dass jede Art oder Konfiguration von bekannten oder entwickelten Sensoren oder sonstigen Vorrichtungen verwendet werden kann, um eine Exzentrizität durch Messung oder Erfassung des Schaufelspitzenabstandes zu detektieren. Es sollte ferner verstanden werden, dass geeignete Sensoren, die in dem Umfang der Erfindung enthalten sind, konfiguriert sein können, um eine Exzentrizität unmittelbar oder mittelbar durch Messen oder Überwachen von anderen Parametern als dem Schaufelspitzenabstand zu detektieren.

[0023] Bezugnehmend auf Fig. 6ist ein beispielhaftes Steuerungssystem bzw. Regelungssystem 36 in Verbindung mit den Sensoren 32 und den Aktuatoren 30 konfiguriert. Das Steuerungssystem kann in Software implementierte Programme aufweisen, die eine Grösse und Umfangsposition einer Rotorexzentrizität anhand von Signalen berechnen, die von den Sensoren empfangen werden, und die die Aktuatoren steuern, um die berechnete Rotorexzentrizität zu kompensieren, während der Rotor in dem Mantel umläuft.

[0024] In der veranschaulichten Ausführungsform enthält das Steuerungssystem 36 eine Steuerungseinrichtung 42, die mit einer beliebigen Art von Hardware oder Softwareprogrammen 40 konfiguriert ist, um aus den Schaufelspitzenabstandsmesswerten der verschiedenen jeweiligen Sensoren 32 eine Exzentrizität zu berechnen. Das Steuerungssystem 36 ist in einer speziellen Ausführungsform als ein Regelungssystem 38 mit geschlossener Regelschleife konfiguriert, in dem eine Exzentrizität im Wesentlichen unmittelbar aus den durch die Sensoren 32 erzeugten Signalen berechnet wird. Das Steuerungssystem 36 erzeugt anschliessend ein Steuersignal 33 für jeden der jeweiligen Aktuatoren 30. Die Aktuatoren 30 verschieben in Reaktion auf die Steuersignale 33 das Wellenlager 50, wie oben erläutert, um die Exzentrizität auf ein Minimum innerhalb zulässiger Grenzwerte zu reduzieren.

Während das Lager 50 neu positioniert wird, erfassen die Sensoren 32 fortwährend den Schaufelspitzenabstand 34, und die berechnete Exzentrizität wird fortdauernd überwacht.

[0025] Es sollte ohne weiteres verstanden werden, dass das Steuerungssystem 36 jede beliebige Anzahl von Steuerungseinrichtungen, wie beispielsweise eine Dämpfungs- oder Zeitverzögerungseinheit, oder jede beliebige sonstige Art einer bekannten Systemfunktion eines Regelkreises mit geschlossener Rückkopplung aufweisen kann um sicherzustellen, dass das System die minimale Anzahl erforderlicher Einstellungen vornimmt, um die Exzentrizität innerhalb zulässiger Grenzwerte zu erhalten. Beispielsweise kann das Steuerungssystem 36 derart konfiguriert sein, dass es inkrementelle Anpassungen der Position des Lagers 50 vornimmt und dass es eine vordefinierte Wartezeit zwischen jeder Anpassung aufweist, um eine Stabilisierung jeder Änderung der detektierten Exzentrizität zu ermöglichen, bevor nachfolgende Anpassungen vorgenommen werden.

[0026] Das Steuerungssystem 36 kann Eingangssignale 35, die mit einer Funktion im Zusammenhang stehen, zum Beispiel Exzentrizitäts-Sollwerte, Einstellungsregelvorgaben und dergleichen, oder von jedem beliebigen sonstigen zugehörigen Steuerungs- bzw. Regelungssystem empfangen. Ausserdem kann ein Ausgangssignal 37 von den Sensoren durch jedes beliebige sonstige zugehörige Steuerungs- bzw. Regelungssystem oder -gerät für jeden beliebigen Zweck, wie zum Beispiel zur Diagnose, Instandhaltung und dergleichen, verwendet werden.

[0027] Fig. 6 zeigt das Steuerungssystem 36, das zur Einstellung der Wellenlager an jedem Ende der Turbine 10 eingerichtet ist. Dieses kann in bestimmten Ausführungsformen insofern von Vorteil sein, als eine genauere Einstellung des Rotors durch Steuerung der Position des Rotors an beiden Enden erreicht werden kann. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die Erfindung eine Anpassung der Rotorposition relativ zu der Gehäusestruktur mit umfasst, bei der Aktuatoren bei lediglich einem der Wellenlager eingerichtet sind.

[0028] Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm, das für eine Ausführungsform der vorliegenden Steuerungs- bzw. Regelungsmethodik beispielhaft ist. In Schritt 100 wird der Schaufelspitzenabstand an mehreren Stellen rings um den Mantel gemessen, während die Turbine innerhalb des Mantels umläuft. Wie oben erläutert, kann der Schaufelspitzenabstand durch jede beliebige Art von Sensoren erfasst werden, die längs des Umfangs rings um den Mantel angeordnet sind.

[0029] In Schritt 110 werden die gemessenen Schaufelspitzenabstände verwendet, um die Grösse und relative Umfangsposition jeder Exzentrizität zwischen dem Mantel und dem Rotor zu berechnen.

[0030] In Schritt 120 wird die berechnete Exzentrizität mit einem vordefinierten zulässigen Grenzwert verglichen.

[0031] In Schritt 130 fährt der Überwachungsprozess, falls die berechnete Exzentrizität innerhalb der Grenzwerte liegt, anschliessend mit dem Schritt 100 fort.

[0032] In Schritt 130 erzeugt das Steuerungssystem, falls die berechnete Exzentrizität grösser ist als ein zulässiger Sollwert, anschliessend Aktuatorsteuersignale, die auf die verschiedenen Aktuatoren angewandt werden, die um wenigstens eines der Rotorwellenlager herum angeordnet sind, um das Lager (und auf diese Weise die Rotorwelle) in Schritt 150 relativ zu der stationären Gehäusestruktur exzentrisch zu verschieben, um die Exzentrizität auszugleichen. Wie oben erläutert, können die Einstellungen, die von den Aktuatoren vorgenommen werden, in inkrementellen Schritten erfolgen, oder sie können in einem einzigen Schritt erfolgen, der berechnet wird, um die gesamte Exzentrizität zu kompensieren. Nach jeder Einstellung an dem/den Lager(n) fährt die Überwachung mit dem Schritt 100 fort.

[0033] Es sollte ohne weiteres verstanden werden, dass das geschlossene rückgekoppelte Regelsystem, wie es in dem System nach Fig. 6 veranschaulicht ist, und die Methodik nach Fig. 7keine Beschränkung der Erfindung darstellen. Es können verschiedene Arten von Steuerungs- bzw. Regelungssystemen leicht von einem Fachmann auf dem Gebiet erdacht werden, um die Zwecke der exzentrischen Verschiebung des Innenmantels innerhalb des Aussengehäuses zu erfüllen, um Exzentrizitäten zwischen dem Rotor und dem Mantel zu kompensieren.

[0034] Während der vorliegende Gegenstand im Detail in Bezug auf spezielle beispielhafte Ausführungsformen und Verfahren der Erfindung beschrieben worden ist, ist es zu verstehen, dass Fachleute auf dem Gebiet, wenn sie ein Verständnis des Vorstehenden gewinnen, leicht Veränderungen an, Modifikationen von und Äquivalente zu derartigen Ausführungsformen hervorbringen können. Demgemäss dient der Umfang der vorliegenden Offenbarung Beispielszwecken und nicht einer Beschränkung, und der offenbarte Gegenstand schliesst eine Aufnahme derartiger Modifikationen, Veränderungen und/oder Hinzufügungen in den vorliegenden Gegenstand nicht aus, wie dies für einen Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet ohne weiteres ersichtlich ist.

[0035] Eine Rotationsmaschine, wie beispielsweise eine Gasturbine 10, enthält ein aktives Abstandssteuerungssystem zur Rotorausrichtung, in dem mehrere Aktuatoren 30 längs des Umfangs im Abstand zueinander rings um wenigstens ein Rotorwellenlager 50 angeordnet sind. Die Aktuatoren sind konfiguriert, um das Lager und somit die Rotorwelle 19 relativ zu einer stationären äusseren Gehäusestruktur 26 exzentrisch zu verschieben. Mehrere Sensoren 32 sind längs des Umfangs im Abstand zueinander rings um eine Komponente der Gehäusestruktur 26 angeordnet und messen einen für eine Exzentrizität kennzeichnenden Parameter, wie beispielsweise den Schaufelspitzenabstand zwischen den Rotorschaufeln und der Struktur, während der Rotor 18 innerhalb der Struktur umläuft.

Ein mit den Sensoren und Aktuatoren 30 in Verbindung stehendes Steuerungssystem ist konfiguriert, um die Aktuatoren zu steuern, um den Rotor 18 durch Bewegung des Wellenlagers 50 exzentrisch zu verschieben, um zwischen dem Rotor und der Gehäusestruktur detektierte Exzentrizitäten zu kompensieren.

Bezugszeichenliste

[0036]
<tb>10<sep>Gasturbine

<tb>12<sep>Verdichter

<tb>14<sep>Brennkammer

<tb>16<sep>Turbinenabschnitt

<tb>18<sep>Turbinenrotor

<tb>19<sep>Rotorwelle

<tb>20<sep>elektrischer Generator

<tb>21<sep>Wellenenden

<tb>22<sep>Turbinenstufen

<tb>23<sep>Turbinenschaufeln oder Laufschaufein

<tb>24<sep>Innenmantel

<tb>25<sep>Haltestruktur

<tb>26<sep>Gehäusestruktur

<tb>28<sep>Aussengehäuse

<tb>30<sep>Aktuatoren

<tb>32<sep>Sensoren

<tb>33<sep>Steuersignal

<tb>34<sep>Schaufelspitzenabstand

<tb>35<sep>Eingangssignale

<tb>36<sep>Steuerungssystem/Regelungssystem

<tb>37<sep>Ausgangssignal

<tb>38<sep>geschlossenes rückgekoppeltes Regelungssystem

<tb>40<sep>Hardware oder Softwareprogramme

<tb>42<sep>Steuerungseinrichtung

<tb>50<sep>Wellenlager

<tb>52<sep>äussere Struktur

<tb>54<sep>innere Struktur

<tb>56<sep>Lagergehäuse

<tb>100<sep>Schaufelabstand messen

<tb>110<sep>Grösse und Lage der Exzentrizität berechnen

<tb>120<sep>berechnete Exzentrizität mit zulässigen Grenzwerten vergleichen

<tb>130<sep>Grenzwertauswertungen

<tb>140<sep>Steuersignale für Rotoraktuatoren erzeugen

<tb>150<sep>Rotor im Gehäuse exzentrisch verschieben

Claims

1. Gasturbine (10) mit einem Abstandssteuerungssystem, die aufweist:

einen Rotor (18) mit wenigstens einer Stufe von Rotorschaufeln (23), die innerhalb einer Gehäusestruktur (26) drehbar gelagert sind;

wobei der Rotor entgegengesetzte Wellenenden (21) aufweist, wobei jedes der Wellenenden durch ein jeweiligen Wellenlager (50) gelagert ist;

mehrere Aktuatoren (30), die mit wenigstens einem der Wellenlager eingerichtet sind, um das Wellenlager zu verschieben und dadurch den Rotor relativ zu der Gehäusestruktur exzentrisch zu verlagern;

mehrere Sensoren (32), die längs des Umfangs im Abstand zueinander rings um die Gehäusestruktur angeordnet und konfiguriert sind, um einen Parameter, der eine Exzentrizität zwischen dem Rotor und der Gehäusestruktur kennzeichnet, zu messen, während der Rotor innerhalb der Gehäusestruktur umläuft; und

ein Steuerungssystem (36), das mit den mehreren Sensoren und den mehreren Aktuatoren in Verbindung steht und konfiguriert ist, um die mehreren Aktuatoren zu steuern, um das Wellenlager relativ zu der Gehäusestruktur zu verlagern, um durch die mehreren Sensoren zwischen dem Rotor und der Gehäusestruktur detektierte Exzentrizitäten zu kompensieren.

2. Gasturbine (10) nach Anspruch 1, die ferner zusätzliche mehrere Aktuatoren (30) aufweist, die mit dem anderen jeweiligen Wellenlagern (50) eingerichtet sind, wobei die zusätzlichen mehreren Aktuatoren mit dem Steuerungssystem (36) in Verbindung stehen, so dass der Rotor (18) durch Verschiebung eines der oder der beiden Wellenlager relativ zu der Gehäusestruktur (26) verlagert wird.

3. Gasturbine (10) nach einem beliebigen der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Steuerungssystem (36) ein geschlossenes, rückgekoppeltes Regelsystem (38) mit Software implementierten Programmen aufweist, die eine Grösse und Umfangsposition einer Rotorexzentrizität anhand von Signalen berechnen, die von den mehreren Sensoren (32) empfangen werden, und die mehreren Aktuatoren (30) steuern, um die berechnete Rotorexzentrizität zu kompensieren, während der Rotor (18) innerhalb der Gehäusestruktur (26) umläuft.

4. Gasturbine (10) nach einem beliebigen der Ansprüche 1 oder 2, wobei die mehreren Sensoren (32) eine beliebige Kombination von aktiven Abstandssensoren, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet rings um die Gehäusestruktur (26) angeordnet sind und die ein Signal senden und ein von den Rotorschaufeln (23) reflektiertes Signal empfangen, um den Spitzenabstand zwischen den Rotorschaufeln und der Gehäusestruktur zu messen, oder passiven Abstandssensoren bilden, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet rings um die Gehäusestruktur angeordnet sind, um den Spitzenabstand zwischen den Rotorschaufeln (23) und der Gehäusestruktur (26) zu messen.

5. Verfahren zur Abstandssteuerung zwischen einem Rotor (18) und einer Gehäusestruktur (26) in einer Maschine, in der der Rotor im Innenraum der Gehäusestruktur umläuft, wobei das Verfahren aufweist:

Detektion von Exzentrizitäten zwischen dem Rotor (18) und der Gehäusestruktur (26) durch Erfassen eines eine Exzentrizität kennzeichnenden Parameters, während der Rotor innerhalb der Gehäusestruktur umläuft; und

als Reaktion auf irgendwelche detektierten Exzentrizitäten, exzentrisches Verlagern des Rotors (18) relativ zu der Gehäusestruktur (26), um die detektierte Exzentrizität zu kompensieren, während der Rotor innerhalb der Gehäusestruktur umläuft.

6. Verfahren nach Anspruch 5, das ein Erfassen eines Abstands zwischen dem Rotor (18) und der Gehäusestruktur (26) an mehreren Stellen rings um die Gehäusestruktur und ein Berechnen einer Grösse und relativen Umfangsposition der Exzentrizität aufweist, um die Exzentrizität kontinuierlich zu kompensieren, während der Rotor innerhalb der Gehäusestruktur umläuft.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, das ein aktives Erfassen des Abstandes zwischen dem Rotor (18) und der Gehäusestruktur (26) mit aktiven Sensoren (32), die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet rings um die Gehäusestruktur angeordnet sind, oder ein passives Erfassen des Abstands zwischen dem Rotor (18) und der Gehäusestruktur (26) mit passiven Sensoren (32) aufweist, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet rings um die Gehäusestruktur angeordnet sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der Rotor (18) relativ zu der Gehäusestruktur (26) durch jeweilige Wellenlager (50) an entgegengesetzten Enden des Rotors drehbar gelagert ist und wobei das Verfahren ein exzentrisches Verschieben des Rotors relativ zu der Gehäusestruktur durch Steuerung mehrere Aktuatoren (30) aufweist, die zwischen wenigstens einem der Wellenlager und der Gehäusestruktur eingerichtet sind, und das ferner ein Erfassen eines Abstands zwischen dem Rotor und der Gehäusestruktur an mehreren Stellen rings um die Gehäusestruktur, Berechnen einer Grösse und relativen Umfangsposition der Exzentrizität und in einem geschlossenen, rückgekoppelten Regelsystem (38) kontinuierliches Steuern der Aktuatoren aufweist, um das Wellenlager so zu verlagern, dass die Exzentrizität kompensiert wird, während der Rotor innerhalb der Gehäusestruktur umläuft.

9. Rotor für ein Gehäuseausrichtungssystem, der aufweist:

einen Rotor (18), der im Innern einer Gehäusestruktur (26) drehbar gelagert ist;

wobei der Rotor entgegengesetzte Wellenenden (21) aufweist, wobei jedes der Wellenenden durch ein jeweiliges Wellenlager (50) gelagert ist;

mehrere Sensoren (32), die längs des Umfangs im Abstand zueinander rings um die Gehäusestruktur angeordnet und konfiguriert sind, um eine Exzentrizität zwischen dem Rotor und der Gehäusestruktur zu detektieren, während der Rotor innerhalb der Gehäusestruktur umläuft; und

ein Steuerungssystem (36), das mit den mehreren Sensoren und den mehreren Aktuatoren in Verbindung steht und konfiguriert ist, um die mehreren Aktuatoren zu steuern, um durch Verschiebung des Wellenlagers den Rotor relativ zu der Gehäusestruktur zu verlagern, um durch die mehreren Sensoren zwischen dem Rotor und der Gehäusestruktur erfasste Exzentrizitäten zu kompensieren.

10. System nach Anspruch 9, wobei das Steuerungssystem (36) ein geschlossenes, rückgekoppeltes Regelsystem (38) mit Software implementierten Programmen aufweist, die eine Grösse und Umfangsposition einer Rotorexzentrizität anhand von Signalen berechnen, die von den mehreren Sensoren (32) empfangen werden, und die mehreren Aktuatoren (30) steuern, um die berechnete Rotorexzentrizität zu kompensieren, während der Rotor (18) innerhalb der Gehäusestruktur (26) umläuft, und wobei die mehreren Sensoren eine beliebige Kombination von aktiven oder passiven Sensoren aufweisen, die längs des Umfangs im Abstand zueinander rings um die Gehäusestruktur angeordnet sind, um einen Abstand zwischen dem Rotor und der Gehäusestruktur zu messen.