DE102011077908A1 - Gas turbine with pyrometer - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Gasturbine mit wenigstens einer stehenden Leitschaufel und wenigstens einer im Betrieb rotierbaren Laufschaufel angegeben, die wenigstens einen in eine erste Laufschaufel eingebetteten Lichtwellenleiter aufweist. Der Lichtwellenleiter ist so ausgerichtet, dass Wärmestrahlung eines Bereichs der ersten Leitschaufel vom Lichtwellenleiter aufnehmbar ist. Eine Auswerteeinrichtung ist ausgestaltet zur Auswertung der Wärmestrahlung und zur Ermittlung der Temperatur des Bereichs der ersten Leitschaufel, wobei die Temperatur entlang eines Weges ermittelbar ist, von dem die Wärmestrahlung im Zuge der Rotation der ersten Laufschaufel ausgeht.A gas turbine is specified with at least one stationary guide vane and at least one rotor blade which is rotatable during operation and which has at least one optical waveguide embedded in a first rotor blade. The optical waveguide is aligned such that thermal radiation from a region of the first guide vane can be absorbed by the optical waveguide. An evaluation device is designed to evaluate the thermal radiation and to determine the temperature of the area of the first guide vane, the temperature being able to be determined along a path from which the thermal radiation emanates in the course of the rotation of the first rotor blade.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit wenigstens einer stehenden Leitschaufel und wenigstens einer im Betrieb rotierbaren Laufschaufel. The invention relates to a gas turbine with at least one stationary vane and at least one rotor rotatable during operation.

An der Effizienz von modernen Gasturbinen wird ständig gearbeitet. Eine erhöhte Effizienz kann dabei stets durch eine erhöhte Betriebstemperatur erreicht werden. Dabei nähert sich die Betriebstemperatur stetig den Grenzen der Temperaturfestigkeit der verwendeten Materialien der Schaufeln. Um Überlastungen zu vermeiden, wird die Temperatur einzelner Komponenten einer Gasturbine überwacht. Dazu werden beispielsweise Pyrometer eingesetzt, die die Wärmestrahlung einzelner Komponenten aufnehmen, zu einem Detektor leiten und dort auswerten und so die Temperatur der Komponente bestimmen. Um lokale Variationen der Temperatur messen zu können, wird eine Vielzahl von Temperaturmesspunkten und Temperaturmesseinrichtungen verwendet. The efficiency of modern gas turbines is constantly being worked on. An increased efficiency can always be achieved by an increased operating temperature. The operating temperature is constantly approaching the limits of the temperature resistance of the materials used in the blades. To avoid overloading, the temperature of individual components of a gas turbine is monitored. For this purpose, pyrometers are used, for example, which record the thermal radiation of individual components, conduct it to a detector and evaluate it, thereby determining the temperature of the component. In order to measure local variations in temperature, a variety of temperature measuring points and temperature measuring devices are used.

Die stehenden Schaufeln, Leitschaufeln genannt, haben aufgrund ihrer festen Position relativ zu den Brennern größere Inhomogenitäten in der Temperaturverteilung als die sich im Betrieb drehenden Laufschaufeln. Die Temperaturverteilung in den Leitschaufeln ist daher von großem Interesse. Bisher wird die Temperatur der Leitschaufeln punktuell mit einer begrenzten Zahl an stationären Thermoelementen gemessen. The stationary vanes, called vanes, have greater inhomogeneities in temperature distribution than the rotating vanes due to their fixed position relative to the burners. The temperature distribution in the guide vanes is therefore of great interest. So far, the temperature of the vanes is measured at points with a limited number of stationary thermocouples.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasturbine anzugeben, bei der die Temperaturverteilung in den Leitschaufeln genauer erfasst werden kann. It is an object of the present invention to provide a gas turbine in which the temperature distribution in the vanes can be detected more accurately.

Diese Aufgabe wird durch eine Gasturbine mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Gasturbine. This object is achieved by a gas turbine with the features of claim 1. The dependent claims relate to advantageous embodiments of the gas turbine.

Die erfindungsgemäße Gasturbine umfasst wenigstens eine stehende Leitschaufel und wenigstens eine im Betrieb rotierbare Laufschaufel. Weiterhin ist wenigstens ein in eine erste Laufschaufel eingebetteter Lichtwellenleiter vorhanden, der so ausgerichtet ist, dass Wärmestrahlung einer ersten Leitschaufel vom Lichtwellenleiter aufnehmbar ist. The gas turbine according to the invention comprises at least one stationary vane and at least one rotor rotatable during operation. Furthermore, at least one embedded in a first blade optical waveguide is present, which is aligned so that thermal radiation of a first vane of the optical waveguide is receivable.

Die erfindungsgemäße Gasturbine umfasst weiterhin eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung von Wärmestrahlung. Die Auswerteeinrichtung ist ausgestaltet zur Ermittlung der Temperatur wenigstens der ersten Leitschaufel, wobei die Temperatur entlang eines Weges ermittelbar ist, von dem die Wärmestrahlung im Zuge der Rotation der ersten Laufschaufel und damit des Lichtwellenleiters aufgenommen wird. The gas turbine according to the invention further comprises an evaluation device for the evaluation of thermal radiation. The evaluation device is configured to determine the temperature of at least the first guide vane, wherein the temperature can be determined along a path from which the thermal radiation is recorded during the rotation of the first moving blade and thus of the optical waveguide.

Der Bereich der Leitschaufel, dessen Wärmestrahlung aufgenommen wird, hängt dabei vom Lichtwellenleiter und vom Abstand des Lichtwellenleiterendes von der Leitschaufel ab. The region of the vane whose thermal radiation is absorbed depends on the optical waveguide and on the distance of the optical waveguide end from the vane.

Mit anderen Worten rotiert das Pyrometer, das durch den Lichtwellenleiter repräsentiert wird, in der Erfindung mit einer Laufschaufel mit, und ist auf eine Leitschaufel gerichtet. Damit kann vorteilhaft die Temperatur der Leitschaufel nicht mehr nur an festen Punkten ermittelt werden, an denen Thermoelemente vorgesehen sind, sondern an jedem Punkt einer Kreisbahn, die sich durch die Bewegung der Laufschaufel gegenüber der Leitschaufel ergibt. Die Temperaturverteilung der Leitschaufel kann also deutlich genauer als bisher erfasst werden. In other words, the pyrometer represented by the optical fiber rotates in the invention with a blade and is directed to a vane. Thus, advantageously, the temperature of the vane can no longer be determined only at fixed points at which thermocouples are provided, but at each point of a circular path resulting from the movement of the blade relative to the vane. The temperature distribution of the vane can thus be detected much more accurately than before.

In einer Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst die erste Laufschaufel einen Photodetektor zur Wandlung der Wärmestrahlung in elektrische Signale. Der Photodetektor ist dabei zweckmäßig mit dem Lichtwellenleiter gekoppelt, um die Wärmestrahlung, die von der ersten Leitschaufel kommt, nach Durchlaufen des Lichtwellenleiters aufnehmen zu können. Der Photodetektor kann dabei beispielsweise durch eine drahtlose Energieübertragung gespeist sein. Alternativ kann der Photodetektor mittels einer Batterie gespeist sein. Vorteilhaft ist damit das Pyrometer weitgehend in der Laufschaufel selbst realisiert. Die ermittelten Daten können dann per Telemetrie oder durch einen mitrotierenden Datenschreiber aufgenommen bzw. weitergeleitet werden. In one embodiment and development of the invention, the first blade comprises a photodetector for converting the heat radiation into electrical signals. The photodetector is expediently coupled to the optical waveguide in order to be able to absorb the thermal radiation which comes from the first vane after passing through the optical waveguide. The photodetector can be powered by a wireless energy transmission, for example. Alternatively, the photodetector may be powered by a battery. Advantageously, the pyrometer is thus largely realized in the blade itself. The determined data can then be recorded or forwarded by telemetry or by a co-rotating data recorder.

In einer weiteren Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist der Lichtwellenleiter in die Welle der ersten Laufschaufel geführt und endet dort. Durch diese Ausgestaltung kann die aufgenommene Wärmestrahlung in Richtung stehender Teile der Gasturbine abgegeben werden. Sie kann dort vereinfacht aufgenommen und weiterverarbeitet werden. Vorteilhaft ist es dann, wenn das Ende des Lichtwellenleiters in der Welle mit einem Kollimator versehen ist. Hierdurch kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die austretende Wärmestrahlung in einem axialen Parallelstrahl ausgesandt werden. Dadurch wird ermöglicht, die Strahlung so weit als möglich dämpfungsfrei nach Durchlaufen eines kurzen Luftspaltes aufzunehmen. In a further embodiment and development of the invention, the optical waveguide is guided into the shaft of the first blade and ends there. By this configuration, the absorbed heat radiation can be delivered in the direction of stationary parts of the gas turbine. It can be easily recorded and processed there. It is advantageous if the end of the optical waveguide is provided in the shaft with a collimator. In this way, according to an advantageous embodiment of the invention, the exiting heat radiation can be emitted in an axial parallel beam. This makes it possible to absorb the radiation as far as possible without attenuation after passing through a short air gap.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die vom Kollimator kommende Strahlung mit einer Aufnahmeeinrichtung aufgenommen, wobei der Empfangsbereich der Aufnahmeeinrichtung derart großflächig gestaltet ist, dass im Wesentlichen alle vom Kollimator kommende Strahlung aufnehmbar ist. Die vergleichsweise großflächige Ausgestaltung der Aufnahmeeinrichtung ermöglicht es, die Wärmestrahlung dämpfungsfrei aufzunehmen und weiterzuverarbeiten. Dadurch wird die Genauigkeit der Messung bewahrt. In an advantageous embodiment of the invention, the radiation coming from the collimator is recorded with a receiving device, wherein the receiving region of the receiving device is designed over such a large area that substantially all coming from the collimator radiation is receivable. The comparatively large-area design of the receiving device makes it possible to absorb and further process the thermal radiation without damping. This preserves the accuracy of the measurement.

Um die Aufnahmeeinrichtung vom Umgebungslicht zu trennen und somit eine Aufnahme von Umgebungslicht zu verringern oder zu vermeiden, ist es vorteilhaft, eine Blende oder Hülse im Bereich der Aufnahmeeinrichtung vorzusehen. In order to separate the recording device from the ambient light and thus to reduce or avoid a recording of ambient light, it is advantageous to provide a diaphragm or sleeve in the region of the receiving device.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Aufnahmeeinrichtung ein Lichtwellenleiter, insbesondere ein Lichtwellenleiter mit vergleichsweise großem Querschnitt, oder ein Bündel von Lichtwellenleitern. Der oder die Lichtwellenleiter dienen zur Weiterleitung der Strahlung in einem stehenden Teil der Gasturbine zu einem Photodetektor. Durch die Verwendung von Lichtwellenleitern als Aufnahmeeinrichtung ist es möglich, den Detektor in einem thermisch weniger beanspruchten Bereich der Gasturbine zu realisieren. In one embodiment of the invention, the receiving device is an optical waveguide, in particular an optical waveguide with a comparatively large cross section, or a bundle of optical waveguides. The one or more optical waveguides serve to forward the radiation in a stationary part of the gas turbine to a photodetector. By using optical waveguides as a recording device, it is possible to realize the detector in a thermally less stressed region of the gas turbine.

Alternativ kann die Aufnahmeeinrichtung auch direkt der Photodetektor sein. Dieser ist dann bevorzugt mit einer ausreichend großen Detektorfläche versehen, um wiederum möglichst für eine dämpfungsfreie Aufnahme der Wärmestrahlung zu sorgen. Alternatively, the receiving device can also be the photodetector directly. This is then preferably provided with a sufficiently large detector surface, in turn, to provide as possible for a loss-free recording of the heat radiation.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist im Bereich des zur ersten Leitschaufel reichenden Endes des Lichtwellenleiters ein Linsenkollimator vorgesehen. Alternativ kann der Lichtwellenleiter an seinem entsprechenden Ende getapert ausgestaltet sein. Dadurch wird der Bereich der Oberfläche der Leitschaufel, von dem Wärmestrahlung aufgenommen wird, kontrollierbar. In an advantageous embodiment and development of the invention, a lens collimator is provided in the region of the end of the optical waveguide reaching the first guide blade. Alternatively, the optical waveguide may be designed to be tappered at its corresponding end. This makes it possible to control the area of the surface of the vane from which heat radiation is absorbed.

Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen Preferred, but by no means limiting embodiments of the invention will now be described with reference to the figures of the drawing. The features are shown schematically. Show it

1 eine prinzipielle Anordnung des rotierenden Pyrometers, 1 a basic arrangement of the rotating pyrometer,

2 Varianten des Empfangskollimators auf der Laufschaufel. 2 Variants of the receiving collimator on the blade.

1 zeigt einen Ausschnitt einer Gasturbine 10. Hierbei sind nur Teile der Komponenten schematisch dargestellt. Die Gasturbine 10 umfasst eine Laufschaufel 11 sowie Leitschaufeln 12. Die Laufschaufel 11 ist rotierbar an einer Welle 17 angeordnet. Die Leitschaufeln 12 sind fix zum Gehäuse angeordnet und drehen im Betrieb nicht. 1 shows a section of a gas turbine 10 , In this case, only parts of the components are shown schematically. The gas turbine 10 includes a blade 11 as well as vanes 12 , The blade 11 is rotatable on a shaft 17 arranged. The vanes 12 are fixed to the housing and do not rotate during operation.

Eine Glasfaser 13 ist in die Laufschaufel 11 eingebettet. Sie verläuft darin von einem an der Oberfläche der Laufschaufel 11 gelegenen Ende bis in die Welle 17 hinein. Das an der Oberfläche der Laufschaufel 11 gelegene Ende weist in Richtung der Leitschaufeln 12. Am Ende des Lichtwellenleiters 13 ist dort ein Linsenkollimator 14 vorgesehen. A fiberglass 13 is in the blade 11 embedded. It runs from one to the surface of the blade 11 end up into the wave 17 into it. That on the surface of the blade 11 located end points in the direction of the vanes 12 , At the end of the fiber optic cable 13 there is a lens collimator 14 intended.

Das andere Ende der Glasfaser 13 liegt an einer Oberfläche der Welle 17. Die Glasfaser 13 schließt dort mit einem zweiten Kollimator 18 ab. Der zweite Kollimator 18 ist dabei so gestaltet, dass die abgegebene Strahlung in einem axialen Parallelstrahl austritt. Die so abgegebene Strahlung trifft in einen Photodetektor 20, dessen Empfangsfläche großflächig im Vergleich zum Querschnitt der Glasfaser 13 gestaltet ist. The other end of the fiber 13 lies on a surface of the shaft 17 , The glass fiber 13 closes there with a second collimator 18 from. The second collimator 18 is designed so that the emitted radiation emerges in an axial parallel beam. The radiation thus emitted hits a photodetector 20 , whose receiving surface over a large area compared to the cross section of the glass fiber 13 is designed.

Die 2 zeigt Varianten für den Abschluss der Glasfaser 13, der in Richtung der Leitschaufeln 12 weist. So kann wie in diesem Ausführungsbeispiel angegeben, die Glasfaser 13 mit dem Linsenkollimator 14 abgeschlossen sein. Eine weitere Möglichkeit und Alternative besteht im Abschluss der Glasfaser 13 dergestalt, dass die Glasfaser ein getapertes Ende 22 aufweist. Eine weitere Alternative besteht darin, dass eine Glasfaser 13 niederer Apertur verwendet wird. Dann ist dieses Ende 21 der Glasfaser 13 ohne besondere Ausgestaltung. The 2 shows variants for the conclusion of the glass fiber 13 moving in the direction of the vanes 12 has. Thus, as stated in this embodiment, the glass fiber 13 with the lens collimator 14 to be finished. Another option and alternative is to terminate the fiber 13 such that the glass fiber has a taped end 22 having. Another alternative is that a glass fiber 13 low aperture is used. Then this is the end 21 the fiberglass 13 without special design.

Im laufenden Betrieb sendet ein Bereich 16 einer Leitschaufel 12 Wärmestrahlung entsprechend seiner Temperatur aus. Der Bereich 16 ist dabei klein im Vergleich zur Größe der Leitschaufel 12. Die Wärmestrahlung tritt über den Linsenkollimator 14 in die Glasfaser 13 ein. Sie wird dort bis zu ihrem anderen Ende geleitet und tritt durch den zweiten Kollimator 18 und dem folgenden Luftspalt in den Photodetektor 20 ein. Die elektrischen Signale, die von der Strahlung 19 ausgelöst werden, werden ausgewertet und die Temperatur des Bereichs 16 somit bestimmt. During operation sends an area 16 a vane 12 Heat radiation according to its temperature. The area 16 is small compared to the size of the vane 12 , The thermal radiation passes over the lens collimator 14 in the glass fiber 13 one. She is escorted to her other end and steps through the second collimator 18 and the following air gap in the photodetector 20 one. The electrical signals emitted by the radiation 19 are triggered, and the temperature of the area are evaluated 16 thus determined.

Im laufenden Betrieb dreht sich die Laufschaufel 11. Die Glasfaser 13 dreht hierbei selbstverständlich mit. Der betrachtete Bereich 16 der Leitschaufel 12 wandert dadurch auf einer kreisförmigen Bahn um die Welle 17 herum. Da diese Bewegung relativ schnell ist, kann praktisch zu jeder Zeit die Temperatur jedes Bereichs 16 der Leitschaufel 12, der auf der kreisförmigen Bahn liegt, betrachtet werden. Es muss hierzu lediglich das einmalige Überstreichen der Laufschaufel 11 über den gewünschten Bereich 16 abgewartet werden. Die zeitliche Auflösung der Auswertung bestimmt hierbei, welcher Winkelabschnitt der Kreisbahn letztlich als Bereich 16 betrachtet wird. During operation, the blade rotates 11 , The glass fiber 13 Of course, this also turns with you. The considered area 16 the vane 12 thereby migrates on a circular path around the shaft 17 around. Since this movement is relatively fast, the temperature of each area can be virtually anytime 16 the vane 12 Being located on the circular track, be considered. It only needs the one-time sweeping the blade 11 over the desired area 16 to be awaited. The temporal resolution of the evaluation determines which angular section of the circular path ultimately serves as an area 16 is looked at.

Claims (12)

Gasturbine (10) mit – wenigstens einer stehenden Leitschaufel (12) und wenigstens einer im Betrieb rotierbaren Laufschaufel (11), – wenigstens einem in eine erste Laufschaufel (11) eingebetteten Lichtwellenleiter (13), der so ausgerichtet ist, dass Wärmestrahlung eines Bereichs (16) der ersten Leitschaufel (12) vom Lichtwellenleiter (13) aufnehmbar ist, – einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung der Wärmestrahlung, ausgestaltet zur Ermittlung der Temperatur des Bereichs (16) der ersten Leitschaufel (12), wobei die Temperatur entlang eines Weges ermittelbar ist, von dem die Wärmestrahlung im Zuge der Rotation der ersten Laufschaufel (11) ausgeht. Gas turbine ( 10 ) with - at least one standing vane ( 12 ) and at least one rotor rotatable during operation ( 11 ) At least one in a first blade ( 11 ) embedded optical fibers ( 13 ), which is oriented so that heat radiation of a region ( 16 ) of the first vane ( 12 ) from the optical waveguide ( 13 ) is receivable, - an evaluation device for evaluating the heat radiation, designed to determine the temperature of the area ( 16 ) of the first vane ( 12 ), wherein the temperature is determinable along a path from which the heat radiation in the course of the rotation of the first blade ( 11 ). Gasturbine (10) gemäß Anspruch 1, bei der die erste Laufschaufel (11) einen Fotodetektor (20) zur Wandlung der Wärmestrahlung in elektrische Signale umfasst. Gas turbine ( 10 ) according to claim 1, wherein the first blade ( 11 ) a photodetector ( 20 ) for converting the heat radiation into electrical signals. Gasturbine (10) gemäß Anspruch 2, bei der der Fotodetektor (20) durch eine drahtlose Energieübertragung gespeist ist. Gas turbine ( 10 ) according to claim 2, wherein the photodetector ( 20 ) is powered by a wireless power transmission. Gasturbine (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Lichtwellenleiter (13) in die Welle (17) der ersten Laufschaufel (11) geführt ist und dort endet. Gas turbine ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the optical waveguide ( 13 ) into the wave ( 17 ) of the first blade ( 11 ) and ends there. Gasturbine (10) gemäß Anspruch 4, bei der das Ende des Lichtwellenleiters (13) in der Welle (17) mit einem Kollimator (18) versehen ist. Gas turbine ( 10 ) according to claim 4, wherein the end of the optical waveguide ( 13 ) in the wave ( 17 ) with a collimator ( 18 ) is provided. Gasturbine (10) gemäß Anspruch 5, bei der der Kollimator (18) ausgestaltet ist, die austretende Strahlung in einem axialen Parallelstrahl auszusenden. Gas turbine ( 10 ) according to claim 5, wherein the collimator ( 18 ) is configured to emit the exiting radiation in an axial parallel beam. Gasturbine (10) gemäß Anspruch 4 oder 5, bei der die vom Kollimator (18) kommende Strahlung mit einer Aufnahmeeinrichtung aufgenommen wird, wobei der Empfangsbereich der Aufnahmeeinrichtung so großflächig gestaltet ist, dass im Wesentlichen alle vom Kollimator (18) kommende Strahlung aufnehmbar ist. Gas turbine ( 10 ) according to claim 4 or 5, in which the collimator ( 18 ) received radiation is received with a receiving device, wherein the receiving area of the receiving device is designed so large area that substantially all of the collimator ( 18 ) incoming radiation is absorbable. Gasturbine (10) gemäß Anspruch 7, bei der die Aufnahmeeinrichtung eine Blende oder Hülse zur Vermeidung der Einstreuung von Umgebungslicht aufweist. Gas turbine ( 10 ) according to claim 7, wherein the receiving means comprises a diaphragm or sleeve to avoid the scattering of ambient light. Gasturbine (10) gemäß Anspruch 7 oder 8, bei der die Aufnahmeeinrichtung ein Lichtwellenleiter oder ein Bündel von Lichtwellenleitern zur Weiterleitung der Strahlung zu einem Fotodetektor (20) ist. Gas turbine ( 10 ) according to claim 7 or 8, wherein the receiving device is an optical waveguide or a bundle of optical waveguides for transmitting the radiation to a photodetector ( 20 ). Gasturbine (10) gemäß Anspruch 7 oder 8, bei der die Aufnahmeeinrichtung ein Fotodetektor (20) ist. Gas turbine ( 10 ) according to claim 7 or 8, wherein the receiving device is a photodetector ( 20 ). Gasturbine (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der im Bereich des zur ersten Leitschaufel (12) weisenden Endes des Lichtwellenleiters (13) ein Linsenkollimator (14) vorgesehen ist. Gas turbine ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which in the region of the first guide vane ( 12 ) pointing end of the optical waveguide ( 13 ) a lens collimator ( 14 ) is provided. Gasturbine (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Lichtwellenleiter (13) an seinem Ende getapert ist. Gas turbine ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the optical waveguide ( 13 ) is taped at its end.
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