DE4019000A1

DE4019000A1 - TURBINE WITH A SHAFT AND FASTENED TURBINE BLADES

Info

Publication number: DE4019000A1
Application number: DE19904019000
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Zoerner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-06-13
Filing date: 1990-06-13
Publication date: 1991-12-19
Also published as: WO1991019963A1

Abstract

The invention relates to a turbine with a shaft (1) to which turbine blades (2) are fastened. Vibrations in the housing (5, 6) surrounding the turbine blades (2) are monitored for detecting damages to turbine blades (2) using a magnetic circuit (10) which preferably surrounds a permanent magnet (11) in the blade head (3) and an emitter (7) in the housing (5, 6). The invention is particularly useful in the low-pressure part of steam turbines where turbine blades (2) subjected to high mechanical stresses are located. It is also suitable when a high-temperature resistant ceramic coil is used with turbine blades (2) in high- and medium-pressure turbines.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine mit einer Welle und daran befestigten Turbinenschaufeln und mit einem die Turbinenschaufeln umgebenden Gehäuse, wobei eine Schwingungsüberwachungseinrichtung zur Feststellung von Schäden an den Turbinenschaufeln vorgesehen ist. Die Erfindung kommt insbesondere für den Niederdruckteil einer Dampfturbine in Frage, wo große, mechanisch besonders beanspruchte Turbinenschaufeln sitzen.The invention relates to a turbine with a shaft and thereon attached turbine blades and with one the turbine blades surrounding housing, wherein a vibration monitoring device intended to detect damage to the turbine blades is. The invention comes in particular for the low pressure part a steam turbine in question where large, mechanically special stressed turbine blades sit.

Es ist bekannt, bei der Entwicklung von Endstufen moderner Dampf turbinen mit Schaufeln bis zu 1 m Länge das Schwingungsverhalten mit Dehnungsmeßstreifen zu überwachen, deren Signale über eine telemetrische Signalverarbeitung erfaßt werden. Diese Methode eignet sich jedoch nur für niedrige Temperaturen und versagt bei Dauerbetrieb wegen ihrer Störanfälligkeit.It is known in the development of modern steam amplifiers turbines with blades up to 1 m long the vibration behavior to monitor with strain gauges, the signals of which via a telemetric signal processing can be detected. This method is only suitable for low temperatures and fails in continuous operation due to their susceptibility to faults.

Bekannt geworden ist auch die Erfassung der Amplitudenmessung der Schaufeln mittels eines Laserstrahls. Der Nachteil dieser Methode ist jedoch, daß bei Belägen an den Schaufeln die Signal erfassung gestört wird. Ferner kann dieses Verfahren nur durch einen großen Aufwand mit Kühlung bei höheren Temperaturen ein gesetzt werden.The detection of the amplitude measurement has also become known the blades by means of a laser beam. The disadvantage of this The method is, however, that the signal on deposits on the blades detection is disturbed. Furthermore, this method can only be done by a lot of effort with cooling at higher temperatures be set.

Im Betrieb läßt sich das Abreißen größerer Schaufeln daran er kennen, daß die damit verbundene Unwucht das Schwingungsver halten der Turbinenwelle erkennbar verändert. Der Schaden ist dann jedoch bereits eingetreten und eine Reparatur mit einem längeren Betriebsstillstand unvermeidlich.In operation, he can tear off larger blades know that the unbalance associated with the vibration ver keep the turbine shaft visibly changed. The damage is then, however, already occurred and a repair with a prolonged downtime is inevitable.

Demgegenüber geht die Erfindung von der Aufgabe aus, bereits einen sich anbahnenden Schaden an einzelnen Turbinenschaufeln festzustellen, weil dann durch eine rechtzeitige Auswechslung die im allgemeinen wesentlich größeren Folgeschäden vermieden werden könnten.In contrast, the invention is based on the task already an impending damage to individual turbine blades to determine because then by a timely replacement the consequential damage, which is generally much greater, is avoided could become.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß Turbinenschaufeln nicht spontan abreißen, sondern daß eine relativ langsam fort schreitende Rißbildung durch Wechselbeanspruchung dem endgülti gen Versagen vorangeht. Gemäß der Erfindung wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß für Turbinen der eingangs genannten Art bei mehreren um den Umfang der Welle verteilten Turbinen schaufeln an dem dem Gehäuse zugekehrten Ende der eine Teil eines magnetisch gekoppelten Kreises vorgesehen ist, und daß der andere Teil des magnetisch gekoppelten Kreises am Gehäuse angeordnet und als Geber derart mit einer Auswertungsschaltung verbunden ist, daß das durch einen Anriß an einer Turbinen schaufel veränderte Schwingungsverhalten erfaßt wird.The invention is based on the finding that turbine blades do not tear off spontaneously, but that a relatively slowly away progressive cracking due to alternating stress the final leading to failure. According to the invention, said Object achieved in that for turbines of the aforementioned Type with several turbines distributed around the circumference of the shaft shovel one part at the end facing the housing a magnetically coupled circuit is provided, and that the other part of the magnetically coupled circuit on the housing arranged and as a transmitter with an evaluation circuit is connected by a crack on a turbine vane-modified vibration behavior is detected.

Mit der Erfindung kann vor allem die sich ändernde Schwingungs amplitude an der Spitze der betroffenen Turbinenschaufel er kannt werden, und zwar während des Betriebes. Sind z. B. nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Schaufelkopf Permanentmagnete eingesetzt, so induzieren diese in einer Spule, die im Gehäuse, z. B. dem festen Leitschaufelträger, sitzt, eine Spannung, die charakteristisch ist für eine gege bene Amplitude. Bei Änderung der Amplitude einer oder mehrerer Turbinenschaufeln ändern sich die Signalabstände zu benach barten Schaufeln und die Signalcharakteristik. Dabei ist die Signalausbildung der schwingenden Turbinenschaufel durch die Geometrie der Beschaufelung und die Eigenschaften der Spule festgelegt. Besonders vorteilhaft läßt sich die Erfindung mit einem Vergleich verwirklichen, bei dem die vorliegenden Be triebsdaten (Istwerte) mit den Anfangswerten (Sollwerte) ver glichen werden, die bei Inbetriebnahme der Anlage oder bei Ver suchsläufen aufgenommen und gespeichert wurden.Above all, the changing vibration can amplitude at the tip of the affected turbine blade be known, namely during operation. Are z. B. after a preferred embodiment of the invention in the blade head Permanent magnets are used to induce them in one Coil in the housing, e.g. B. the fixed guide vane carrier, sits, a tension that is characteristic of a counter level amplitude. When changing the amplitude of one or more Turbine blades change the signal distances to neighboring beard shovels and the signal characteristics. Here is the Signal formation of the vibrating turbine blade through the Blading geometry and coil properties fixed. The invention can be used with particular advantage realize a comparison in which the present Be ver drive data (actual values) with the initial values (setpoints) be compared when commissioning the system or when ver searches were recorded and saved.

Um einen sich anbahnenden Schaden sicher zu erkennen und Fehler auszuschließen, können zur Analyse der Schwingung mehrere Wellenumläufe herangezogen werden, damit die tatsächlichen maximalen Amplituden der geschädigten Turbinenschaufel erfaßt werden. Ferner kann die Genauigkeit der Messung durch zusätz liche Geber erhöht werden, die vorzugsweise im Gehäuse verteilt angeordnet sind.To reliably detect impending damage and errors exclude several to analyze the vibration Waves are used so that the actual maximum amplitudes of the damaged turbine blade are detected will. Furthermore, the accuracy of the measurement can be determined by additional Liche encoder are increased, preferably distributed in the housing are arranged.

Die in der Beschaufelung von Turbinen auftretenden hohen Tempe raturen werden bei einer Weiterbildung der Erfindung dadurch beherrscht, daß die im magnetischen Kreis verwendeten Spulen eine Keramikisolierung aufweisen. Solche Spulen können auch anstelle möglicherweise temperaturempfindlicher Permanentma gnete eingesetzt werden, wenn sie mit Gleichspannung gespeist werden. Durch eine Markierung am Schaufelkopf, insbesondere eine magnetische Kodierung, läßt sich vorteilhafterweise die Lage jeder Schaufel erkennen, so daß eine genaue Schadensort ung möglich ist.The high temperatures occurring in the blading of turbines in a development of the invention masters that the coils used in the magnetic circuit have ceramic insulation. Such coils can also instead of possibly temperature sensitive permanentma gnete be used when fed with DC voltage will. By marking the blade head, in particular a magnetic coding, can advantageously Recognize the location of each shovel so that an exact location of damage is possible.

Die Aufnahme des Istzustandes der Schaufelschwingungen kann während des Betriebes ständig, intermittierend oder abhängig von anderen Alarmsignalen an der Turbine erfolgen. In jedem Fall können die Istwerte gespeichert und so rechnergesteuert über ein Auswertprogramm mit den Sollwerten verglichen werden. Dabei können zur umfassenden Bewertung der Schwingungsüber wachung auch die Ist-Drehzahl und die Leistung der Turbine zu geordnet werden.The recording of the actual state of the blade vibrations can constantly, intermittently or dependent during operation from other alarm signals on the turbine. In each In this case, the actual values can be saved and thus computer controlled can be compared with the target values via an evaluation program. It can be used for a comprehensive evaluation of the vibration transfer the actual speed and the power of the turbine be ordered.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigtFor a more detailed explanation of the invention, the drawing described an embodiment. It shows

Fig. 1 einen vereinfachten Teilquerschnitt einer Turbine und Fig. 1 shows a simplified partial cross section of a turbine and

Fig. 2 in größerem Maßstab Einzelheiten des magnetischen Kreises. Fig. 2 on a larger scale details of the magnetic circuit.

Die in Fig. 1 in einem Querschnitt vereinfacht dargestellte Turbine ist eine Dampfturbine zum Antrieb eines Generators und hat einen Hoch- und einen Niederdruckteil. Durch den letzten geht der Schnitt, der in einem Ausschnitt den im wesentlichen rotationssymmetrischen Aufbau erkennen läßt.The turbine shown in simplified cross-section in FIG. 1 is a steam turbine for driving a generator and has a high and a low pressure part. The cut passes through the last section, which reveals the essentially rotationally symmetrical structure in a section.

An der Turbinenwelle 1 sind Turbinenschaufeln 2 aus Chromstahl befestigt, die in der Endstufe eine Länge von 1 m haben. Sie sind mit ihrem Schaufelfuß in der Turbinenwelle 1 verankert. Ihr Schaufelkopf 3 ist durch einen Spalt 4 von einem Innen gehäuse 5 getrennt, das als Träger der nicht dargestellten Leitschaufeln feststehend in dem Außengehäuse 6 angeordnet ist. Vom Außengehäuse 6 zum Innengehäuse 5 erstreckt sich ein Geber 7 zur Schwingungsüberwachung, der durch Ausnehmungen 8 und 9 ragt und der anhand der Fig. 2 näher erläutert wird.On the turbine shaft 1 , turbine blades 2 made of chrome steel are attached, which have a length of 1 m in the final stage. They are anchored with their blade root in the turbine shaft 1 . Your blade head 3 is separated by a gap 4 from an inner housing 5 , which is fixedly arranged in the outer housing 6 as a carrier of the guide vanes, not shown. A transmitter 7 for vibration monitoring extends from the outer housing 6 to the inner housing 5 , which projects through recesses 8 and 9 and which is explained in more detail with reference to FIG. 2.

Zur Schwingungsüberwachung dient ein magnetischer Kreis 10, dessen nicht dargestellte Kraftlinien den Spalt 4 überbrücken. Sie gehen von einem in die Turbinenschaufeln 2 am Schaufel kopf 3 eingelassenen Einsatz 11 aus, der als Permanentmagnet den an der Schaufel 2 angeordneten Teil des magnetischen Kreises 10 bildet. Der Einsatz 11 hat, wie die gekippte Dar stellung des Schaufelprofils zeigt, eine längliche Form mit einer dem Schaufelprofil angepaßten schrägen Lage.A magnetic circuit 10 , whose force lines, not shown, bridge gap 4 , is used for vibration monitoring. They are based on an insert 11 inserted into the turbine blades 2 on the blade head 3 , which forms the part of the magnetic circuit 10 arranged on the blade 2 as a permanent magnet. The insert 11 has, as the tilted Dar position of the blade profile shows, an elongated shape with an inclined position adapted to the blade profile.

Der Geber 7 bildet den dem Gehäuse 5, 6 zugeordneten anderen Teil des magnetischen Kreises 10. Sein wesentlicher Bestand teil ist eine auf einem Kern 12 sitzende Spule 13 mit kerami scher Isolierung (Keramikspule). Sie ist in einer Abdeckung 14 untergebracht, die mit zwei Flanschen 15 und 16 am Innengehäu se 5 bzw. am Außengehäuse 6 befestigt ist. Zwischen den Flan schen 15 und 16 ist die Abdeckung 14 zum Ausgleich von Wärme bewegungen als Wellrohr 17 gestaltet.The transmitter 7 forms the other part of the magnetic circuit 10 assigned to the housing 5 , 6 . Its essential component is a coil 13 sitting on a core 12 with ceramic insulation (ceramic coil). It is housed in a cover 14 which is attached to the inner housing 5 and the outer housing 6 with two flanges 15 and 16 . Between the flanges 15 and 16 , the cover 14 is designed to compensate for thermal movements as a corrugated tube 17 .

Beim Betrieb der Turbine induziert der Permanentmagnet 11 in der Spule 13 Spannungen, die als Signalwerte einer nicht darge stellten Auswertungsschaltung zugeführt werden. Sie sind charakteristisch für das Schwingungsverhalten der Turbinen schaufel 2 und können deshalb zur Fehlererkennung dienen, wenn sich das Schwingungsverhalten, besonders die Amplitude, ge gebenenfalls aber auch die Frequenz, durch Anrisse ändert, die vor allem am Schaufelfuß auftreten. Deshalb kann die Turbine rechtzeitig außer Betrieb genommen und die Turbinenschaufel 2 in einer kurzen Stillstandsphase ausgewechselt werden, bevor durch das Abreißen der Turbinenschaufel 2 mit seinen Folge schäden wesentlich längere Reparaturzeiten notwendig werden.During operation of the turbine, the permanent magnet 11 induces voltages in the coil 13 which are supplied as signal values to an evaluation circuit (not shown). They are characteristic of the vibration behavior of the turbine blade 2 and can therefore be used for error detection if the vibration behavior, especially the amplitude, but possibly also the frequency, changes due to cracks that occur primarily on the blade root. Therefore, the turbine can be taken out of operation in good time and the turbine blade 2 can be replaced in a short standstill phase before the tearing off of the turbine blade 2 with its consequential damage necessitates considerably longer repair times.

Im Gegensatz zu der vereinfachten Darstellung des Ausführungs beispiels werden in der Praxis mehrere, unter Umständen auch alle Turbinenschaufeln 2 mit einem magnetischen Teil ausgerüstet. Dabei kann eine magnetische Kodierung der einzelnen Turbinen schaufeln 2 z. B. durch eine unterschiedliche Länge des Einsatzes 11 erhalten werden. Damit können die Schwingungscharakteristiken der einzelnen Schaufeln 2 schon mit einem einzelnen Geber 7 er mittelt werden. Im Hinblick auf Ausfallsicherheit und Meßgenauig keit sind jedoch mehrere Geber 7 vorteilhaft, die am Gehäuse 5, 6 verteilt angeordnet sein können.In contrast to the simplified representation of the embodiment example, several, possibly all turbine blades 2 are equipped with a magnetic part in practice. A magnetic coding of the individual turbines can shovel 2 z. B. can be obtained by a different length of the insert 11 . Thus, the vibration characteristics of the individual blades 2 can be averaged with a single transmitter 7 . In terms of reliability and accuracy of measurement, however, several sensors 7 are advantageous, which can be distributed on the housing 5 , 6 .

Oben war dargelegt worden, daß die Einrichtung bevorzugt für den Niederdruckteil einer Entspannungsturbine in Frage kommt. Statt dessen eignet sie sich auch bei Verwendung einer hochtemperaturbeständigen Keramikspule für den Einsatz bei Turbinenschaufeln 2 in Hoch- und Mitteldruckturbinen.It was explained above that the device is preferred for the low-pressure part of an expansion turbine. Instead, it is also suitable when using a high-temperature-resistant ceramic coil for use with turbine blades 2 in high and medium pressure turbines.

Claims

1. Turbine mit einer Welle (1), mit an dieser befestigten Turbinenschaufeln (2) und mit einem die Turbinenschaufeln (2) umgebenden Gehäuse (5, 6), insbesondere Niederdruckteil einer mehrstufigen Dampfturbine, wobei eine Schwingungsüberwachungs einrichtung zur Feststellung von Schäden an den Turbinenschaufeln (2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,

- daß bei mehreren um den Umfang der Welle (1) verteilten Turbinen schaufeln (2) an dem dem Gehäuse (5, 6) zugekehrten Ende (3) der eine Teil (11) eines magnetisch gekoppelten Kreises (10), insbe sondere ein Permanentmagnet, vorgesehen ist, und
- daß der andere Teil (7) des magnetisch gekoppelten Kreises (10) , insbesondere eine Induktionsspule (13), am Gehäuse (5, 6) angeord net und als Geber (7) derart mit einer Auswertungsschaltung ver bunden ist, daß das durch einen Anriß an einer Turbinenschaufel (2) veränderte Schwingungsverhalten erfaßt wird.

1. Turbine with a shaft ( 1 ), with attached turbine blades ( 2 ) and with a turbine blades ( 2 ) surrounding the housing ( 5 , 6 ), in particular low-pressure part of a multi-stage steam turbine, with a vibration monitoring device for determining damage to the Turbine blades ( 2 ) is provided, characterized in that

- That at several around the circumference of the shaft ( 1 ) distributed turbine blades ( 2 ) on the housing ( 5 , 6 ) facing end ( 3 ) of a part ( 11 ) of a magnetically coupled circuit ( 10 ), in particular a special permanent magnet , is provided, and
- That the other part ( 7 ) of the magnetically coupled circuit ( 10 ), in particular an induction coil ( 13 ) on the housing ( 5 , 6 ) angeord net and as a transmitter ( 7 ) ver with an evaluation circuit connected that that by a Crack on a turbine blade ( 2 ) changed vibration behavior is detected.

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß mehrere Geber (7) im Gehäuse (5, 6) verteilt angeordnet sind.2. Turbine according to claim 1, characterized in that a plurality of sensors ( 7 ) in the housing ( 5 , 6 ) are arranged distributed.

3. Turbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der der Turbinenschaufel (2) zuge ordnete Teil (11) des magnetischen Kreises (10) eine in die Turbinenschaufel (2) eingelassene hochtemperaturfeste Spule ist, die mit Gleichspannung gespeist wird.3. Turbine according to claim 1 or 2, characterized in that the assigned to the turbine blade ( 2 ) part ( 11 ) of the magnetic circuit ( 10 ) in the turbine blade ( 2 ) is a high-temperature-resistant coil which is fed with DC voltage.

4. Turbine nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem magnetischen Kreis vorzugsweise verwendete Spule (13) eine Keramikisolierung aufweist.4. Turbine according to one of claims 1, 2 or 3, characterized in that the coil ( 13 ) preferably used in the magnetic circuit has ceramic insulation.

5. Turbine nach einem der der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungsschaltung einen Speicher zur Festlegung eines Sollwertes, vorzugsweise eines störungsfreien Anfangszustandes, für einen Vergleich mit dem Ist-Wert aufweist.5. Turbine according to one of claims 1 to 4, characterized characterized that the evaluation circuit a memory for setting a target value, preferably a trouble-free initial state, for a comparison with the actual value.

6. Turbine nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Sollwert eine Variable in Ab hängigkeit von der Drehzahl und/oder der Leistung der Turbine ist.6. Turbine according to claim 5, characterized indicates that the setpoint is a variable in Ab dependence on the speed and / or the power of the turbine is.

7. Turbine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der den Turbinenschaufeln (2) zu geordnete Teil (11) des magnetischen Kreises (10) eine für die einzelne Turbinenschaufel (2) kennzeichnende Kodierung umfaßt.7. Turbine according to claim 1 to 6, characterized in that the turbine blades ( 2 ) associated part ( 11 ) of the magnetic circuit ( 10 ) comprises a coding for the individual turbine blade ( 2 ).