DE19645187A1

DE19645187A1 - Method and device for measuring blade vibrations

Info

Publication number: DE19645187A1
Application number: DE1996145187
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Ladwig; Uy-Liem Dr Nguyen
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1996-11-02
Filing date: 1996-11-02
Publication date: 1998-05-07
Also published as: GB9723074D0; GB2318873A

Abstract

A device for measuring the rotor blade vibrations of gas turbines comprises a pressure sensor 7 which is mounted on the housing 3 of the gas turbine and projects as close as possible to the rear edge of the rotor blade stage without it being possible for the pressure sensor and the rotor blade 4 to come into contact. The pressure sensor is connected via a line (14, fig.2) to a data processing unit (13) and the signal from the pressure sensor is calibrated using a reference signal 11. The reference signal is determined only at the start of the vibration measurement and is found using strain gauges 9 connected to the rotor 2. The reference signal is transmitted by radio transmitter 12 to a fixed measuring device. The pressure signal however is measured continously throughout the operation of the turbine.

Description

Technical field

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Kraftwerkstechnik. Sie bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mes sung der Laufschaufelschwingungen von Gasturbinen.The invention relates to the field of power plant technology. she relates to a method and an apparatus for measuring Solution of the blade vibrations of gas turbines.

State of the art

In Turbomaschinen sind vor allem die Laufschaufeln statisch hoch belastet. Schwingungen erzeugen eine zusätzliche Bela stung.The blades are particularly static in turbomachinery heavily loaded. Vibrations create an additional bela stung.

Schaufelschwingungen an Strömungsmaschinen können entweder mechanisch angeregt werden oder durch die Strömung des Ar beitsmittels in der Maschine hervorgerufen werden, z. B. durch die bei partieller Beaufschlagung entstehenden Stöße, durch die Nachlaufdellen hinter den Schaufeln der vorangegangenen Schaufelreihe oder durch die Wirbelablösungen an der Schaufel infolge der Sekundärströmung (s. Lueger, Lexikon der Technik, Band 7, Deutsche Verlagsanstalt Stuttgart, 1965, S. 256).Blade vibrations on turbo machines can either be mechanically excited or beitsmittel in the machine caused by the flow of Ar, z. B. by the impact caused by partial loading, by the dents behind the blades of the previous row of blades or by the vortex detachments on the blade as a result of the secondary flow (see Lueger, Lexikon der Technik, Volume 7 , Deutsche Verlagsanstalt Stuttgart, 1965, p. 256 ).

Falls die Schaufelschwingungen sehr groß sind und nicht um gehend Gegenmaßnahmen, wie z. B. eine Lastabsenkung, ergrif fen werden, können die Schaufelschwingungen dazu führen, daß die Schaufel bricht. Schaufelbrüche müssen aber möglichst verhindert werden, da durch das dadurch hervorgerufene Un gleichgewicht die Maschine beschädigt werden kann.If the blade vibrations are very large and not around going countermeasures such. B. a load reduction fen, the blade vibrations can lead to the fact that the shovel breaks. Bucket breaks, however, must be possible can be prevented since the Un balance the machine can be damaged.

Um die Schaufelschwingungen beherrschen zu können, ist es notwendig, diese mittels einer geeigneten Meßtechnik zu er mitteln.To be able to control the blade vibrations, it is necessary to this by means of a suitable measuring technique average.

Bekannt sind Meßmethoden, mit denen die Schwingungen von Laufschaufeln entweder auf dem Rotor oder vom Gehäuse aus ge messen werden (H. Ziegler: Die Messung von Schaufelschwingun gen, ABB Technik, 1994, 9, S. 31-34).Measuring methods are known with which the vibrations of Rotor blades either on the rotor or from the housing will be measured (H. Ziegler: The measurement of blade vibration gen, ABB Technik, 1994, 9, pp. 31-34).

Die Messung der Schwingungen auf dem Rotor erfolgt dabei mit Hilfe von Dehnmeßstreifen, die an den Laufschaufeln ange bracht sind. Die Übertragung der Signale vom Rotor zur fest stehenden Meßeinrichtung wird z. B. bei Dampf- und Gasturbi nen mit am Rotor befestigten Radiosendern (Telemetrie) be werkstelligt. Die Nachteile dieser Methode bestehen einer seits im hohen Aufwand, der durch das Anbringen der Dehnmeß streifen und Leitungen an jeder Schaufel und durch das Verle gen der Leitungen am Rotor entsteht, andererseits ist diese Methode nur kurzfristig, z. B. für Versuchsanlagen, einsetz bar. Sie ist nicht für eine lang andauernde kontinuierliche Messung geeignet.The vibrations on the rotor are also measured With the help of strain gauges attached to the blades are brought. The transmission of the signals from the rotor to the fixed standing measuring device is z. B. in steam and gas turbines with radio transmitters (telemetry) attached to the rotor manufactured. The disadvantages of this method exist on the one hand in the high effort caused by attaching the strain gauge strips and lines on each blade and through the installation against the lines on the rotor, on the other hand this is Method only for a short time, e.g. B. for experimental systems, use bar. It is not for a long continuous Suitable for measurement.

Bei der Messung der Laufschaufelschwingungen vom Gehäuse aus wird die optische Schaufelschwingungs-Meßmethode eingesetzt. Sie ermöglicht praktisch die gleichzeitige Bestimmung der Schwingungen aller Schaufeln einer Reihe. Nachteilig an die sem Stand der Technik ist, daß die Methode relativ teuer ist, weil daß Meßgerät nur von einem Spezialisten bedient werden kann und daß auch diese Methode nur kurzfristig ein setzbar ist, weil die Linsen der optischen Sonden schnell verschmutzen. Außerdem sind keine Aussagen über die Ursachen der Schwingungsanregungen möglich. When measuring blade vibrations from the housing the optical blade vibration measurement method is used. It practically enables the simultaneous determination of the Vibrations of all blades in a row. A disadvantage of that State of the art is that the method is relatively expensive is because the meter is operated only by a specialist and that this method can only be used for a short time is settable because the lenses of the optical probes quickly pollute. In addition, there are no statements about the causes of vibration excitation possible.

Presentation of the invention

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren und eine einfache Vorrichtung zur Laufschaufelschwingungsmessung von Gasturbinen zu schaffen, mit denen über einen langen Zeitraum zuverlässig die Schaufelschwingungen während des Be triebs der Gasturbine gemessen und gleichzeitig Aussagen über die Ursachen der Schwingungsanregungen gemacht werden können.The invention tries to avoid all of these disadvantages. It is based on the task of a simple procedure and a simple device for blade vibration measurement of creating gas turbines with which over a long Period reliably the blade vibrations during loading drive the gas turbine measured and at the same time statements about the causes of the vibration excitation can be made.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einem Verfahren zur Messung der Laufschaufelschwingungen von Gasturbinen, bei welchem vom Gehäuse aus ein geeignetes Si gnal gemessen wird, dieses Signal in ein Datenverarbeitungs gerät übertragen und dort mit einem Referenzsignal verglichen wird, wobei das Referenzsignal am Rotor mittels bekannter Me thode mit Dehnmeßstreifen und Telemetrie ermittelt wird, das Referenzsignal nur zu Beginn der Messung ermittelt wird und als Eichgröße dient, daß das besagte geeignete Signal nahe der Hinterkante der Laufschaufel gemessen wird und ein Maß für den dynamischen Druck ist, und daß das besagte Signal während des gesamten Betriebes der Gasturbine gemessen wird.According to the invention this is achieved in that one Method for measuring the blade vibrations of Gas turbines, in which a suitable Si gnal is measured, this signal in a data processing transmitted device and compared there with a reference signal is, the reference signal on the rotor using known Me method with strain gauges and telemetry is determined Reference signal is only determined at the start of the measurement and serves as a calibration quantity that said suitable signal is close the rear edge of the blade is measured and a measure is for dynamic pressure, and that said signal is measured during the entire operation of the gas turbine.

Erfindungsgemäß ist bei der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ein Drucksensor am Gehäuse der Gasturbine ange bracht, welcher so nah wie möglich an die Hinterkante der Laufschaufelstufe, deren Schwingungen ermittelt werden sol len, heranragt ohne daß es im Betriebszustand der Gasturbine zu einer Berührung zwischen dem Drucksensor und der Lauf schaufel kommen kann, und welcher über eine Leitung mit einem Datenverarbeitungsgerät in Verbindung steht. Vorzugsweise ist der Drucksensor nahe der Hinterkante der letzten Laufschau felreihe angeordnet, weil die Schwingungen der letzten Schau felstufe am gefährlichsten sind. According to the invention for the device for performing the Procedure is a pressure sensor on the housing of the gas turbine brings, which as close as possible to the rear edge of the Blade stage, the vibrations of which are to be determined len, protruding without it in the operating state of the gas turbine to a touch between the pressure sensor and the barrel shovel can come, and which over a line with one Data processing device is connected. Preferably the pressure sensor near the rear edge of the last run row of rows arranged because the vibrations of the last show level are the most dangerous.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß sie eine ein fache Meßtechnik zur Ermittlung der Schaufelschwingungen be reitstellt. Die Laufschaufelschwingungen können problemlos während des gesamten Betriebes der Gasturbine gemessen wer den. Es kann schnell auf zu große Schwingungen reagiert wer den, so daß auf Schaufelschwingungen zurückzuführende ge fährliche Situationen gar nicht erst entstehen. Außerdem ist es möglich, nicht nur die Schaufelschwingungen sichtbar zu machen, sondern auch die Schwankungen in der Strömung, so daß die Ursachen der Schaufelschwingungen, also die Anregun gen, ermittelt werden können.The advantages of the invention are that they are a fold measuring technique for determining the blade vibrations provides. The blade vibrations can easily measured during the entire operation of the gas turbine the. It can quickly react to excessive vibrations the so that ge due to blade vibrations dangerous situations never arise. Besides, is it is possible not only to make the blade vibrations visible make, but also the fluctuations in the flow, so that the causes of the blade vibrations, i.e. the excitation conditions can be determined.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Verschiebung der Nach laufposition in Umfangsrichtung gemessen wird. Die auf die Schwingungen zurückzuführende Ablenkung der Schaufel steht mit der Nachlaufposition in einem Zusammenhang.It is particularly useful if the postponement Running position is measured in the circumferential direction. The on the Deflection of the blade due to vibrations is present in connection with the trailing position.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Turbulenzniveau zwischen den Nachläufen im Bereich der Eigenfrequenz der Schaufeln ge messen wird. Das hat den Vorteil, daß die Primärquelle der Schaufelerregung erkannt werden kann. Das Quellensignal ist im wesentlichen ein Druckfeld, das von der Eigenfrequenz der Schaufel gefiltert wird. Dieses Signal kann als einfaches Schutzkonzept für Schaufeln benutzt werden.It is also advantageous if the turbulence level between the wakes in the area of the natural frequency of the blades will measure. This has the advantage that the primary source of the Blade excitation can be detected. The source signal is essentially a pressure field that depends on the natural frequency of the Bucket is filtered. This signal can be used as a simple Protection concept to be used for shovels.

Schließlich wird mit Vorteil die Größe der Sekundärströmung gemessen. Bei Teillast können auch die relativ geringen Men gen der Sekundärströmung die Schaufel zum Schwingen anregen.Finally, the size of the secondary flow is advantageous measured. With partial load, the relatively low stimulate the blade to vibrate against the secondary flow.

Brief description of the drawing

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Gasturbine dargestellt.In the drawing is an embodiment of the invention represented using a gas turbine.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Gasturbine; Fig. 1 shows a partial longitudinal section of the gas turbine;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung; Fig. 2 is a schematic representation of the measuring device according to the invention;

Fig. 3 ein Diagramm zur Interpretation des gemessenen Si gnals (Messung der Nachlaufposition); Fig. 3 is a diagram for the interpretation of the measured Si gnals (measurement of the trailing position);

Fig. 4 ein Diagramm zur Interpretation des gemessenen Si gnals (Messung der Turbulenzen im Bereich der Eigen frequenz); Fig. 4 is a diagram for interpretation of the measured Si gnals (measurement of turbulence in the range of the natural frequency);

Fig. 5 ein Diagramm zur Interpretation des gemessenen Si gnals (Messung der Sekundärströmung). Fig. 5 is a diagram for the interpretation of the measured Si signal (measurement of the secondary flow).

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise das. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.It is only essential for understanding the invention Chen elements shown. The system is not shown for example that. The flow direction of the work equipment is marked with arrows.

Way of carrying out the invention

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len und der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments and FIGS. 1 to 5.

Fig. 1 zeigt einen Teillängsschnitt einer axial durchströmten Gasturbine. Sie besteht im wesentlichen aus einem sich um eine Achse 1 drehenden Rotor 2, der von einem Gehäuse 3 umge ben ist. Mehrere Reihen von Laufschaufeln 4 sind mit ihren Schaufelfüßen 5 in Umfangsnuten in den Rotor 2 eingeschoben und dort arretiert. Im feststehenden Gehäuse 3 oder in einem nicht dargestellten Schaufelträger sind Leitschaufeln 6 ein gehängt. Am Gehäuse 3 ist ein Drucksensor 7 festgemacht, der möglichst nah an die Hinterkante der letzten Laufschaufel 4 heranragt. Selbstverständlich kann der Drucksensor 7 in einem anderen Ausführungsbeispiel auch hinter einer anderen Lauf schaufelreihe angeordnet werden. Der Abstand des Drucksensors 7 von der Laufschaufel 4 muß aber groß genug sein, um eine Berührung oder Beschädigung des Drucksensors 7 durch Schwin gungen der Laufschaufel 4 während des Betriebs zu verhindern. Mit dem Drucksensor 7, welcher beispielsweise mit einem Pie zokristall arbeitet, wird der dynamische Druck der Strömung gemessen. Dieser ist dem Quadrat der Geschwindigkeit propor tional. Der Drucksensor 7 liefert dann ein entsprechendes Si gnal 8. Fig. 1 shows a partial longitudinal section of an axially flowing gas turbine. It consists essentially of a rotor 2 which rotates about an axis 1 and is surrounded by a housing 3 . Several rows of blades 4 are inserted with their blade feet 5 into circumferential grooves in the rotor 2 and locked there. In the fixed housing 3 or in a blade carrier, not shown, guide vanes 6 are hung. A pressure sensor 7 is attached to the housing 3 and projects as close as possible to the rear edge of the last moving blade 4 . Of course, in another embodiment, the pressure sensor 7 can also be arranged behind another row of blades. The distance of the pressure sensor 7 from the blade 4 must be large enough to prevent contact or damage to the pressure sensor 7 by vibrations of the blade 4 during operation. With the pressure sensor 7 , which works for example with a piezo crystal, the dynamic pressure of the flow is measured. This is proportional to the square of the speed. The pressure sensor 7 then provides a corresponding Si signal 8 .

Das Signal 8 muß am Anfang der Schwingungsmessung gemäß Er findung über die aus dem Stand der Technik bekannte Meßme thode mit Dehnmeßstreifen und Telemetrie geeicht werden. Da zu werden an den Laufschaufeln 4 Dehnmeßstreifen 9 mit Lei tungen 10 appliziert, die ein Referenzsignal 11 zu einem am Rotor 2 angebrachten Radiosender 12 liefern. Die Übertragung der Signale 11 vom Rotor 2 zu einer feststehenden Meßein richtung erfolgt dabei über den Radiosender 12 (Telemetrie). Durch Korrelation des Signals 8 mit dem Referenzsignal 11 ist es möglich, nach erfolgtem Abbau der Telemetrie-Einrichtung das Signal 8 zur Überwachungsfunktion für die Schaufelschwin gungen zu benutzen.The signal 8 must be calibrated at the beginning of the vibration measurement according to the invention using the measuring method known from the prior art with strain gauges and telemetry. Since to be applied to the blades 4 strain gauges 9 with Lei lines 10 , which deliver a reference signal 11 to a radio transmitter 12 attached to the rotor 2 . The transmission of the signals 11 from the rotor 2 to a fixed Meßein direction takes place via the radio transmitter 12 (telemetry). By correlating the signal 8 with the reference signal 11 , it is possible, after the telemetry device has been removed, to use the signal 8 for monitoring functions for the blade vibrations.

Fig. 2 zeigt schematisch die gesamte erfindungsgemäße Meß einrichtung. Dabei wird das im Drucksensor 7 erzeugte Signal 8 über eine Leitung 14 in eine Datenverarbeitungsanlage 13, in der die Werte der Eichmessung, die vor der eigentlichen Schwingungsmessung durchgeführt werden muß, gespeichert sind, übertragen und mit den Referenzsignalen 11 verglichen. Fig. 2 shows schematically the entire measuring device according to the invention. The signal 8 generated in the pressure sensor 7 is transmitted via a line 14 to a data processing system 13 , in which the values of the calibration measurement which have to be carried out before the actual vibration measurement are stored, are compared and compared with the reference signals 11 .

Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Nutzbarmachung und In terpretation des Signals 8, die in den Fig. 3 bis 5 darge stellt sind. In diesen Figuren ist jeweils die Größe des Si gnals 8 in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen. There are various possibilities for harnessing and interpreting the signal 8 , which are shown in FIGS . 3 to 5 Darge. In these figures, the size of the signal 8 is plotted as a function of time.

In Fig. 3 sind die Meßergebnisse bezüglich der Verschiebung der Nachlaufposition in Umfangsrichtung dargestellt. Die auf die Schwingungen zurückzuführende Ablenkung der Schaufel ist dabei der Nachlaufposition zu entnehmen. Je größer die Zeit verschiebung Δt ist, desto größer sind die Schwingungsampli tuden.In Fig. 3, the measurement results are shown with respect to the displacement of the tracking position in the circumferential direction. The deflection of the blade due to the vibrations can be found in the trailing position. The larger the time shift Δt, the larger the vibration amplitudes.

Diese Meßtechnik ist nur erfolgreich anwendbar, wenn die Schaufelschwingungen nicht von Frequenzen dominiert werden, die harmonische Oberschwingungen der Rotationsfrequenz sind. Schaufeln werden im allgemeinen so ausgelegt, daß sie nicht durch diese Oberschwingungen erregt werden. Daher ist der Hauptzweck des Meßsystems die Überwachung der stochastischen Erregung der Schaufeln.This measurement technique can only be used successfully if the Blade vibrations are not dominated by frequencies which are harmonics of the rotational frequency. Buckets are generally designed so that they do not are excited by these harmonics. Hence the Main purpose of the measuring system is the monitoring of stochastic Excitation of the blades.

Fig. 4 zeigt Ergebnisse der Messung des Turbulenzniveaus zwi schen den Nachläufen im Bereich der Eigenfrequenz der Schau feln. Es wird ein Filter um die Schaufeleigenfrequenz gelegt, so daß man Aussagen über die Größe der Turbulenzen in der Strömung erhält. Die Druckschwankungen, die durch die Turbu lenzen verursacht werden, können Schaufelschwingungen hervor rufen. Diese Methode macht es möglich, die Erregungsquelle zu überwachen anstatt nur auf die Nachwirkungen zu schauen. Fig. 4 shows results of the measurement of the turbulence level between the wakes in the area of the natural frequency of the blades. A filter is placed around the blade natural frequency so that statements about the size of the turbulence in the flow can be obtained. The pressure fluctuations caused by the turbulence can cause blade vibrations. This method makes it possible to monitor the source of excitation instead of just looking at the after effects.

In Fig. 5 sind beispielhaft die Ergebnisse einer Messung der Sekundärströmung dargestellt. Je breiter das Zeitintervall I ist, in welchem das Signal 8 von seinem Grundwert abweicht, desto größer ist die Sekundärströmung, die die Schaufel zu Schwingungen anregt. Dieses Signal allein reicht aber wahr scheinlich nicht aus, um durchweg die Höhe der Schaufel schwingungen nachzuweisen, sondern es sind zusätzliche Infor mationen, z. B. über den Mengenstrom, notwendig.In Fig. 5 the results of measurement of the secondary flow are exemplified. The wider the time interval I in which the signal 8 deviates from its basic value, the greater the secondary flow which excites the blade to vibrate. However, this signal alone is probably not sufficient to consistently demonstrate the height of the blade vibrations, but there is additional information, e.g. B. on the volume flow, necessary.

Die oben gezeigten Beispiele können auch miteinander kombi niert werden, um die resultierenden Informationen über die Schaufelschwingungen besonders zuverlässig zu machen.The examples shown above can also be combined be nated to the resulting information on the To make blade vibrations particularly reliable.

Reference list

11

Maschinenachse
Machine axis

22nd

Rotor
rotor

33rd

Gehäuse
casing

44th

Laufschaufel
Blade

55

Laufschaufelfüße
Blade feet

66

Leitschaufel
vane

77

Drucksensor
Pressure sensor

88th

Signal für dynamischen Druck in der Strömung
Signal for dynamic pressure in the flow

99

Dehnmeßstreifen
Strain gauges

1010th

Leitung zur Übertragung von Pos. Line for the transfer of pos.

1111

Referenzsignal
Reference signal

1212th

Radiosender
Radio station

1313

Datenverarbeitungsanlage
Data processing system

1414

Leitung zur Übertragung von Pos. Line for the transfer of pos.

88th

Δt Zeitverschiebung
I Zeitintervall
Δt time shift
I time interval

Claims

1. A method for measuring the blade vibrations of gas turbines, in which a suitable signal ( 8 ) is measured from the housing ( 3 ), this signal ( 8 ) is transferred to a data processing device ( 13 ) and compared there with a reference signal ( 11 ) , the reference signal ( 11 ) on the rotor ( 2 ) being determined by means of a known method with strain gauges and telemetry, characterized in that the reference signal ( 11 ) is only determined at the start of the measurement and serves as a calibration variable that the said signal ( 8 ) is measured near the rear edge of the blade ( 4 ) and is a measure of the dynamic pressure, and that said signal ( 8 ) is measured during the entire operation of the gas turbine.

2. The method according to claim 1, characterized in that the shift of the caster position in the circumferential direction is measured.

3. The method according to claim 1, characterized in that the level of turbulence between the wakes in the area the natural frequency of the blades is measured.

4. The method according to claim 1, characterized in that the size of the secondary flow is measured.

5. Apparatus for performing the method according to claim 1, characterized in that a pressure sensor ( 7 ) is attached to the housing ( 3 ) of the gas turbine, wel cher as close as possible to the trailing edge of the blade stage whose vibrations are to be determined len protrudes without there being any contact between the pressure sensor ( 7 ) and the rotor blade ( 4 ) in the operating state of the gas turbine, and which is measured via a line ( 12 ) with a data processing device ( 13 ) for the purpose of correlating the pressure sensor ( 7 ) NEN signal ( 8 ) with a reference signal ( 11 ) in connec tion.

6. The device according to claim 5, characterized in that the pressure sensor ( 7 ) is arranged after the last blade row.