专利名称：涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种涡轮机，其包括设置在可转动地支承在壳体中的转子轴上的动叶片，这些动叶片由导电材料制成且带有电绝缘表面。本发明还涉及一种涡轮机，其包括设置在可转动地支承在壳体中的转子轴上的动叶片和抗扭地设置的静叶片，这些静叶片由导电材料制成且带有电绝缘表面。
带有叶片结构(用于与流过涡轮机的流体流相互作用)的涡轮机基本上作为压缩机、透平或类似机械已被公知。为提高这类机械的效率，对涡轮机所使用的材料提出了越来越高的物理要求。也就是说，为提高燃气透平的效率，应将在燃气透平中流动的燃气气流的温度提高到1200℃以上。为了能承受这种高的物理要求，尤其是出于温度原因而要求承受的这种高的物理要求，透平的叶片设有用于承受特别高的负荷的涂层。这种涂层例如是所谓的燃气透平叶片的热防护涂层，以下称作TBC，其中叶片在其暴露于燃气气流的表面覆盖有这种涂层。
这种叶片涂层可能老化，而且老化的状况与叶片的运行时间和其他运行条件有关。在达到预定的运行时间后，例如涂层会脱落，这样一来叶片将无保护地经受由燃气气流产生的高负荷。为避免叶片破碎及因此而损坏透平，需要立即更换叶片。
因而，在现有技术中预先设定这种叶片的运行时间，在到达此时间后则拆卸透平、更换叶片，或者在叶片还未损坏时涂覆新涂层。这样做的缺点在于为避免叶片和透平出现故障，将维修间隔确定得很短或者很频繁，以高度确保两次维修间隔之间不发生故障。据此，应追求的是，这种涡轮机直到要求更换叶片或重新涂覆时才需要维修，以保持特别低的费用和较短的停机时间。
在US 6 512 379中公开了一种在叶片自身损坏之前确定叶片涂层损坏的可能性的装置。在此公知的装置中，流过透平的燃气向透平叶片施加导致叶片弹性变形的压力。此外，在燃气绕流叶片时在燃气和叶片之间产生摩擦。这将导致由压力引起的压电效应、应变引起的电致伸缩效应或摩擦引起的“摩擦带电”(“tribo-charging”)效应所产生的、通常在千兆赫(GHz)范围的射频信号。这种射频信号可用高频天线检测。而透平叶片涂层的损坏将产生与其他叶片不一致的信号。因此可得出表面涂层被损坏的结论。
本发明要解决的技术问题是用另一种可能的简单方式在叶片自身损坏之前确定叶片涂层的损坏。
本发明解决上述技术问题的技术方案是将动叶片的导电材料部分与参考电位电连接，且涡轮机具有至少一个设置在动叶片区域、用于测量由动叶片表面上电荷分布所引起的电场强度和/或磁场强度的测量件。
这利用了这样的效应电荷选择在绝缘体上“终止(festsetzen)”，而在导电材料上流出。对于TBC陶瓷层恰好也是这种情况，即，来自被电离的燃气气流中的带电荷的粒子在陶瓷层上沉积，而在未被涂覆的金属上导出。该陶瓷层上的电荷量正比于TBC面积，借此可对陶瓷层完整性进行测量。此时，动叶片转动经过固定天线旁，于是可检测出电荷差异，也就是说，一方面检测无叶片的区域(间隙)的电荷，另一方面检测单个叶片之间的电荷，从而给出关于TBC层受损的结论。由电荷所产生的电场的频率由转数(如60Hz)和叶片数(如80)的乘积(如4800Hz)得出，对电场的检测例如可以由伸入到燃气气流中的实现同轴的偶极子天线(koaxialausgeführte Dipolantenne)(电容耦合)来完成。于是，这种检测可在低频区域完成。在时间范围内可以通过如80振荡框(im Frame von z.B.80Schwingungen)(叶片数)中的振幅大小来对叶片的完整性进行表述，或者在频率范围内通过例如60Hz的转数谐波的出现来表述。在理想情况下，在时间范围内，一框(Frame)的所有振幅是相同的；或者在频率范围，例如4800Hz以下看不到分谐波。
本发明首次提出了一种监测叶片状态、尤其在涡轮机运行期间连续监测叶片状态、且在达到预定的磨损极限时及时对透平、尤其对叶片进行维修和/或检查的可能性。如上面所述，本发明利用了这样的效应，即，电荷优先聚集于绝缘体上，而电荷通过导电材料被导走。当流体自身电离成相应的载流子或者向流体导入相应的载流子时，在流体物质的流动中出现电荷。积聚在绝缘层上的电荷正比于其面积，而且主要取决于该面积。积聚在转动的动叶片上的载流子产生电场，电场的场强可以用测量件来检测。因此，通过分析测量件的信号可以得出场强。完好无损的叶片在测量件中产生振幅相对明显的测量信号(如电压)；动叶片上被磨损的涂层或有缺陷的涂层导致电荷经导电动叶片导送到与动叶片处于电连接的参考电位，因此，对于这种叶片在测量件中产生较小振幅的测量信号。随着转子轴的转动，叶轮上的所有叶片经过测量件旁，于是可得知叶轮的全部动叶片的状况。
在另一实施方式中建议涡轮机具有设置成抗扭的、由导电材料制成且带有电绝缘表面的静叶片，其中这些静叶片的导电材料部分与参考电位电连接，且在转子轴上、静叶片区域内设有至少一个用于测量由这些静叶片表面上电荷分布所引起的电场强度和/或磁场强度的测量件。于是，可以利用同样的效应对设置在静叶片上的绝缘表面进行同样的监测。还可以将此另一实施方式与前面提到的、用于确定带涂层的动叶片损坏状况的措施结合起来。
此外，还建议测量件由同轴天线构成。优选将同轴天线设计得非常紧凑，因此能方便地与现有的结构成一整体。此外，这种同轴天线具有好的测量性能，其中基于所利用的测量原理可使畸变和测量误差很小。还可方便地将同轴天线设计成在规定的测量部位处能满足高物理要求。原则上讲，当然也可采用其他的如静电计或类似的测试仪表之类的测量件。当然，除此以外还可以设置基于电荷运动形成磁场而产生相应信号的测量件。因此，可将测量件设计成可获取磁场变化的测量线圈，从磁场的变化确定叶片涂层的状态。
另外，还建议使测量件与测量单元相连接。借助测量单元可以有利地将测量件所提供的测量结果进行预处理，以便作进一步处理。
再者，建议测量单元包括监控装置。借助该监控装置例如可以确定是否达到预先给定的阈值，并规定在达到此阈值时对涡轮机进行维修。
另外，建议测量单元与总站处于通信连接。于是，一方面可将测量结果持续地传送给总站，以便例如预测随后的维修，或者可根据实际的磨损状态着手采取如维修之类的措施或启用备用装置。这种通信连接例如可以通过无线电、因特网等来实现。在总站可存储所传送的数据以供随后的进一步处理之用。
此外，建议监控装置具有信号组件和/或警示组件。达到阈值时，可向操作人员发出警告，以便及时采取合理措施。信号组件例如可以由在其上可指示实际测量值的监视器构成。当然，这些值也可用图形方式显示在显示器上，此外还可以将它们与可调节的阈值进行对比。在达到阈值时，可以接通如报警灯、圆形灯(Rundumleuchte)、信号喇叭之类的警示组件。当然也可以向总站通报。
还建议借助于监控装置使涡轮机停机。于是可有利地实现在确定叶片上出现缺陷时，可以在机器被损坏之前使机器停机。这样可以减少停机时间、降低维修费用和维修的花费。
在本发明再一实施方式中，建议涡轮机为透平，尤其为燃气透平。特别有利的是，对特别高要求的燃气透平叶片而言可以针对涂层的损坏进行连续监控，因此不必预先设定固定的维修间隔。此外，可以依据实际叶片的状态按要求选择维修时刻，从而可进一步减少提前维修所需的停机时间和费用。此外，优选通过相应存储和处理测量数据来监控所使用的叶片的质量。若在较短的维修间隔表现出质量受到损失时，可以相应地调节叶片的加工过程。
本发明还对用于确定涡轮机中设置在可转动地支承于壳体中的转子轴上、由导电材料制成的至少一动叶片的电绝缘表面受损的方法提出了建议，其中借助至少一个测量件来测量由所述至少一动叶片表面上电荷分布所引起的电场强度和/或磁场强度，并确定与可预设的阈值的偏差。优选可以对叶片的表面状态进行监控，且可以确定是否达到可预先设定的磨损极限。当然也可以设置多个测量件，将这些测量件的测量值类似地与相应的预先给定的阈值进行比较。于是，例如可以对测量件设置备份，从而可实现高可靠性的测量。这对动力供应中所采用的、在出现错误测量时将导致很高费用的主要的燃气透平尤其有利。当然，若在转子轴上设置相应测量件，也可获知静叶片的状态。可以类似地采用此测量方法。
用于确定涡轮机中抗扭地设置在壳体中、由导电材料制成的至少一个静叶片的电绝缘表面受损的方法可类似地这样来实现借助至少一个设置在转子轴上、所述静叶片区域内的测量件来测量由所述至少一静叶片表面上电荷分布所引起的电场强度和/或磁场强度，并确定与可预设的阈值的偏差。
此外，建议将所述偏差传送到总站。优选多台涡轮机由一公共总站监控，从而可以从整体上降低监控费用。
为了在超出(berschreiten)阈值时可采取合适的措施，建议在超出阈值时发出警示信号。例如这可以由总站来执行，当然也可以由测量单元自身产生和发出警示信号。例如可以在发出光学或声学信号的相应合适的显示装置中发出这种警示信号。当然，在例如涡轮机正常运行无需技术人员进行操作时，也可由总站发出警示信号。
此外，还建议在超出阈值时使涡轮机停机。于是可以有利地实现保护功能，这样一来可以防止因损坏的表面导致整个叶片损坏。此措施也可例如由总站执行。为此，可以在涡轮机上设置相应的可用来对涡轮机的运行进行控制的控制装置。
在又一实施方式中还建议借助测量单元将来自测量件的测量信号进行变换，尤其是进行付里叶变换。来自测量件的测量信号具有因经过分立的叶片而在测量件上产生的频率部分。通过对测量信号进行变换可以清楚地获知与正常值的偏差。
为此，建议采用进行快速付里叶变换的变换装置(FFT-变换装置)。该FFT-变换装置例如可设置在测量单元中或也可设置在远距离的总站。利用FFT-变换装置可以将测量信号连续地变换成相应的变换信号。可以对变换信号实现连续监控。
为确定叶片的状态，还建议显示并通知变换结果。于是，例如可以向操作人员传送变换结果，以告知叶片处于什么状态。
为了例如产生信号或者产生涡轮机运行的判断标准，建议将变换结果与可预先设定的阈值进行比较。于是，可以有利地对叶片的磨损状态实现特别灵敏的、准确的检测。还可检测出被认为出现了磨损的微小减小，从而可以及时采取合适措施，如更换叶片或修复涂层。
当然，也可根据所使用的叶片及涂层改变阈值，从而可考虑不同的涂层性质和不同的负荷。于是，例如可以将位于涡轮机流体入口处的叶片的阈值调节成不同于如该涡轮机流体出口处的叶片的阈值。此外，也可将阈值预先设定为是涡轮机的其他运行参数的函数。因此，可以将涡轮机高负荷时的阈值调节成高于该涡轮机低负荷时的阈值。
通过下文对具体实施方式
的描述可了解到本发明另外的优点和特征。附图中基本相同的结构部件用相同的附图标记表示。此外，有关相同的特征和功能参见对
图1的实施方式的描述。
图1为燃气透平的透视图，其壳体沿纵向剖开；图2为图1所示的燃气透平中覆有涂层的动叶片的侧视图3为图1所示的燃气透平中覆有涂层的静叶片的侧视图；图4为带有本发明测量件的、图1所示透平的透平区和压缩区的放大图；图5为表示图1所示的燃气透平运行过程的原理图；图6为用于检测所述测量件的测量信号的测量单元的方框图；图7的图表示出了燃气透平的负荷为100％功率时用图6测量构件测得的测量信号的付里叶变换；图8为如图7那样变换的测量信号的图表，但燃气透平的负荷为额定功率的30％；图9为如图7那样变换的测量信号的图表，但燃气透平在100％功率时停机。
图1为现有的燃气透平1的透视图，该燃气透平具有设置在可转动地支承在壳体2中的转子轴3上的多个动叶片4以及抗扭地设置的多个静叶片7。轴的端部设有空气入口18，沿轴向在该空气入口之后设有压缩机19。紧随压缩机19的是带有燃烧器21的燃烧室20，与该燃烧室相连接的是带有燃气出口23的透平区22。透平区22的放大图在图4中示出。在图4中用附图标记24表示动叶片4表面上存在的电荷。
图2示出了设置在转子轴3上的单个动叶片4，其由导电材料制成，优选由如钢或类似金属制成。动叶片4的表面5上覆有电绝缘涂层，在此是陶瓷涂层。
图3示出了相应的同样由导电材料制成的静叶片7，静叶片的表面8上同样具有陶瓷涂层。
动叶片4经转子轴3和转子轴3的一个未详细示出的轴承接地。同样静叶片7经透平1的壳体2接地。
运行期间，热工作气体从燃烧室20经透平区22流到出口23。因这股气流为1200℃的高温而带有电离的粒子，这些粒子优先沉积在绝缘表面上。因此，叶片4、7的表面5、8带正电。如由图4可看到的，在壳体2上与第一个带有叶片4的动叶片排相对置地设有同轴天线6，该天线在转子轴3转动时可检测由位于动叶片4上的载流子引起的电场变化。同轴天线6以从旁流过的电荷的节奏产生相应的电信号，电信号经导线25被传送到测量单元10。此例中使用的燃气透平1的转速为每分钟3600转，其具有80个沿径向设置在与同轴天线6相对置的动叶片轮上的动叶片4。于是，在所述转速下每秒产生4800个脉冲，相应频率为4800Hz。
图5示意地示出了测量过程。图5示出了透平1的一段转子轴3和设置在其上的一动叶片4以及固定在壳体2上的一静叶片7。同轴天线6测量局部电场，并经导线25将与测量值相应的信号传送给测量单元10。测量单元10对传送的信号进行预处理，并将其传送到被测量单元10包容的监控装置11。监控装置11将经预处理的信号的电平与可预先设定的阈值15进行比较，且在未超出(Unterschreiten)时将相应的警示信号传送到信号喇叭14，此外，经无线电通信13向总站12发出信息。总站12设有用于接收和预处理由无线电通信13所传送信号的接收单元26。被接收的信号在如交互式数值系统(Mathcad)那样的FFT单元16中进行付里叶变换，并在显示器27上显示出来。显示器27可以例如由荧光屏构成，或者也可由装入壳体内的多行发光二极管构成。此外，显示器27具有可调节的阈值17。借此可显示所变换的信号电平未超出的情况。监控装置28将所变换的信号电平与阈值连续地进行比较，且在未超出阈值时将相应的信号传送给透平1的控制单元29。通过控制单元29可使透平1停止运行。而且还可以在确定出现磨损时使透平1停机，并进行维修。
与转子轴3同轴的燃气气流因其温度约为1200℃而含有离子。燃气气流的这些正载流子沉积在叶片4的绝缘表面5上。叶片4上通过转子轴3的转动而流经同轴天线6旁的载流子起到了相应的按本方法处理的测量信号的作用。如果此时叶片4上绝缘表面例如因磨损而出现损坏，由于正电荷至少部分地经叶片4的金属体导向地面，于是叶片4表面5上的正电荷减少。减少的电荷量导致同轴天线6的信号相应减小，其中在未超出预定的阈值15时自动采取上面所述的措施。
同样，在图5中示出了对与透平1的壳体2相连接的、同样具有绝缘表面8的静叶片7进行相应监控的情况。静叶片7的表面8上也相应带有正电。转子轴3上与静叶片相对置的轴断面上设有对应的测量件9，该测量件在此结构中被设计成感应传感器。感应传感器9在静叶片结构的轴向高度上转动，且以这种方式测量由运动差所产生的磁场。经图中未详细示出的连接件将相应的信号传送到适合于此的测量单元，为同样可以在燃气透平1的系统中起作用，可以将该测量单元与测量单元10以通讯技术的方式连接。当然，原则上在此处也可设置如同轴天线6那样的电容测量件。
图6示出了用于测量由同轴天线6提供的信号的测量构件。为进行这种测量将同轴天线6与放大器30相连，该放大器的输出信号作为瞬时记录器31的输入，借助PC中的FFT对瞬时记录器的时间信号进行变换。
图7是图1中的燃气透平在100％负荷下运行时由瞬时记录器存储的、且在Mathcad中进行变换的数据组的信号电平-频率图。该图表具有笛卡尔座标系，其纵坐标表示测量信号的相对功率电平，而横座标相应于以赫兹(Hz)为单位的频率。明显可以看出，在频率为4800Hz时出现单一的一个尖峰，这相应于上面所给定的脉冲序列。
图8与图7所示图表类似，其中功率仅为透平1的额定功率的30％。在这里也可明显地看出在4800Hz处的一个尖峰。
图9与图7所示图表类似，但透平1从100％负荷下逐渐停下来呈静止状态。甚至在这里仍可明显看出4800Hz处的尖峰。但在这里可以得知，尖峰的纵座标值取决于透平的功率。因此，为对涂层实现有用的监控，可按照燃气透平1的实际功率状态来跟踪阈值17。于是，对于燃气透平1的各种功率状态，可以与燃气透平1运行状态无关地确定叶片4、7的表面5、8上涂层的有效性。
图中所示实施方式仅用于说明本发明，本发明并不局限于这些实施方式。因此，在不超出本发明的保护范围的前提下，尤其可对测量件的类型或进一步的信号处理以及测量件的设置和所使用测量件的数量进行改变。当然尤其可使用双态元件(duale Element)，例如用测量磁场的测量件代替测量电场的测量件，因为这涉及测量那些相对测量件可运动的电荷。尤其还包括借助环绕转子轴转动的测量件来监控静叶片的涂层。优选可设置多个沿转子轴方向前后设置的测量件。优选还可以为一个透平叶片环配设一个测量件。借此，可准确地确定出环上表面涂层的损坏情况。此外，也可借助同步脉冲、例如与电源频率(例如60Hz)相关的同步脉冲准确地确定叶片表面涂层的损坏情况。
附图标记说明1燃气透平2壳体3转子轴
4动叶片5动叶片的表面6同轴天线7静叶片8静叶片的表面9感应传感器10 测量单元11 监控装置12 总站13 无线电通讯14 信号喇叭15 阈值16 FFT装置17 阈值18 空气入口19 压缩机20 燃烧室21 燃烧器22 透平区23 燃气出口24 电荷25 导线26 接收单元27 显示器28 第二监控装置29 控制单元30 放大器31 瞬时记录器
权利要求
1.一种涡轮机(1)，包括设置在可转动地支承在壳体(2)中的转子轴(3)上的动叶片(4)，这些动叶片由导电材料制成且带有电绝缘表面(5)，其中所述动叶片(4)的导电材料部分与一参考电位电连接，其特征在于，具有至少一个设置在所述动叶片(4)区域内、用于测量由所述动叶片(4)的表面(5)上的电荷分布引起的电场强度和/或磁场强度的测量件(6)。
2.一种涡轮机(1)，包括设置在可转动地支承在壳体(2)中的转子轴(3)上的动叶片(4)以及抗扭地设置的、由导电材料制成且带有电绝缘表面(8)的静叶片(7)，其中所述静叶片(7)的导电材料部分与一参考电位电连接，其特征在于，具有至少一个设置在转子轴(3)上、静叶片(7)区域内、用于测量由所述静叶片(7)的表面(8)上的电荷分布引起的电场强度和/或磁场强度的测量件(9)。
3.按照权利要求2所述的涡轮机(1)，其特征在于，所述动叶片(4)由导电材料制成且带有电绝缘表面(5)，其中所述动叶片(4)的导电材料部分与一参考电位电连接；设有至少一个设置在动叶片(4)区域内、用于测量由所述动叶片的所述表面上的电荷分布引起的电场强度和/或磁场强度的测量件(6)。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述至少一个测量件(6、9)由同轴天线构成。
5.按照权利要求1至4中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述至少一个测量件(6、9)与测量单元(10)相连接。
6.按照权利要求5所述的涡轮机，其特征在于，所述测量单元(10)包括监控装置(11)。
7.按照权利要求5或6所述的涡轮机，其特征在于，所述测量单元(10)与总站(12)保持通信连接(13)。
8.按照权利要求6或7所述的涡轮机，其特征在于，所述监控装置(11)具有信号组件和/或警示组件(14)。
9.按照权利要求6至8中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机(1)借助所述监控装置(11)实现停机。
10.按照权利要求1至9中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述电绝缘表面(5、8)由涂层构成。
11.按照权利要求1至10中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机(1)是一种透平，尤其是一种燃气透平。
12.一种确定涡轮机(1)中至少一个设置在可转动支承于壳体(2)中的转子轴(3)上、且由导电材料制成的动叶片(4)的电绝缘表面(5)损坏的方法，其特征在于，借助至少一个测量件(6)测量由所述至少一动叶片(4)的表面(5)上电荷分布引起的电场强度和/或磁场强度，并确定与一可预定的阈值(15)的偏差。
13.一种确定涡轮机(1)中至少一个抗扭地设置在壳体(2)中、且由导电材料制成的静叶片(7)的电绝缘表面(8)损坏的方法，该涡轮机具有设置在其壳体(2)中可转动支承的转子轴(3)上的动叶片(4)，其特征在于，借助至少一个设置在所述转子轴(3)上、所述静叶片(7)区域内的测量件(9)测量由所述至少一静叶片(7)的表面(8)上电荷分布引起的电场强度和/或磁场强度，并确定与一可预定的阈值(15)的偏差。
14.按照权利要求12或13所述的方法，其特征在于，将所述偏差传送给总站(12)。
15.按照权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于，在超出所述阈值(15)时发出警示信号。
16.按照权利要求12至15中任一项所述的方法，其特征在于，在超出所述阈值(15)时使涡轮机(1)停机。
17.按照权利要求12至16中任一项所述的方法，其特征在于，借助测量单元(10)将将由测量件(6、9)提供的测量信号进行变换，尤其进行付里叶变换。
18.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，所述变换利用快速付里叶变换装置(16)进行。
19.按照权利要求17或18所述的方法，其特征在于，示出和/或通告所述变换结果。
20.按照权利要求17至19中任一项所述的方法，其特征在于，将所述变换结果与一可预定的阈值(17)进行比较。
全文摘要
本发明涉及一种涡轮机(1)，其包括设置在可转动地支承在壳体(2)中的转子轴(3)上的动叶片(4)，这些动叶片由导电材料制成且带有电绝缘表面(5)。动叶片(4)的导电材料与参考电位电连接。在动叶片(4)的区域内设置至少一个用于测量由这些动叶片(4)的表面(5)上的电荷分布所引起的电场强度和/或磁场强度的测量件(6)。
文档编号F01D21/00GK1708633SQ200380102235
公开日2005年12月14日 申请日期2003年10月14日 优先权日2002年11月6日
发明者托马斯·博塞尔曼, 弗朗兹·艾尔曼, 汉斯－彼得·海因德尔, 威尔弗里德·施内尔 申请人:西门子公司