DE10152026A1

DE10152026A1 - Warnung vor Pumpgrenze oder Schaufelschaden bei einer Turbomaschine

Info

Publication number: DE10152026A1
Application number: DE10152026A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Grauer
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2004-02-19
Also published as: US7108477B2; WO2003038282A1; EP1474610A1; DE50206768D1; US20050038570A1; JP2005507056A; EP1474610B1; JP4174031B2

Abstract

Bei einem Verfahren zur Ermittlung einer Pumpgrenzwarnung (W) bei einem Turboverdichter oder einer Warnung bei Schaufelschäden werden mindestens zwei Messsignale DOLLAR I1, beispielsweise Druckmesssignale ermittelt, es wird ein Periodizitätswert DOLLAR I2 aus mindestens einem der Messsignale DOLLAR I3 berechnet, der ein Maß für das Auftreten periodischer Signalpegeländerungen des mindestens einen Messignals DOLLAR I4 bei einem vorbestimmten ersten Zeitversatz (t¶1¶) angibt, es wird ein Korrelationswert DOLLAR I5 aus den mindestens zwei Messsignalen DOLLAR I6 berechnet, der ein Maß für die Ähnlichkeit der mindestens zwei Messsignale DOLLAR I7 zueinander bei einem vorbestimmten zweiten Zeitversatz (t¶2¶) angibt, und es wird die Pumpgrenzwarnung (W) oder die Warnung bei Schaufelschäden (W) aus dem Periodizitätswert DOLLAR I8 und dem Korrelationswert DOLLAR I9 bestimmt. Ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine oder einer Turbomaschine sowie ein Turboverdichter und eine Gasturbine weisen entsprechende Merkmale auf. Durch die Erfindung wird ein Berechnungsverfahren vorgeschlagen, um einen sich abzeichnenden Pumpzustand bei dem Turboverdichter oder einen Schaufelschaden so rechtzeitig zu erkennen, dass noch geeignete Maßnahmen zur Pumpvermeidung getroffen werden können bzw. zur Reparatur.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet von Turboverdichtern, wie sie beispielsweise in Gasturbinen (insbesondere als Flugzeugtriebwerke) oder bei der Energieerzeugung oder in der chemischen Industrie Anwendung finden. Insbesondere betrifft die Erfindung das Gebiet, ein sich während des Betriebs des Turboverdichters abzeichnendes Verdichterpumpen rechtzeitig zu erkennen, so dass geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden können. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Schaufelschaden eines Rotors einer Turbomaschine, wie einer Dampf- oder Gasturbine. Bei der Gasturbine kann es sich um ein Flugtriebwerk oder eine stationäre Gasturbine handeln, die jeweils in Verdichter und Turbine Rotoren aufweisen.
Turboverdichter weisen allgemein eine von ihrer Leistungscharakteristik abhängige Stabilitätsgrenze auf. Wird während des Betriebs des Turboverdichters diese Stabilitätsgrenze unbeabsichtigt überschritten (z.B. durch eine Eintrittsstörung oder durch Temperaturänderungen oder Verschmutzung), so setzen starke instationäre Strömungen (rotierendes Abreißen, Pumpen) ein, die schnell bis zur Zerstörung der Maschine führen können. Es ist daher üblich, bei der Auslegung des Turboverdichters einen hinreichenden Abstand zwischen der Arbeitslinie und der Stabilitätsgrenze vorzusehen, wobei als Sicherheitsreserve alle Störungen berücksichtigt werden, die den Pumpgrenzabstand herabsetzen könnten. Durch einen solchen festen Sicherheitsabstand geht jedoch ein erheblicher Arbeitsbereich des Verdichters mit gutem Wirkungsgrad verloren.
Um bei modernen Konstruktionen den Wirkungsgrad und/oder die Leistungsdichte weiter zu steigern, sind Überlegungen angestellt worden, wie Turboverdichter in der Nähe der Stabilitätsgrenze sicher betrieben werden können. Es ist bekannt, bei einem herannahenden Pumpzustand (Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestabstands zur Pumpgrenze) die Arbeitslinie des Verdichters schnell abzusenken oder die Pumpgrenze zu verschieben. Dies kann beispielsweise durch Öffnen eines Abblasventils und/oder durch Verstellung von Leitschaufeln und/oder durch Verringerung der Brennstoffzufuhr geschehen. Um das Herannahen der Pumpgrenze zu ermitteln, sind bereits unterschiedliche Ansätze verfolgt worden.

Aus der DE 643 25 375 T2 ist ein Verfahren zur Überwachung und Steuerung eines Verdichters bekannt, bei dem Druckschwankungen innerhalb einer Verdichterstufe gemessen und hinsichtlich ihrer Freguenzkomponenten analysiert werden. Wenn mindestens eine charakteristische Spitze in einem von der Drehzahl und der Schaufelanzahl abhängigen Frequenzbereich auftritt, wird in Abhängigkeit von der Gestalt der aufgetretenen mindestens einen Spitze ein Warnsignal erzeugt. Das Warnsignal kann für Steuer- und Regelungszwecke verwendet werden, um beispielsweise durch Absenken der Last oder Verringern der Kraftstoffeinspritzrate den sich abzeichnenden kritischen Zustand zu vermeiden.

Das US-Patent US 6,231,306 B1 zeigt ein Steuersystem zur Verhinderung eines Strömungsabrisses bei einem Turboverdichter. Aus einem von einem Drucksensor ermittelten Messsignal wird ein Mittelwert der quadrierten Amplitude eines relevanten Frequenzbereichs berechnet. Der Mittelwert wird normalisiert und mit einem Schwellwert verglichen. Bei einer Schwellwertüberschreitung wird entweder ein Ablassventil geöffnet oder es wird die Leitschaufelstellung verändert.

Aus der DE 694 11 950 T2 ist ein Verfahren zur Erkennung eines Pumpzustands bekannt, bei dem die Triebwerksabgastemperatur und die Triebwerksverdichterdrehzahl ausgewertet werden.

Es besteht ein Bedürfnis, die bekannten Verfahren hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit und/oder des erforderlichen Aufwands für die Sensorik und Signalverarbeitung weiter zu verbessern.

Die Erfindung hat demgemäß die Aufgabe, ein Berechnungsverfahren vorzuschlagen, um einen sich abzeichnenden Pumpzustand bei einem Turboverdichter zuverlässig so rechtzeitig zu erkennen, dass noch geeignete Maßnahmen zur Pumpvermeidung getroffen werden können. Zudem soll ein Schaufelschaden eines Rotors einer Turbomaschine möglichst frühzeitig erkannt werden. Eine Aufgabe bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ist es, dieses Ziel mit möglichst wenigen zusätzlichen Sensoren zu erreichen, also mit möglichst wenigen Sensoren, die bei dem Turboverdichter nicht sowieso schon vorgesehen sind. Eine weitere Aufgabe bevorzugter Ausführungsformen der Erfindungen ist es, komplexe Rechenoperationen zu vermeiden, um dadurch mit relativ geringer Rechenleistung eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit (Datenverarbeitung in Echtzeit} zu erzielen.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zur Ermittlung einer Warnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine bzw. einer Turbomaschine gemäß Anspruch 10 bzw. 14, einen Turboverdichter nach Anspruch 11 und eine Gasturbine nach Anspruch 13 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.

Die Erfindung beruht auf der Grundidee, umlaufende Störungen zu identifizieren, die während der Annäherung an die Stabilitätsgrenze des Verdichters auftreten. In Experimenten, bei denen der Verdichter langsam bis an die Pumpgrenze gedrosselt wurde, ließen sich im Vorfeld der Verdichterinstabilität derartige umlaufende Störungen beobachten. Die Umlaufgeschwindigkeit im Ringraum des Verdichters ist vom Verdichter und unter Umständen auch von der Drehzahl abhängig. Die Störungen können sowohl langwellig (modal) als auch kurzwellig (in Form von sogenannten spikes) sein.

Erfindungsgemäß ist ein kombiniertes Kriterium für die Warnung vorgesehen. Dieses Kriterium setzt sich zusammen erstens aus dem Unterkriterium, dass die charakteristischen, periodischen Störungsmuster deutlich im Messsignal eines Temperatur-, Druck- oder Strömungsgeschwindigkeitssensors auftreten, und zweitens aus dem Unterkriterium, dass das Messsignal des ersten Sensors mit dem Messsignal eines zweiten Sensors, der in Umfangsrichtung des Turboverdichters oder der Turbomaschine zum ersten Sensor versetzt angeordnet ist, korreliert sind. Weitere Temperatur-, Druck- oder Strömungsgeschwindigkeitssensoren können vorgesehen sein. Die Warnung wird in Abhängigkeit davon abgegeben, in welchem Maße diese beiden Unterkriterien erfüllt sind.

Die Erfindung liefert eine zuverlässige Pump- bzw. Schaufelschadensfrüherkennung basierend auf der Identifikation der genannten charakteristischen Signalstrukturen, die bei der Annäherung des Betriebspunkts an die Pumpgrenze bzw. bei einem Schaufelschaden auftreten. Der instrumentelle Aufwand ist gering, weil die benötigten mindestens zwei Sensoren bei üblichen Verdichtern entweder schon aus anderen Gründen vorhanden sind oder sie zumindest ohne Schwierigkeiten hinzugefügt werden können. Auch der Berechnungsaufwand zur Bestimmung der beiden oben genannten Unterkriterien ist nicht besonders hoch, weil insbesondere keine aufwendigen Frequenzanalysen erforderlich sind. Durch die Erfindung kann mit relativ geringer Rechenleistung eine rasch ansprechende Pumpgrenzwarnung bzw. eine Warnung für einen Schaufelschaden abgegeben werden.

In der im vorliegenden Dokument. verwendeten Wortwahl ist der Begriff "Pumpen" im weitesten Sinne aufzufassen und umfasst neben dem eigentlichen Pumpen (surging) auch den rotierenden Strömungsabriss (rotating stall) im Verdichter. Unter dem Begriff "Pumpgrenzwarnung" ist dementsprechend jedes Warnsignal zu verstehen, das auf einen sich anbahnenden Strömungsabriss oder Pumpzustand im Verdichter hinweist.

Die erfindungsgemäß vorgesehenen mindestens zwei Temperatur-, Druck- oder Strömungsgeschwindigkeitssensoren sind in Umfangsrichtung des Turboverdichters oder der Turbomaschine gegeneinander versetzt angeordnet. Sie können einen Umfangsabstand von 180° oder auch weniger, beispielsweise 90°, 60°, 45° oder 30° aufweisen. Auch wenn mehr als zwei Temperatur-, Druck- oder Strömungsgeschwindigkeitssensoren vorgesehen sind, brauchen diese nicht unbedingt in einem einheitlichen Umfangsabstand angeordnet zu sein. Die mindestens zwei Sensoren befinden sich vorzugsweise in einer gemeinsamen Axialebene des Turboverdichters oder der Turbomaschine. Dies kann beispielsweise die Ebene vor dem ersten Rotor sein; andere Ebenen sind aber ebenfalls möglich.

Die erfindungsgemäß ermittelten mindestens zwei Messsignale entsprechen den Ausgangssignalen je eines der Temperatur-, Druck- oder Strömungsgeschwindigkeitssensoren. Mit dem Begriff "entsprechen" ist nicht notwendigerweise eine Identität gemeint; vielmehr kann das Ausgangssignal eines Sensors beispielsweise skaliert (Multiplikation mit einem konstanten oder veränderlichen Faktor) oder verschoben (Addition eines konstanten oder veränderlichen Werts, beispielsweise zur Mittelwertbereinigung) oder invertiert (Multiplikation mit -1 oder Kehrwertbildung) werden, um aus ihm das entsprechende Messsignal zu erhalten. Ferner sind die Messsignale vorzugsweise digitale Wertefolgen, die durch eine Analog/Digital-Wandlung (und gegebenenfalls weitere Verarbeitungsschritte) aus den analogen Sensor-Ausgangssignalen erhalten wurden.

Bei der Bestimmung des Periodizitätswerts und des Korrelationswerts wird erfindungsgemäß ein erster bzw. ein zweiter Zeitversatz angewendet. In unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung sind der erste und/oder der zweite Zeitversatz konstant vorgegeben (gegebenenfalls in Abhängigkeit vom Verdichtertyp) oder von der jeweiligen Umdrehungsgeschwindigkeit oder anderen Parametern (z.B. dem Verdichterdruck) abhängig. Die Erfindung ist auch nicht darauf beschränkt, nur jeweils einen Periodizitätswert und Korrelationswert zu berechnen; vielmehr sind auch Ausführungsformen vorgesehen, bei denen stets mehrere dieser Werte (typischerweise mit unterschiedlichen Zeitversatz-Werten oder für unterschiedliche Messsignale) berechnet und ausgewertet werden.

Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorzugsweise von einer programmgesteuerten Einrichtung, z.B. einem digitalen Signalprozessor (DSP) ausgeführt. Es sind jedoch auch Implementierungen mit einer festverdrahteten Digitallogik oder analoge Implementierungen denkbar. Die Aufzählungsreihenfolge der Verfahrensschritte in den Ansprüchen ist nicht als Einschränkung zu verstehen; vielmehr können diese Verfahrensschritte auch in anderer Reihenfolge oder ganz oder teilweise parallel oder semi-parallel (ineinander verzahnt) ausgeführt werden.

In bevorzugten Ausführungsformen wird die Warnung dann abgegeben, wenn das Produkt des Periodizitätswerts und des Korrelationswerts einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt. In anderen Ausführungsformen wird statt der Produktbildung eine andere Funktion verwendet, die die beiden genannten Werte derart verknüpft, dass große periodische Signaländerungen und/oder eine hohe Signalkorrelation zur Ausgabe der Warnung führen. Die Schwellwertberechnung kann in weiteren Ausführungsformen unabhängig für die beiden Werte durchgeführt werden, wobei die Warnung vorzugsweise nur bei Überschreiten beider Schwellwerte abgegeben wird.

Zur Berechnung des Periodizitätswerts und/oder des Korrelationswerts werden vorzugsweise die benötigten Messsignale in einem gleitenden Fenster einer vorgegebenen (festen oder von Messwerten abhängigen) Fensterbreite ausgewertet. Die Fensterbreite bestimmt maßgeblich den erforderlichen Rechenaufwand und kann deshalb auch je nach der zur Verfügung stehenden Rechenleistung verändert werden. Die Abtastfrequenz der Sensoren und der Signalauswertung liegt in bevorzugten Ausgestaltungen in der Größenordnung von 1 kHz bis 2 kHz.

Vorzugsweise ist vorgesehen, den Periodizitätswert als Durchschnittswert (skaliert oder nicht-skaliert) der quadratischen Abweichung von je zwei um den ersten Zeitversatz gegeneinander verschobenen Messpunkten eines der Messsignale zu berechnen. Das ausgewertete Messsignal wird in manchen Ausführungsformen zuvor einer Mittelwertbereinigung unterzogen. In Ausführungsalternativen wird statt der quadratischen Abweichung die Betragsdifferenz oder die kubische Betragsdifferenz gebildet. Statt der Mittelwertberechnung kann in Ausführungsalternativen (insbesondere dann, wenn die Fensterbreite und/oder der erste Zeitversatz konstant sind/ist) auch eine bloße Summenbildung erfolgen. Der Periodizitätswert soll insgesamt anzeigen, in welchen Maße Strukturen mit starken periodischen Signaländerungen im Messsignal auftreten.

Um den Korrelationswert zu berechnen, wird in bevorzugten Ausführungsformen der Mittelwert des Produkts von je zwei um den zweiten Zeitversatz gegeneinander versetzten Messpunkten zweier unterschiedlicher Messsignale berechnet. Auch hier kann in Ausführungsalternativen eine Summierung statt der Mittelwertbildung erfolgen, und statt der Produktberechnung kann eine andere Funktion herangezogen werden. Insgesamt soll der Korrelationswert angeben, wie genau die beiden betrachteten Messsignale, wenn sie um den zweiten Zeitversatz gegeneinander verschoben werden, übereinstimmen.

In manchen Ausführungsformen der Erfindung wird die ermittelte Warnung lediglich einem Piloten oder einer sonstigen Bedienperson angezeigt. Vorzugsweise wird jedoch in Reaktion auf die Pumpgrenzwarnung in einem automatisch ablaufenden Verfahrensschritt ein Betriebsparameter des Turboverdichters verändert, um ein Verdichterpumpen zu vermeiden. Beispielsweise kann ein Abblasventil geöffnet werden oder die Statorschaufeln des Turboverdichters können verstellt werden.

Ist der Turboverdichter Bestandteil einer Gasturbine, so kann ferner bei erkannter Pumpgrenzannäherung durch Schubdüsenverstellung, Ein- oder Abblasung, VGV-Verstellung oder Brennstoffmodulation eine Stabilisierung der Strömung erreicht werden, bevor der Verdichter aerodynamisch instabil wird.

Die genannten Maßnahmen haben zur Folge, dass die Gasturbine (beispielsweise das Flugzeugtriebwerk) bei vielen Betriebsbedingungen näher an der Pumpgrenze betrieben werden kann, als es mit einem statischen Pumpgrenzabstand möglich wäre. Dies führt zu einem verbesserten Wirkungsgrad und zu verbesserten Kraftstoffverbrauchseigenschaften (geringerer schubspezifischer Kraftstoffverbrauch SFC). Auch wenn diese Möglichkeit nicht ausgeschöpft wird, steigt die Betriebssicherheit der Gasturbine, weil Störungen, die ohne eine Regelung zur Instabilität führen würden, im Vorfeld erkannt und durch eine geregelte Vergrößerung des Pumpgrenzabstandes beseitigt werden.

Wird eine Gasturbine (insbesondere ein Flugzeugtriebwerk) unter Verwendung der Erfindung neu entwickelt, können die durch die Erfindung erzielbaren Verbesserungen berücksichtigt werden, um die Neuentwicklung gegebenenfalls auf eine höhere Turbinenstufenbelastung auszulegen beziehungsweise den nötigen Pumpgrenzabstand bedarfsabhängig zu optimieren.

In bevorzugten Ausgestaltungen sind die Turbomaschine, der Turboverdichter und die Gasturbine mit Merkmalen weitergebildet, die den gerade beschriebenen Merkmalen oder den in den abhängigen Verfahrensansprüchen genannten Merkmalen entsprechen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und mehrerer Ausführungsalternativen hervor. Es wird auf die schematischen Zeichnungen verwiesen, in denen zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht durch eine als Flugzeugtriebwerk ausgestaltete Gasturbine mit einer daran angeschlossenen Steuereinheit,
2 ein Datenflussdiagramm eines Auswertungsverfahrens bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, und
3 eine beispielhafte Darstellung des zeitlichen Verlaufs zweier mittelwertbereinigter Messsignale.
Die in 1 gezeigte Zweiwellen-Gasturbine 10 ist an sich bekannt. Sie weist einen mehrstufigen Niederdruckverdichter 12 und einen mehrstufigen Hochdruckverdichter 14 auf. In Strömungsrichtung folgen ein Brennraum 16, eine Hochdruckturbine 18 und eine Niederdruckturbine 20. Der Niederdruckverdichter 12 und die Niederdruckturbine 20 sind durch eine gemeinsame (innere) Welle verbunden, und ebenso sind der Hochdruckverdichter 14 und die Hochdruckturbine 18 mit einer gemeinsamen (äußeren) Welle verbunden.
Die Gasturbine 10 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Flugzeugturbine ausgestaltet. In Ausführungsalternativen ist der Einsatz der Erfindung auch für Ein-Wellen-Gasturbinen, für Gasturbinen mit drei und mehr Wellen, für stationäre Gasturbinen (z.B. in der Kraftwerkstechnik) und bei Verdichtern für andere Einsatzzwecke (z.B. Verfahrenstechnik, Lüftungstechnik) vorgesehen.
Zwei Sensoren 22, 24 sind in einer gemeinsamen Axialebene in Strömungsrichtung vor dem ersten Rotor des Hochdruckverdichters 14 angeordnet. Die Sensoren 22, 24 sind in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt, und zwar im vorliegenden Ausführungsbeispiel um 180°. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Sensoren 22, 24 piezoelektrische Drucksensoren, die als solche bekannt sind. In Ausführungsalternativen sind stattdessen Strömungsgeschwindigkeitssensoren vorgesehen.
Ausgangssignale s₁, s₂ der Sensoren 22, 24 werden einer Steuereinheit 26 zugeführt, die als digitaler Signalprozessor (DSP) mit der erforderlichen Zusatzbeschaltung ausgestaltet ist. Zwei Analog/Digital-Wandler 28, 30 setzen die analogen Sensor-Ausgangssignale s₁, s₂ mit einer Abtastfrequenz von ungefähr 1 kHz bis 2 kHz in digitale Messsignale p₁, p₂ um.
Die Messsignale p₁, p₂ werden von einem Pumpgrenzwarnungs-Ermittlungsmodul 32 auf eine unten noch genauer beschriebene Weise verarbeitet. Bei Annäherung an einen kritischen Zustand gibt das Pumpgrenzwarnungs-Ermittlungsmodul 32 eine Pumpgrenzwarnung W an ein Beeinflussungsmodul 34 aus, das seinerseits die Betriebsparameter der Gasturbine 10 durch mehrere Steuersignale c₁, c₂, c_x so verändert, dass der Betriebszustand der Gasturbine 10 stabilisiert und somit ein Pumpen vermieden wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind dies insbesondere ein erstes Steuersignal c₁, das Abblasventile (in 1 nicht gezeigt) aktiviert, ein zweites Steuersignal c₂, das die Kraftstoffzufuhr kurzzeitig verringert, sowie weitere Steuersignale c_x, die beispielsweise eine Schubdüsenverstellung oder eine Leitschaufelverstellung bewirken. Diese Maßnahmen sind an sich bekannt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind das Pumpgrenzwarnungs-Ermittlungsmodul 32 und das Beeinflussungsmodul 34 als Programmmodule des die Steuereinheit 26 bildenden digitalen Signalprozessors (DSP) ausgestaltet. In Ausführungsalternativen können diese Module auch durch eine Analog- oder Digitalschaltung implementiert sein. Weil das erfindungsgemäße Auswerteverfahren nur relativ geringe Rechenleistung beansprucht, kann der digitale Signalprozessor der Steuereinheit 26 weitere Aufgaben übernehmen, die insbesondere mit der Regelung der Gasturbine 10 in Zusammenhang stehen können.
In dem Datenflussdiagramm von 2 ist die Funktion des Pumpgrenzwarnungs-Ermittlungsmoduls 32 genauer dargestellt. Zunächst wird, in den Verarbeitungsschritten 40 und 42, aus den beiden Messsignalen p₁ und p₂ je ein entsprechendes mittelwertbereinigtes Signal pp₁ bzw. pp₂ gebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden dazu gleitende Mittelwerte p - ₁ bzw. p - ₂ der Messsignale p₁ und p₂ während eines Zeitfensters errechnet, das deutlich länger (beispielsweise das zehn- oder hundertfache) als eine zu ermittelnde Fluktuation der Messsignale p₁ und p₂ ist. Die Mittelwertsignale p₁ und p₂ werden von dem jeweiligen Messsignal p₁ bzw. p₂ abgezogen. Insgesamt ergeben sich somit die mittelwertbereinigten Messsignale pp₁ und pp₂ gemäß den Gleichungen pp₁ = p₁ – pp₁ bzw. pp₂ = p₂ – pp₂ .
Ein beispielhafter Verlauf der beiden mittelwertbereinigten Messsignalen pp₁ und pp₂ ist in 3 gezeigt. Offensichtlich weisen diese Signale deutliche periodische Signalpegeländerungen auf (die maximalen Unterschiede beim Messsignal p₁ sind für den in 3 angegebenen Zeitversatz t₁ von ungefähr 0,6 Verdichterumdrehungen festzustellen). Ferner ist eine deutliche Korrelation zwischen den beiden Messsignalen pp₁ und pp₂ auszumachen, wenn diese mit einem Zeitversatz t₂ von ungefähr einer Verdichterumdrehung miteinander verglichen werden. Die drei schrägen, gepunkteten Linien in 3 zeigen diese Korrelation für drei Signalmaxima.
Zurückkehrend zu 2 wird in Berechnungsschritt 44 ein Periodizitätswert W₁ bestimmt, der ein Maß für das Auftreten periodischer Signalpegeländerungen bei dem mittelwertbereinigten Messsignal pp₁ angibt. In Ausführungsalternativen könnte der Periodizitätswert W₁ auch aus dem nicht-mittelwertbereinigten Messsignal p₁ oder einem der Messsignale p₂ oder p₂ berechnet werden, oder es könnten zwei Periodizitätswerte für die Messsignale pp₁ und pp₂ (bzw. für die Messwerte p₁ und p₂) bestimmt werden.
Zur Berechnung des Periodizitätswerts W, wird innerhalb eines gleitenden Zeitfensters von N Messpunkten der Mittelwert der quadrierten Signaldifferenzen von je zwei Messpunkten des Messsignals p, berechnet, wobei sich die betrachteten Messpunkte pp₁ (i + t₁) und pp₁ (i) jeweils um einen vorgegebenen Zeitversatz t₁ unterscheiden. In Formelschreibweise lässt sich der Berechnungsschritt 44 wie folgt ausdrücken:
Bei einem gegebenen Verlauf des Messsignals pp₁ hängt die Höhe des Periodizitätswerts W₁ unter anderem von der Wahl des Zeitversatz-Wertes t₁ ab. Der Periodizitätswert W₁ ist dann maximal, wenn, wie dies in 3 gezeigt ist, der Zeitversatz t, ungefähr die halbe Signalperiode beträgt. In unterschiedlichen Ausführungsformen ist der Zeitversatz t₁ entweder (für eine bestimmte Verdichter-Bauform) fest vorgegeben oder von Betriebsparametern des Verdichters (z.B. der momentanen Drehzahl) abhängig.
Berechnungsschritt 46 in 2 betrifft die Bestimmung des Korrelationswerts W₂ aus den Messsignalen pp₁ und pp₂ . Der Korrelationswert W₂ gibt an, wie gut die beiden Messsignale pp₁ und pp₂ unter Berücksichtigung eines zweiten Zeitversatzes t₂ miteinander korreliert sind. Durch diese Berechnung wird die gezielte Identifikation umlaufender Störungen möglich. Auch hier können in Ausführungsalternativen statt der mittelwertbereinigten Messsignale pp₁ und pp₂ die ursprünglichen Messsignale p₁ und p₂ herangezogen werden.
Bei der Berechnung des Korrelationswerts W₂ wird innerhalb des gleitenden Zeitfensters mit der Fensterbreite N der Mittelwert von Produkten berechnet, die sich aus je einem Messpunkt des ersten Messsignals pp₁ und einem Messpunkt des zweiten Messsignals pp₂ ergeben. Die je zwei multiplizierten Messpunkte pp₁ (i + t₂) und pp₂ (i) unterscheiden sich um den Zeitversatz t₂. In Formelschreibweise lässt sich dieser Berechnungsschritt 46 wie folgt ausdrücken:
Ähnlich wie der erste Zeitversatz t₁ kann auch der zweite Zeitversatz t₂ wahlweise fest oder variabel sein. Während im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel die Fensterbreite N für beide Berechnungsschritte 44, 46 identisch ist, sind in Ausführungsalternativen unterschiedliche (feste oder variable) Fensterbreiten vorgesehen.
In den nächsten, optionalen Schritten 48 und 50 werden der Periodizitätswert W, und der Korrelationswert W₂ durch Bezug auf den Ein- und/oder den Austrittsdruck des Verdichters skaliert. Die dazu herangezogenen Druckwerte können entweder von weiteren Sensoren stammen oder aus den oben genannten Mittelwertsignalen pp₁ , und pp₂ abgeleitet sein. Als Ergebnisse der Skalierung ergeben sich ein skalierter Periodizitätswert WW₁ und ein skalierter Korrelationswert WW₂ , die in dem folgenden Schritt 52 miteinander multipliziert werden. Das Produkt WW₁ ⋅WW₂ wird in Schritt 54 einem Schwellwertvergleich unterzogen. Übersteigt das Produkt WW₁ ⋅WW₂ einen vorgegebenen Schwellwert, so wird eine Pumpgrenzwarnung W ausgelöst, die als Eingangssignal dem Beeinflussungsmodul 34 (1) zugeführt wird.
Die Skalierungsschritte 48, 50 sind nicht unbedingt erforderlich; es können vielmehr in Schritt 52 auch die Werte W₁ und W₂ unmittelbar miteinander multipliziert werden. Der in Schritt 54 herangezagene Schwellwert kann fest oder variabel sein; insbesondere ist es auch möglich, dasselbe Ergebnis wie bei einer Skalierung der Werte W₁ und W₂ durch eine entsprechende Veränderung des Schwellwerts zu erhalten. In weiteren Ausführungsalternativen wird in Schritt 52 nicht das Produkt, sondern eine andere Funktion berechnet, beispielsweise die Summe oder die Summe der Quadrate.
Durch das beschriebene Verfahren lassen sich insgesamt ein sicherer Verdichterbetrieb in einem wirtschaftlich interessanten Betriebsbereich nahe der Pumpgrenze (höherer Wirkungsgrad) und eine gesteigerte Störtoleranz des Verdichters, insbesondere im Hinblick auf Eintrittsstörungen, erreichen.
In vergleichbarer Weise kann ein Schaufelschaden an einem Rotor im Verdichter- oder Turbinenbereich 12,14 oder 18, 20 einer Turbomaschine, wie der Gasturbine 10 aus 1, mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren als Warnung (W) angezeigt und weitere schlimme Folgen vermieden werden, z. B. durch Abschalten dieser Turbomaschine, die z. B. ein Flugtriebwerk sein kann, und anschließende Reparatur oder Austausch der beschädigten Schaufel bzw. Schaufeln.

10: Gasturbine
12: Niederdruckverdichter
14: Hochdruckverdichter
16: Brennraum
18: Hochdruckturbine
20: Niederdruckturbine
22, 24: Sensor
26: Steuereinheit
28, 30: Analog/Digital-Wandler
32: Pumpgrenzwarnungs-Ermittlungsmodul
34: Beeinflussungsmodul
40–54: Verarbeitungsschritte des Auswerteverfahrens
c₁: erstes Steuersignal
c₂: zweites Steuersignal
c_x: weitere Steuersignale
N: Zeitfenster
p₁, p₂: Messsignal
pp₁ -, pp₂ -: Mittelwert des Messsignals
pp₁ , pp₂: mittelwertbereinigtes Messsignal
s₁, s₂: Sensor-Ausgangssignal
t₁, t₂: Zeitversatz
W: Pumpgrenzwarnung
W₁: unskalierter Periodizitätswert
WW₁: skalierter Periodizitätswert
W₂: unskalierter Korrelationswert
WW₂: skalierter Korrelationswert

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Pumpgrenzwarnung (W) bei einem Turboverdichter (12, 14) oder einer Warnung (W) bei einem Schaufelschaden eines Rotors (12,14) einer Turbomaschine, mit den Schritten: – Ermitteln mindestens zweier Messsignale (p₁, p₂; pp₁ , pp₂ ), die den Ausgangssignalen (s₁, s₂) je eines von mindestens zwei in Umfangsrichtung des Turboverdichters oder des Rotors (12, 14) gegeneinander versetzt angeordneten Druck- , Strömungsgeschwindigkeits- oder Temperatursensoren (22, 24) entsprechen, – Berechnen eines Periodizitätswerts (W₁; WW₁ ) aus mindestens einem der Messsignale (p₁, p₂; pp₁ pp₂ ), der ein Maß für das Auftreten periodischer Signalpegeländerungen des mindestens einen Messsignals (p₁, p₂; pp₁ pp₂ ) bei einem vorbestimmten ersten Zeitversatz (t₁) angibt, – Berechnen eines Korrelationswerts (W₂; W₂) aus den mindestens zwei Messsignalen (p₁, p₂; pp₁ pp₂ ), der ein Maß für die Ähnlichkeit der mindestens zwei Messsignale (p₁, p₂; pp₁ , pp₂ ) zueinander bei einem vorbestimmten zweiten Zeitversatz (t₂) angibt, und – Bestimmen der Warnung (W) aus dem Periodizitätswert (W₁; WW₁ ) und dem Korrelationswert (W₂; WW₂ ).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Warnung (W) dann abgegeben wird, wenn das Produkt des Periodizitätswerts (W₁; WW₁ ) und des Korrelationswerts (W₂; WW₂ ) einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem mindestens eines der Messsignale (p₁, p₂) ein mittelwertbereinigtes Messsignal (p₁, p₂) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Periodizitätswert (W₁; WW₁ ) in einem gleitenden Zeitfenster einer vorbestimmten Fensterbreite (N) aus mindestens einem der Messsignale (p₁, p₂; pp₁ , pp₂ ) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Periodizitätswert (W₁; WW₁ ) als gegebenenfalls skalierter Durchschnittswert der quadratischen Abweichung von je zwei um den ersten Zeitversatz (t₁) gegeneinander versetzten Messpunkten eines der Messsignale (p₁, p₂; pp₁ , pp₂ ) berechnet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, bei dem zur Berechnung des Periodizitätswerts (W₁; WW₁ ) ein unskalierter Periodizitätswert (W₁) gemäß einer der folgenden Formeln bestimmt wird:
wobei p₁ das ausgewertete Messsignal ohne Mittelwertbereinigung bzw. pp₁ das ausgewertete Messsignal mit Mittelwertbereinigung ist, und wobei N die Fensterbreite des gleitenden Auswertungs-Zeitfensters ist und t₁ der erste Zeitversatz.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Korrelationswert (W₂; WW₂ ) in einem gleitenden Zeitfenster einer vorbestimmten Fensterbreite (N) aus den mindestens zwei Messsignalen (p₁, p₂; pp₁ , pp₂ ) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Korrelationswert (W₂; WW₂ ) als gegebenenfalls skalierter Durchschnittswert des Produkts von je zwei um den zweiten Zeitversatz (t₂) gegeneinander versetzten Messpunkten zweier unterschiedlicher Messsignale (p₁, p₂; pp₁ , pp₂ ) berechnet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8, bei dem zur Berechnung des Korrelationswerts (W₂; WW₂ ) ein unskalierter Korrelationswert (W₂) gemäß einer der folgenden Formeln bestimmt wird:
wobei p₁ das erste ausgewertete Messsignal ohne Mittelwertbereinigung bzw. pp₁ das erste ausgewertete Messsignal mit Mittelwertbereinigung ist, und wobei p₂ das zweite ausgewertete Messsignal ohne Mittelwertbereinigung bzw. pp₂ das zweite ausgewertete Messsignal mit Mittelwertbereinigung ist, und wobei N die Fensterbreite des gleitenden Auswertungs-Zeitfensters ist und t₂ der zweite Zeitversatz.
Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (10), mit den Schritten: – Ermitteln einer Pumpgrenzwarnung (W) durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, und – Verändern mindestens eines Betriebsparameters der Gasturbine (10) in Reaktion auf die Pumpgrenzwarnung (W), um ein Verdichterpumpen zu vermeiden.
Turboverdichter (12, 14) mit einer Steuereinheit (26) und mindestens zwei in Umfangsrichtung des Turboverdichters (12, 14) gegeneinander versetzt angeordneten Druck-, Strömungsgeschwindigkeits- oder Temperatursensoren (22, 24), wobei die Steuereinheit (26) dazu eingerichtet ist, zum Bestimmen einer Pumpgrenzwarnung (W) die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
Turboverdichter (12, 14) nach Anspruch 11, bei dem die Steuereinheit (26) ein Pumpgrenzwarnungs-Ermittlungsmodul (32) und ein Beeinflussungsmodul (34) aufweist, wobei das Pumpgrenzwarnungs-Ermittlungsmodul (32) zum Bestimmen der Pumpgrenzwarnung (W) dient und das Beeinflussungsmodul (34) dazu eingerichtet ist, durch Ausgabe mindestens eines Steuersignals (c₁, c₂, c_x) mindestens einen Betriebsparameter der Gasturbine (10) in Reaktion auf die Pumpgrenzwarnung (W) zu beeinflussen, um ein Verdichterpumpen zu vermeiden.
Gasturbine mit einem Turboverdichter nach Anspruch 11 oder Anspruch 12.
Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschine (10) mit den Schritten: – Ermitteln einer Warnung (W) bei einem Schaufelschaden eines Rotors durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, und – Erfassen und Speichern der Warnung (W) im Hinblick auf Reparatur oder Austausch.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem aus der Art der Warnung (W) auf den Umfang des Schadens rückgeschlossen wird.