DE102004009594A1

DE102004009594A1 - Method and device for identifying a shaft break and / or an overspeed on a gas turbine

Info

Publication number: DE102004009594A1
Application number: DE200410009594
Authority: DE
Inventors: Sebastian Motsch; Spiros Tatakis
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-15
Also published as: WO2005083373A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifikation eines Wellenbruchs und/oder einer Überdrehzahl an einer Gasturbine, insbesondere an rotierenden Bauteilen eines Flugtriebwerks. Erfindungsgemäß wird während des Betriebs der Gasturbine mindestens eine Schwingungsgröße gemessen, wobei aus der oder jeder gemessenen Schwingungsgröße ein Wellenbruch und/oder eine Überdrehzahl identifizierbar ist.The invention relates to a method for identifying a shaft fracture and / or an overspeed on a gas turbine, in particular on rotating components of an aircraft engine. According to the invention, during operation of the gas turbine, at least one oscillation variable is measured, wherein a wave break and / or an overspeed can be identified from the or each measured oscillation variable.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifikation eines Wellenbruchs und/oder einer Überdrehzahl an einer Gasturbine, insbesondere an Flugtriebwerken. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Identifikation eines Wellenbruchs und/oder einer Überdrehzahl an einer Gasturbine.The The invention relates to a method for identifying a shaft fracture and / or an overspeed on a gas turbine, in particular on aircraft engines. Farther The invention relates to a device for identifying a Shaft breakage and / or overspeed on a gas turbine.

Gasturbinen, wie zum Beispiel Flugtriebwerke, umfassen neben einer Brennkammer mindestens einen Verdichter und mindestens eine Turbine. Bei Gasturbinen, die lediglich einen einzigen Verdichter sowie eine einzige Turbine aufweisen, sind der Verdichter und die Turbine über eine einzige rotierende Welle miteinander verbunden. Verfügt die Gasturbine über zwei Verdichter sowie zwei Turbinen, nämlich über einen Niederdruckverdichter, einen Hochdruckverdichter, eine Hochdruckturbine sowie eine Niederdruckturbine, so sind der Niederdruckverdichter sowie die Niederdruckturbine über eine erste Welle sowie der Hochdruckverdichter sowie die Hochdruckturbine über eine zweite Welle miteinander verbunden. Die beiden Wellen verlaufen dann in der Regel koaxial zueinander, wobei eine der beiden Wellen die andere umschließt.Gas turbines, such as aircraft engines, include next to a combustion chamber at least one compressor and at least one turbine. For gas turbines, the only one compressor and a single turbine have the compressor and the turbine on a single rotating shaft connected with each other. has the gas turbine over two compressors and two turbines, namely a low-pressure compressor, a high-pressure compressor, a high-pressure turbine and a low-pressure turbine, So are the low-pressure compressor and the low-pressure turbine over a first shaft and the high-pressure compressor and the high-pressure turbine via a second shaft connected to each other. The two waves are lost then usually coaxial with each other, with one of the two shafts the other encloses.

Überdrehzahlen einer Gasturbine müssen sicher vermieden werden. Eine mögliche Ursache für das Auftreten von Überdrehzahlen ist zum Beispiel ein Bruch einer Welle der Gasturbine. Tritt zum Beispiel ein derartiger Wellenbruch auf, so entnimmt ein mit der gebrochenen Welle gekoppelter Verdichter der entsprechenden Turbine keine Leistung mehr, wodurch ein Überdrehen der Turbine verursacht wird. Ein weiterer Grund für eine Überdrehzahl der Gasturbine kann ein Strömungsabriss im Verdichter sein. Da durch Überdrehzahlen erhebliche Schäden an der Gasturbine verursacht werden können, müssen Überdrehzahlen, die zum Beispiel durch einen Wellenbruch hervorgerufen werden, sicher detektiert bzw. identifiziert werden.Overspeed a gas turbine safely avoided. A possible Cause for that Occurrence of overspeed is, for example, a fraction of a shaft of the gas turbine. Come on Example, such a wave break, so takes one with the broken shaft coupled compressor of the corresponding turbine no more power, which causes overspeeding the turbine becomes. Another reason for an overspeed The gas turbine can stall be in the compressor. Because of overspeed considerable damage can be caused on the gas turbine, overspeeding, for example be caused by a wave break, safely detected or be identified.

Die DE 195 24 992 C1 offenbart ein Verfahren zur Regelung eines Wellentriebwerks mit einem Mikrosteuergerät mit Überwachung des Triebwerks auf Wellenbruch und Überdrehzahl. Nach dem dort offenbarten Verfahren werden mithilfe von Sensoren Drehzahlen gemessen und auf Basis dieser Drehzahlen wird das Triebwerk auf Wellenbruch und Überdrehzahl geprüft. Wird eine derartige Fehlfunktion erkannt, so wird die Brennstoffzufuhr zur Brenn kammer unterbrochen und die Gasturbine wird deaktiviert. Im Zusammenhang mit dem in DE 195 24 992 C1 offenbarten Verfahren ist die Bestimmung einer Differenzdrehzahl zwischen einem verdichterseitigen Ende bzw. Abschnitt und einem turbinenseitigen Ende bzw. Abschnitt der Gasturbinenwelle erforderlich. Demnach müssen an mindestens zwei Punkten, an einem ersten verdichterseitigen Punkt und an einem zweiten turbinenseitigen Punkt, Drehzahlen erfasst werden. Speziell im heißen Turbinenbereich erfordert eine Drehzahlbestimmung aufwendige Vorkehrungen, wodurch sich die Umsetzung des aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens als teuer und aufwendig erweist. Weiterhin ist das aus DE 195 24 992 C1 bekannte Verfahren nur an ein- bzw. zweiwelligen Gasturbinen einsetzbar. Für mehrwellige Gasturbinen hingegen ist dieses aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren nicht praktikabel. Dies trifft insbesondere auf mehr als zweiwellige Gasturbinen zu, da eine von rotierenden Wellen umgebene Welle nicht ohne weiteres auf ein stehendes Referenzsystem bezogen werden kann.The DE 195 24 992 C1 discloses a method for controlling a wave engine with a microcontroller with engine monitoring for shaft breakage and overspeed. According to the method disclosed there, speeds are measured by means of sensors and based on these speeds, the engine is tested for shaft breakage and overspeed. If such a malfunction is detected, the fuel supply to the combustion chamber is interrupted and the gas turbine is deactivated. In connection with in DE 195 24 992 C1 The method disclosed requires the determination of a differential speed between a compressor-side end and a turbine-side end of the gas turbine shaft. Accordingly, rotational speeds must be recorded at at least two points, at a first compressor-side point and at a second turbine-side point. Especially in the hot turbine area, speed determination requires elaborate precautions, whereby the implementation of the known from the prior art method proves to be expensive and expensive. Furthermore, that is off DE 195 24 992 C1 known method can only be used on single or twin-shaft gas turbines. For multi-shaft gas turbines, however, this known from the prior art method is not practical. This applies in particular to more than two-shaft gas turbines, since a wave surrounded by rotating shafts can not be readily related to a stationary reference system.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Identifikation eines Wellenbruchs und/oder einer Überdrehzahl an einer Gasturbine sowie eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen.Of these, Based on the present invention, the problem underlying a novel method for the identification of a shaft break and / or an overspeed to create a gas turbine and a corresponding device.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zur Identifikation eines Wellenbruchs und/oder einer Überdrehzahl an Gasturbinen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird während des Betriebs der Gasturbine mindestens eine Schwingungsgröße gemessen, wobei aus der oder jeder gemessenen Schwingungsgröße ein Wellenbruch und/oder eine Überdrehzahl identifizierbar ist.This Problem is solved by a method for the identification of a shaft break and / or an overspeed on gas turbines according to claim 1 solved. According to the invention during operation the gas turbine measured at least one vibration magnitude, wherein from the or any measured vibration magnitude a wave breakage and / or an overspeed is identifiable.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung werden demnach Schwingungsgrößen des hinsichtlich Wellenbruchs bzw. hinsichtlich Überdrehzahl zu überwachenden Triebwerks gemessen und ausgewertet. Auf diese Art und Weise kann ein wirkungsvoller, sicherer und einfach realisierbarer Identifikationsmechanismus für Wellenbruch bzw. Überdrehzahl realisiert werden. Es werden nur relativ wenige Teile zur Realisierung der Erfindung benötigt. Der sich bei Umsetzung der Erfindung ergebende Aufbau der Gasturbine ist einfach. Es sind keine Eingriffe in das Triebwerk nötig.in the According to the present invention, therefore, vibration quantities of to be monitored for shaft breakage or overspeed Engine measured and evaluated. In this way you can an effective, secure and easy-to-implement identification mechanism for wave breakage or overspeed will be realized. There are only relatively few parts to the realization the invention required. The resulting in implementation of the invention structure of the gas turbine is simple. No intervention is necessary in the engine.

Vorzugsweise wird die oder jede gemessene Schwingungsgröße mit mindestens einer vorab ermittelten, zu dem momentanen Betriebszustand der Gasturbine korrelierenden Sollschwingungsgröße verglichen, wobei aus diesem Vergleich ein Wellenbruch und/oder eine Überdrehzahl identifizierbar ist.Preferably is the or each measured vibration magnitude with at least one advance determined, correlated to the current operating state of the gas turbine Nominal oscillation quantity compared, wherein from this comparison a shaft break and / or an overspeed is identifiable.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zur Erhöhung der Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens die oder jede gemessene Schwingungsgröße zeitlich und/oder räumlich gemittelt.To an advantageous embodiment of the invention is used to increase the reliability the method according to the invention the or each measured vibration quantity averaged temporally and / or spatially.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist im unabhängigen Patentanspruch 7 definiert.The inventive device is independent Claim 7 defined.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.preferred Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims and the following description.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der hier vorliegenden Erfindung wird während des Betriebs einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, mindestens eine Schwingungsgröße, nämlich mindestens eine Schallgröße, gemessen. Die oder jede am Flugtriebwerk erfasste Schallgröße bzw. Schwingungsgröße wird mit mindestens einer vorab ermittelten Sollschwingungsgröße bzw. Sollschallgröße verglichen, wobei die Sollschallgröße bzw. Sollschwingungsgröße mit dem momentan herrschenden Betriebszustand der Gasturbine korreliert. Wird bei diesem Vergleich zwischen der gemessenen Schwingungsgröße und der dem momentanen Betriebszustand der Gasturbine entsprechenden Sollschwingungsgröße eine signifikante Abweichung festgestellt, so kann hieraus auf einen Wellenbruch bzw. eine Überdrehzahl an der Gasturbine geschlossen werden.To a particularly preferred embodiment the present invention is used during the operation of a gas turbine, in particular an aircraft engine, at least one vibration quantity, namely at least a sound size, measured. The or each recorded on the aircraft engine sound or vibration quantity is with at least one previously determined nominal oscillation variable or Target sound size compared, wherein the nominal sound or Nominal oscillation quantity with the momentary prevailing operating state of the gas turbine correlated. Is at this comparison between the measured vibration magnitude and the current operating state of the gas turbine corresponding nominal oscillation variable a Significant deviation is found, it can be reduced to one Wave breakage or an overspeed be closed at the gas turbine.

Unter einer signifikanten Abweichung zwischen der oder jeder gemessenen Schwingungsgröße und der oder jeder entsprechenden Sollschwingungsgröße soll verstanden werden, dass Abweichungen, die einer statistischen Streuung zuzurechnen sind, nicht als Wellenbruch bzw. Überdrehzahl identifiziert werden. Hierzu wird zur Erhöhung der Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens die oder jede gemessene Schwingungsgröße zeitlich und/oder räumlich gemittelt.Under a significant deviation between the or each measured Vibration magnitude and the or any corresponding desired oscillation quantity should be understood that deviations attributable to a statistical dispersion are not identified as shaft breakage or overspeed. This is to increase the reliability the method according to the invention the or each measured vibration quantity averaged temporally and / or spatially.

Die den jeweiligen Betriebszuständen der Gasturbine entsprechenden Sollschwingungsgrößen werden vorab durch Simulationen bzw. reale Labortests bestimmt, abgespeichert und für das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellt.The the respective operating conditions The gas turbine corresponding Sollschwingungsgrößen beforehand by simulations or real laboratory tests determined, stored and for the inventive method provided.

Vorzugsweise werden die ermittelten bzw. gemessenen Schwingungsgrößen mit einem Frequenzidentifikationsverfahren ausgewertet. Hierzu werden für die gemessenen Schwingungsgrößen Leistungsdichtespektren im Frequenzbereich ermittelt, wobei bei einem Abfall der Leistungsspektraldichte in einer oder mehreren Frequenzen auf einen Wellenbruch bzw. eine Überdrehzahl an der Gasturbine geschlossen werden kann. Entsprechen die Änderungen in dem Leistungsdichtespektrum nicht vorab bestimmten Werten, die sich zum Beispiel bei einer Änderung des Betriebszustands der Gasturbine einstellen, so kann hieraus schnell und sicher auf einen Wellenbruch bzw. eine Überdrehzahl geschlossen werden.Preferably are the determined or measured vibration quantities with a frequency identification method evaluated. To do this for the measured vibration quantities power density spectra determined in the frequency domain, with a drop in power spectral density in one or more frequencies on a wave breakage or an overspeed can be closed on the gas turbine. Meet the changes in the power density spectrum not predetermined values, the for example, when there is a change set the operating state of the gas turbine, so it can fast and safe on a shaft break or overspeed getting closed.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst mindestens eine Messeinrichtung sowie mindestens eine Auswerteeinrichtung. Mithilfe der oder jeder Messeinrichtung lässt sich während des Betriebs der Gasturbine mindestens eine Schwingungsgröße bzw. Schallgröße erfassen. Die oder jede Auswerteeinrichtung dient der Identifikation eines Wellenbruchs bzw. einer Überdrehzahl aus der oder jeder gemessenen Schwingungsgröße.The Apparatus for carrying out the method according to the invention comprises at least one measuring device and at least one evaluation device. By means of the or each measuring device can be during operation of the gas turbine at least one oscillation variable or Record sound size. The or each evaluation device is used to identify a Shaft breakage or an overspeed from the or each measured vibration magnitude.

Vorzugsweise ist eine einzige Auswerteinrichtung vorhanden, der eine Speichereinrichtung sowie eine Vergleichseinrichtung zugeordnet sind. In der Speichereinrichtung sind vorab ermittelte, zu den jeweiligen Betriebszuständen der Gasturbine korrelierende Sollschwingungsgrößen gespeichert. Diese Sollschwingungsgrößen werden vorab durch Simulation oder Labortests bestimmt. Die Vergleichseinrichtung vergleicht die in der Speichereinrichtung hinterlegten Sollschwingungsgrößen mit den von der oder jeder Messeinrichtung ermittelten, gemessenen Schwingungsgrößen. In dem Fall, in dem ein vergleich zwischen der ermittelten Schwingungsgröße und der dem momentanen Betriebszustand korrelierenden Sollschwingungsgröße eine signifikante Abweichung ergibt, kann hieraus auf einen Wellenbruch bzw. eine Überdrehzahl an der Gasturbine geschlossen werden. Die Auswerteeinrichtung umfasst hierzu vorzugsweise eine Frequenzidentifikationseinrichtung, welche die oder jede gemessene Schwingungsgröße mithilfe einer Frequenzidentifikation auswertet. Dies erfolgt auf die bereits beschriebene Art und Weise.Preferably There is a single evaluation device, which is a storage device and a comparison device are assigned. In the storage device are determined in advance, to the respective operating conditions of the Gas turbine correlating nominal vibration variables stored. These nominal vibration quantities are determined in advance by simulation or laboratory tests. The comparison device compares the stored in the memory device desired vibration variables the measured vibration quantities determined by the or each measuring device. In In the case where a comparison between the determined vibration magnitude and the the current operating state correlating desired vibration quantity a results in a significant deviation, this can an overspeed be closed at the gas turbine. The evaluation includes For this purpose, preferably a frequency identification device, which evaluates the or each measured vibration magnitude using frequency identification. This is done in the manner already described.

Weiterhin ist der Auswerteeinrichtung eine Mittelungseinrichtung zugeordnet, um die oder jede gemessene Schwingungsgröße zeitlich und/oder räumlich zu mitteln. Hierdurch kann die Auswertequalität sowie die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Identifikationsverfahrens deutlich gesteigert werden. Statistische Ausreißer aus einer Messreihe können so ausgeblendet werden und ein fehlerhaftes Abschalten der Gasturbine kann vermieden werden.Farther the evaluation device is assigned an averaging device, about the or each measured vibration magnitude temporally and / or spatially convey. This can improve the evaluation quality and reliability the identification method according to the invention be increased significantly. Statistical outliers from a series of measurements can do so be hidden and a faulty shutdown of the gas turbine can be avoided.

Die Messeinrichtungen sind vorzugsweise als Schwingungsaufnehmer ausgebildet. Nach einer ersten Alternative sind die Schwingungsaufnehmer zum Beispiel als Mikrofone ausgebildet, wobei mithilfe der Mikrofone die zu messenden Schwingungsgrößen als akustische Schallsignale ohne unmittelba ren Kontakt zur Gasturbine erfasst bzw. ermittelt werden können. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass keinerlei Eingriffe in die Gasturbine erforderlich sind.The Measuring devices are preferably designed as vibration sensors. After a first alternative, the vibration sensor for Example designed as microphones, using the microphones the vibration quantities to be measured as acoustic sound signals without direct contact ren to the gas turbine can be detected or determined. Such a configuration has the advantage that no interference are required in the gas turbine.

Nach einer zweiten, alternativen Ausgestaltung der hier vorliegenden Erfindung sind die Schwingungsaufnehmer als Festkörperschallaufnehmer ausgebildet, die zur Ermittlung der Schwingungsgrößen mit der Gasturbine bzw. einer entsprechenden Baugruppe der Gasturbine in Kontakt stehen. Da der Einsatz derartiger Festkörperschallaufnehmer bei hohen Temperaturen problematisch sein kann, wird im Sinne der hier vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass die Festkörperschallaufnehmer mit mindestens einer stethoskopartigen Festkörperschall-Leitungseinrichtung in Kontakt stehen. Mit einer derartigen stethoskopartigen Festkörperschall-Leitungseinrichtung können die Festkörperwellen aus den heißen Bereichen der Gasturbine herausgeleitet werden, sodass die Festkörperschallaufnehmer den hohen Temperaturen nicht ausgesetzt werden. Bei der Weiterleitung der Schwingungen bzw. Schallwellen durch die Festkörperschall-Leitungseinrichtung kann die Wärmeleitung durch dieselbe dadurch effizient vermieden werden, dass zum Beispiel die Festkörperschall-Leitungseinrichtung gekühlt wird. Vorzugsweise ragt die Festkörperschall-Leitungseinrichtung durch das Gehäuse der Gasturbine nach außen, sodass die entsprechenden Schwingungsaufnehmer von außen an die Gasturbine angebracht werden können.According to a second, alternative embodiment of the present invention, the vibration sensors are designed as solid-state sound pickups, which are used to determine the vibration quantities with the gas turbine or a corresponding Assembly of the gas turbine in contact. Since the use of such solid-state acoustic pickup at high temperatures can be problematic, it is proposed in the sense of the present invention that the solid-state acoustic pickups are in contact with at least one stethoscope-type solid-state sound conducting device. With such a stethoscope-like solid-state sound conduction device, the solid-state waves can be led out of the hot regions of the gas turbine, so that the solid-state sound sensors are not exposed to the high temperatures. When forwarding the vibrations or sound waves through the solid-state sound conduction device, the heat conduction through the same can be effectively avoided by, for example, cooling the solid-state sound conduction device. Preferably, the solid-state sound conduction device protrudes through the housing of the gas turbine to the outside, so that the corresponding vibration sensor can be mounted from the outside to the gas turbine.

Mithilfe der hier vorliegenden Erfindung kann eine besonders sichere und einfache Detektion bzw. Identifikation eines Wellenbruchs und einer Überdrehzahl an Gasturbinen realisiert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt relativ wenig Teile, ist konstruktiv einfach und kann daher kostengünstig realisiert werden.aid The present invention can be a particularly safe and simple detection or identification of a shaft break and an overspeed be realized on gas turbines. The device according to the invention needed relatively few parts, is structurally simple and can therefore be realized inexpensively become.

Claims

A method for identifying a shaft break and / or overspeed on a gas turbine, in particular on rotating components of an aircraft engine, characterized in that during operation of the gas turbine at least one vibration magnitude is measured, and that from the or each measured vibration magnitude of a wave break and / or a Overspeed is identifiable.

Method according to claim 1, characterized in that that the or each measured vibration quantity with at least one advance determined, correlated to the current operating state of the gas turbine Nominal oscillation quantity is compared, and that from this comparison a shaft break and / or an overspeed is identifiable.

Method according to claim 1 or 2, characterized that the or each measured vibration magnitude by means of a frequency identification is evaluated, with a deviation of the respective power spectral density in at least one specific frequency on a wave breakage and / or an overspeed is closed.

Method according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that to increase the reliability the or each measured vibration quantity averaged temporally and / or spatially becomes.

Method according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the or each measured vibration magnitude as a solid-state sound directly is recorded on the gas turbine.

Method according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the or each measured vibration magnitude as acoustic Sound size without direct contact with the gas turbine is added.

Device for identifying an overspeed and / or a shaft fracture on a gas turbine, in particular at rotating components of an aircraft engine, characterized by at least one measuring device to during operation of the gas turbine to detect at least one vibration magnitude; and at least one evaluation device for deriving from the or each measured Vibration magnitude one Wave breakage and / or overspeed to identify.

Device according to claim 7, characterized in that that determined in advance in the evaluation, to the respective operating conditions the gas turbine correlating nominal vibration quantities are stored, wherein one of the evaluation associated with the comparison device or each of the measuring device determined vibration magnitude with the or comparing each target vibration quantity correlated to the current operating state, and wherein from this comparison a shaft break and / or an overspeed is identifiable.

Apparatus according to claim 7 or 8, characterized in that the evaluation device has a frequency identification device associated with the or each measured vibration magnitude using a frequency identification evaluates.

Device according to one or more of claims 7 to 9, characterized in that the evaluation assigned an averaging device is what the or each measured vibration magnitude temporally and / or spatially averages.

Device according to one or more of claims 7 to 10, characterized in that the or each measuring device as Vibration sensor is formed.

Device according to claim 11, characterized in that the or each vibration is configured as a solid-state acoustic pickup, wherein the or each solid-state acoustic pickup is in direct contact with the gas turbine or a device to be monitored gas turbine.

Device according to claim 12, characterized in that that the or each solid-state transducer with at least one stethoscope-type solid-state sound conduction device is in contact with the or each stethoscope-like solid-state sound conduction device the or each of the or each solid-state transducer to be detected Vibration variable in particular from a hot Area of the gas turbine.

Device according to claim 11, characterized in that that the or each vibration sensor is designed as a microphone is, wherein the or each microphone the or each measured vibration quantity as an acoustic Sound size without determined direct contact with the gas turbine.