ES2401109T3

ES2401109T3 - Device for measuring status quantities of a hot gas that can circulate in a gas turbine

Info

Publication number: ES2401109T3
Application number: ES05021341T
Authority: ES
Inventors: Heinz-Jürgen Dr. Gross
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: EP1770245B1; EP1770245A1

Abstract

Dispositivo (21) para la medición de magnitudes de estado de un gas caliente (11) que puede circular en unaturbina de gas (1), con un canal de gas caliente (18) para la conducción del gas caliente (11),en el que está previstaal menos una pared de componente (36) alrededor de la cual circula parcialmente el gas caliente (11) así como conun canal de paso (37) previsto en la pared del componente (36) y que desemboca en el canal de gas caliente (18),en el que se puede insertar una primera instalación de medición (41) a través de una entrada (39) del canal de paso(37) que está opuesta a la boca, en el que un canal de comunicación (43) desemboca en el canal de paso (37),caracterizado porque en un segundo extremo (49), opuesto a la boca (51), del canal de comunicación (43) estáprevista una segunda instalación de medición (45), estando prevista la primera instalación de medición (41) para lamedición de la temperatura del gas caliente (11) y estando prevista la segunda instalación de medición (45) para lamedición de la presión del gas caliente (11).Device (21) for measuring status quantities of a hot gas (11) that can circulate in a gas turbine (1), with a hot gas channel (18) for conducting hot gas (11), in the that at least one component wall (36) is provided around which the hot gas (11) partially circulates as well as with a passage channel (37) provided in the component wall (36) and which flows into the hot gas channel (18), in which a first measuring installation (41) can be inserted through an inlet (39) of the passage channel (37) that is opposite the mouth, in which a communication channel (43) it flows into the passage channel (37), characterized in that a second measuring installation (45) is provided at a second end (49), opposite the mouth (51), of the communication channel (43), the first installation being provided of measurement (41) for measuring the temperature of hot gas (11) and the second installation being provided Measuring ion (45) for measuring the pressure of hot gas (11).

Description

Dispositivo para la medición de magnitudes de estado de un gas caliente que puede circular en una turbina de gas Device for measuring status quantities of a hot gas that can circulate in a gas turbine

La invención se refiere a un dispositivo para la medición de magnitudes de estado de un gas caliente que puede circular en una turbina de gas, con un canal de gas caliente para la conducción del gas caliente, en el que está prevista al menos una pared del componente, alrededor de la cual circula parcialmente el gas caliente, así como con un canal de paso previsto en la pared del componente y que desemboca en el canal de gas caliente para la introducción de un dispositivo de medición. The invention relates to a device for measuring status quantities of a hot gas that can circulate in a gas turbine, with a hot gas channel for conducting hot gas, in which at least one wall of the component, around which the hot gas circulates partially, as well as with a passage channel provided in the wall of the component and which flows into the hot gas channel for the introduction of a measuring device.

Se conoce a partir del documento KR 2004065502 una instalación de medición de la temperatura para una turbina de gas. Un sensor de temperatura está previsto en la punta de la instalación de medición de la temperatura del tipo de lanza y está rodeado por un tubo de carcasa que protege el sensor. El tubo de carcasa tiene en su segundo extremo opuesto a la punta una sección roscada para la fijación de la instalación de medición de la temperatura en una turbina. Para medir la temperatura del gas caliente que circula en la turbina, se inserta la punta de la instalación de medición de la temperatura a través de un canal correspondiente a ella y se enrosca con el soporte de fijación. A continuación se conecta la instalación de medición de la temperatura sustituible con una unidad de regulación. A temperature measuring installation for a gas turbine is known from document KR 2004065502. A temperature sensor is provided at the tip of the lance type temperature measurement system and is surrounded by a housing tube that protects the sensor. The housing tube has at its second end opposite the tip a threaded section for fixing the temperature measurement system in a turbine. To measure the temperature of the hot gas circulating in the turbine, the tip of the temperature measurement installation is inserted through a channel corresponding to it and screwed into the fixing bracket. The replaceable temperature measurement system is then connected to a regulation unit.

Además, se conoce a partir del documento EP 1 288 642 A2 una instalación de medición con un sensor de medición para la medición de la presión de un gas de combustión que circula en una cámara de combustión de una turbina de gas. La instalación de medición presenta, además, un conducto de presión, que conecta la cámara de combustión con el sensor de presión de acuerdo con la técnica de circulación. La presión del gas de la combustión que aparece en la cámara de combustión es transferida a través del conducto de presión hacia el sensor de presión distanciado y puede ser detectada de una manera sencilla y fiable por este sensor de presión en una zona más refrigerada. En virtud del conducto de presión pueden aparecer en éste durante el funcionamiento oscilaciones de resonancia, que son compensadas a través de un tubo de amortiguación. El tubo de amortiguación desemboca en el conducto de presión y está arrollado en forma helicoidal alrededor del conducto de presión. Furthermore, a measuring installation with a measuring sensor for measuring the pressure of a combustion gas circulating in a combustion chamber of a gas turbine is known from EP 1 288 642 A2. The measuring system also has a pressure line, which connects the combustion chamber with the pressure sensor according to the circulation technique. The pressure of the combustion gas that appears in the combustion chamber is transferred through the pressure line to the distanced pressure sensor and can be detected simply and reliably by this pressure sensor in a more refrigerated area. Under the pressure duct, resonance oscillations may appear therein during operation, which are compensated through a damping tube. The buffer tube empties into the pressure line and is wound helically around the pressure line.

Es un inconveniente que para la medición de cada magnitud de estado es necesario en cada caso un dispositivo y un soporte de fijación separados para las instalaciones de medición. Además, para el procesamiento posterior de las magnitudes de medición detectadas, por ejemplo en una regulación o supervisión, puede ser necesario un cálculo de corrección para la magnitud respectiva en función del lugar de medición. It is a disadvantage that a separate device and fixing bracket for the measurement facilities is necessary in each case for the measurement of each status magnitude. In addition, for the subsequent processing of the measured quantities of measurement, for example in a regulation or supervision, a correction calculation for the respective quantity may be necessary depending on the measurement location.

El cometido de la presente invención es la mejora de la detección de magnitudes de estadio de un gas caliente que puede circular en una turbina de gas. The purpose of the present invention is to improve the detection of stage quantities of a hot gas that can circulate in a gas turbine.

Este cometido se soluciona a través de un dispositivo de acuerdo con las características de la reivindicación 1 de la patente. La invención propone que el dispositivo del tipo indicado al principio presente un canal de comunicación que se extiende en la pared del componente y que desemboca en el canal de paso, en cuyo segundo extremo, que está colocado opuesto a su boca, está prevista una segunda instalación de medición. La invención parte del reconocimiento de que al menos una magnitud a detectar, por ejemplo la presión del gas caliente, se propaga casi libre de pérdidas desde la cámara de combustión a través del canal de paso hasta el canal de circulación, de manera que, además, en el canal de paso se puede detectar una segunda magnitud de estado del gas caliente en función del lugar. De esta manera, a través de la invención, además de una detección combinada de varias magnitudes de estado en un lugar de medición – con relación del canal de gas caliente – también es posible un procesamiento siguiente especialmente sencillo de los valores detectados en una regulación o supervisión, puesto que los valores detectados, en virtud de la detección coincidente tanto en el tiempo como también en el lugar, proporcionan magnitudes de estado especialmente exactas del gas caliente. This task is solved through a device according to the characteristics of claim 1 of the patent. The invention proposes that the device of the type indicated at the beginning has a communication channel that extends into the wall of the component and which flows into the passage channel, at whose second end, which is placed opposite its mouth, a second is provided. measuring facility The invention starts from the recognition that at least one magnitude to be detected, for example the pressure of the hot gas, is propagated almost free of losses from the combustion chamber through the passage channel to the circulation channel, so that, in addition , in the passage channel a second magnitude of state of the hot gas can be detected depending on the place. Thus, through the invention, in addition to a combined detection of several state quantities at a measurement location - in relation to the hot gas channel - a particularly simple following processing of the values detected in a regulation or supervision, since the values detected, by virtue of the coincident detection both in time and also at the place, provide especially exact state magnitudes of the hot gas.

Especialmente cuando el detector de medición o bien el sensor de medición de la primera instalación de medición insertada en el canal de paso está dispuesto en la posición de funcionamiento en la zona de la boca o insignificantemente fuera del canal de paso en el canal de gas caliente, se puede realizar una detección especialmente eficiente de las magnitudes de estado. De esta manera se consigue también una capacidad de procesamiento mejorada de las magnitudes de estado calculadas de esta manera. De manera correspondiente, se puede optimizar el funcionamiento de una turbina de gas equipada de esta manera. Especially when the measurement detector or the measurement sensor of the first measurement installation inserted in the passage channel is arranged in the operating position in the mouth area or insignificantly outside the passage channel in the hot gas channel , an especially efficient detection of the status quantities can be performed. In this way, an improved processing capacity of the status quantities calculated in this way is also achieved. Correspondingly, the operation of a gas turbine equipped in this way can be optimized.

Además, los costes para la fabricación de los canales y la aplicación de las instalaciones de medición se reducen en virtud de un número reducido de componentes estructurales. In addition, the costs for the manufacture of the channels and the application of the measuring facilities are reduced by virtue of a reduced number of structural components.

Las configuraciones ventajosas se indican en las reivindicaciones dependientes. Advantageous configurations are indicated in the dependent claims.

De manera especialmente ventajosa, la primera instalación de medición está prevista para la medición de la temperatura del gas caliente y la segunda instalación de medición está prevista para la medición de la presión del gas caliente. De esta manera se puede realizar una medición combinada de la presión y de la temperatura del gas caliente que circula, por ejemplo, alrededor de una pala de turbina, en condiciones de funcionamiento, sin que deba realizarse un cálculo de corrección para una de las dos magnitudes de estados para la adaptación de las Particularly advantageously, the first measuring installation is provided for measuring the temperature of the hot gas and the second measuring installation is intended for measuring the pressure of the hot gas. In this way, a combined measurement of the pressure and temperature of the hot gas that circulates can be carried out, for example, around a turbine blade, in operating conditions, without having to perform a correction calculation for one of the two magnitudes of states for the adaptation of

magnitudes de estado medidas hasta ahora en diferentes lugares desde la unidad de regulación de la turbina de gas. status quantities measured so far in different places from the gas turbine control unit.

En un desarrollo ventajoso, el canal de comunicación y/o el canal de paso se forman por un tubo que se extiende a través del componente y que está fijado en la pared del componente por unión del material, con preferencia a través de una unión soldada. Ya no es necesaria la erosión y estañado hasta ahora habituales de la instalación de medición de la temperatura, por ejemplo de un termoelemento. In an advantageous development, the communication channel and / or the passage channel are formed by a tube that extends through the component and is fixed on the component wall by joining the material, preferably through a welded joint . Erosion is not necessary anymore and so far tinned from the temperature measurement installation, for example of a thermoelement.

De manera más conveniente, la primera instalación de medición se puede extraer del canal de paso en la dirección del lado de la pared del componente que está alejado del gas caliente. Esto posibilita la sustitución de una primera instalación de medición defectuosa, sin que sea necesario un acceso al canal de gas caliente de la turbina de gas. Esto reduce el en caso de mantenimiento la duración del procesamiento y de este modo eleva la disponibilidad de la turbina de gas equipada con ella. More conveniently, the first measurement installation can be removed from the passage channel in the direction of the wall side of the component that is away from the hot gas. This makes it possible to replace a first faulty measuring installation, without requiring access to the hot gas channel of the gas turbine. This reduces the duration of processing and in this way increases the availability of the gas turbine equipped with it.

Con preferencia, el canal de gas caliente forma parte de una cámara de combustión de la turbina de gas o forma parte de una unidad de turbina de la turbina de gas. Especialmente cuando las mediciones deben realizarse en la zona de las palas de la turbina, con la invención propuesta se puede indicar un dispositivo especialmente sencillo para la medición de la presión y de la temperatura de un gas caliente que circula a través de la turbina de gas. Preferably, the hot gas channel is part of a combustion chamber of the gas turbine or is part of a turbine unit of the gas turbine. Especially when the measurements must be made in the area of the turbine blades, with the proposed invention an especially simple device for the pressure and temperature measurement of a hot gas circulating through the gas turbine can be indicated .

Una variante de realización ejemplar de la invención se explica con la ayuda del dibujo. En este caso: An exemplary embodiment of the invention is explained with the help of the drawing. In this case:

La figura 1 muestra una sección parcial longitudinal a través de una turbina de gas y Figure 1 shows a partial longitudinal section through a gas turbine and

La figura 2 muestra el dispositivo de acuerdo con la invención para la medición de magnitudes de estado de un gas caliente que puede circular en una turbina de gas en una representación en sección. Figure 2 shows the device according to the invention for measuring state quantities of a hot gas that can circulate in a gas turbine in a sectional representation.

La figura 1 muestra una turbina de gas 1 en una sección parcial longitudinal. Presenta en el interior un rotor 3 alojado de forma giratoria alrededor de un eje de rotación 2, que se designa como rotor de turbina. A lo largo del rotor 3 siguen de forma sucesiva una carcasa de aspiración 4, un compresor 5, una cámara de combustión anular 6 de forma toroidal con una pluralidad de quemadores 7 dispuestos de forma simétrica rotatoria entre sí, una unidad de turbinas 8 y una carcasa de escape de gases 9. La cámara de combustión anular 6 forma una cámara de combustión 17, que se comunica con un canal de gas caliente 18 de forma anular. Allí cuatro fases de turbinas 10 conectadas unas detrás de las otras forman la unidad de turbinas 8. Cada fase de turbinas 10 está formada por dos anillos de palas. Visto en la dirección de la circulación de un gas caliente 11 generado en la cámara de combustión anular 6, en el canal de gas caliente 18, a una serie de palas de guía 13 sigue en cada caso una serie 14 formada por palas circulación 15. Las palas de guía 12 están fijadas en el estator, en cambio las palas de circulación 15 de una serie 14 están colocadas por medio de un disco de turbina en el rotor 3. En el rotor 3 están acoplados un generador o una máquina de trabajo (no representados). Figure 1 shows a gas turbine 1 in a longitudinal partial section. Inside it has a rotor 3 rotatably housed around a rotation axis 2, which is designated as a turbine rotor. Along the rotor 3 successively follow a suction housing 4, a compressor 5, a toroidal annular combustion chamber 6 with a plurality of burners 7 arranged symmetrically rotatable with each other, a turbine unit 8 and a gas exhaust housing 9. The annular combustion chamber 6 forms a combustion chamber 17, which communicates with a hot gas channel 18 annularly. There, four turbine phases 10 connected one behind the other form the turbine unit 8. Each turbine phase 10 is formed by two paddle rings. Seen in the direction of the circulation of a hot gas 11 generated in the annular combustion chamber 6, in the hot gas channel 18, a series of guide blades 13 follows in each case a series 14 formed by circulation blades 15. The guide blades 12 are fixed in the stator, instead the circulation blades 15 of a series 14 are placed by means of a turbine disc in the rotor 3. In the rotor 3 a generator or a working machine is coupled ( not represented).

La figura 2 muestra el dispositivo 21 de acuerdo con la invención para la detección de magnitudes de estado del gas caliente 11 que puede circular en la turbina de gas 1 en una representación en sección. La representación en sección muestra una pala de turbina hueca 23, configurada como pala de guía 12, de la turbina de gas. La pala de turbina 23 presenta una pata de pala 25, fijada en un soporte de pala de guía no representado, y una cabeza de pala de guía 27, que se puede fijar en un anillo de fijación que rodea directamente el rotor 3. Tanto en el lado de la cabeza como también en el lado de la pata, la pala de turbina 23 presenta, además, respectivamente, una plataforma 29, 31, que sirve en cada caso como delimitación del canal de gas caliente. Entre las plataformas 29, 31 se extiende un perfil de superficie de soporte 33 optimizado aerodinámicamente, visto en la dirección de la circulación del gas caliente 11. Figure 2 shows the device 21 according to the invention for the detection of status magnitudes of the hot gas 11 that can circulate in the gas turbine 1 in a sectional representation. The sectional representation shows a hollow turbine blade 23, configured as a guide blade 12, of the gas turbine. The turbine blade 23 has a blade leg 25, fixed on a guide blade holder not shown, and a guide blade head 27, which can be fixed on a fixing ring that directly surrounds the rotor 3. Both in on the side of the head as well as on the side of the leg, the turbine blade 23 also has, respectively, a platform 29, 31, which in each case serves as a delimitation of the hot gas channel. Between the platforms 29, 31 an aerodynamically optimized support surface profile 33 extends, seen in the direction of the circulation of the hot gas 11.

En el interior de la pala de turbina hueca 23 está insertado y fijado un sistema de tubo, cuyo primer extremo 35 desemboca abierto en el ejemplo de realización mostrado en la plataforma 31 y con preferencia está soldado. Otras variantes son concebibles. Inside the hollow turbine blade 23 a tube system is inserted and fixed, the first end of which 35 opens open in the embodiment shown on platform 31 and is preferably welded. Other variants are conceivable.

El sistema de tubo comprende un canal de paso 37, que comenzando en el lado de la pata se extiende a continuación a través del perfil de superficie de soporte 33 de la pala de turbina 23 y termina en el lado de la cabeza en un arco 39. El canal de paso 37 desemboca abierto en una pared del componente 36, por ejemplo en la plataforma 31 del lado de la cabeza, a lo largo de la cual puede circular el gas caliente 11. En el canal de paso 37 se puede insertar en el extremo alejado del gas caliente 11, es decir, en la entrada 39 del lado de la pata, una primera instalación de medición 41 del tipo de lanza, por ejemplo un sensor de temperatura. En este caso, la instalación de medición 41 está insertada tan profundamente en el canal de paso 37 que una punta de medición 53 de la instalación de medición 41 está dispuesta en la zona de la boca 47 del canal de paso 37 o se proyecta en una medida insignificante den el interior del canal de gas caliente 18. En lugar de la temperatura, la instalación de medición 41 puede detectar también la composición química del gas caliente 11 o la concentración de emisiones con sensores apropiados. The tube system comprises a passage channel 37, which starting at the side of the leg then extends through the support surface profile 33 of the turbine blade 23 and ends at the side of the head in an arc 39 The passage channel 37 opens open in a wall of the component 36, for example in the platform 31 on the side of the head, along which the hot gas 11 can flow. In the passage channel 37 it can be inserted into the far end of the hot gas 11, that is, at the inlet 39 on the leg side, a first measuring device 41 of the lance type, for example a temperature sensor. In this case, the measuring installation 41 is inserted so deeply into the passage channel 37 that a measuring tip 53 of the measuring installation 41 is arranged in the mouth area 47 of the passage channel 37 or is projected into a negligible measurement inside the hot gas channel 18. Instead of the temperature, the measuring facility 41 can also detect the chemical composition of the hot gas 11 or the emission concentration with appropriate sensors.

En la zona del lado de la pata de la pala de turbina 23 está previsto un segundo canal, el canal de comunicación 43, que desemboca, por una parte, en el canal de paso y que presenta, por otra parte, una segunda instalación de medición 45, en particular un sensor de medición para la detección de la presión. In the area of the side of the leg of the turbine blade 23 a second channel, the communication channel 43, is provided, which ends, on the one hand, in the passage channel and which, on the other hand, presents a second installation of measurement 45, in particular a measurement sensor for pressure detection.

Durante el funcionamiento de la turbina de gas 1, el perfil de la superficie de soporte 33 de la pala de turbina 23 está rodeado por la corriente de gas caliente 11 generado en la cámara de combustión 6. El gas caliente 11 circula en la 5 unidad de turbina 8 a lo largo de la pared del componente 36 formada también por plataformas 29, 31. During operation of the gas turbine 1, the profile of the support surface 33 of the turbine blade 23 is surrounded by the stream of hot gas 11 generated in the combustion chamber 6. The hot gas 11 circulates in the unit 5 of turbine 8 along the wall of component 36 also formed by platforms 29, 31.

La presión del gas caliente 11, que aparece en el canal de gas caliente 18 se propaga sobre la boca 47 del canal de paso 37 en el interior de éste. De acuerdo con ello, tanto en el canal de paso 37 como también en el canal de comunicación 43 conectado con él de acuerdo con la técnica de la circulación predomina la presión idéntica del gas caliente 11, puesto que entre la primera instalación de medición 41 insertada y la pared del canal de paso está The pressure of the hot gas 11, which appears in the hot gas channel 18 is propagated over the mouth 47 of the passage channel 37 inside it. Accordingly, in both the passage channel 37 and also in the communication channel 43 connected with it according to the circulation technique, the identical pressure of the hot gas 11 predominates, since between the first measuring installation 41 inserted and the passage channel wall is

10 prevista una distancia suficientemente suficiente para ello. De esta manera, en el extremo 49 del canal de comunicación 47, que está opuesto a su boca 51 en el canal de paso 37, en una zona más refrigerada se puede detectar la presión del gas caliente 11 desde la segunda instalación de medición 45. 10 provided a sufficient distance for this. Thus, at the end 49 of the communication channel 47, which is opposite its mouth 51 in the passage channel 37, in a more cooled area the pressure of the hot gas 11 can be detected from the second measuring installation 45.

Al mismo tiempo, a través de la primera instalación de medición insertada 41 es posible detectar en su punta de medición 53 la temperatura del gas caliente 11. Puesto que la presión del gas caliente 11 aparece inalterada desde At the same time, it is possible to detect the temperature of the hot gas at its measuring tip 53 through the first measuring device 41. Since the pressure of the hot gas 11 appears unchanged from

15 la boca 47 del canal de paso 37 hasta el extremo 49 del canal de comunicación 43, existe un lugar de medición idéntico para ambas magnitudes de estado detectadas del gas caliente 11, a saber, la punta de medición 53. 15 the mouth 47 of the passage channel 37 to the end 49 of the communication channel 43, there is an identical measuring location for both detected status quantities of the hot gas 11, namely the measuring tip 53.

Claims

1.- Device (21) for measuring status quantities of a hot gas (11) that can circulate in a gas turbine (1), with a hot gas channel (18) for conducting hot gas (11 ), in which at least one component wall (36) is provided around which the hot gas (11) partially circulates as well as with a passage channel (37) provided in the component wall (36) and that it flows into the hot gas channel (18), into which a first measuring installation (41) can be inserted through an inlet (39) of the passage channel

(37) which is opposite the mouth, in which a communication channel (43) flows into the passage channel (37), characterized in that at a second end (49), opposite the mouth (51), of the channel of communication (43) a second measuring installation (45) is provided, the first measuring installation (41) being provided for the

10 measuring the temperature of the hot gas (11) and the second measuring installation (45) being provided for measuring the pressure of the hot gas (11).

2. Device (21) according to claim 1, wherein the communication channel (43) and / or the passage channel

(37) are formed by a tube, which is fixed together with the material in the wall of the component (36).

3. Device (21) according to claim 1 or 2, wherein the first measuring installation (41) can be

15 Remove from the passage channel (37) in the direction of the wall side of the component (36), which is opposite to the hot gas (11).

4. Device (21) according to one of claims 1 to 3, wherein the hot gas channel (18) is part of a combustion chamber (6) of the gas turbine (1) or is part of a turbine unit (8) of the gas turbine (1).