DE102011056237A1

DE102011056237A1 - Verfahren, Systeme und Vorrichtungen zur Detektion von Materialfehlern in Brennkammern von Verbrennungsturbinen

Info

Publication number: DE102011056237A1
Application number: DE102011056237A
Authority: DE
Inventors: Pradeep Aadi Gopala Krishna; Saurav Dugar; Anthony Krull; Dullal Ghosh; Matthew P. Berkebile
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2012-07-05
Also published as: JP2012140939A; FR2970080B1; US20140371630A1; CN102608120B; US8158428B1; JP6118022B2; CN102608120A; FR2970080A1; US9486164B2

Abstract

System zur Detektion von Fehlern in einem Verbrennungskanal eines Verbrennungssystems einer Verbrennungsturbine, während die Verbrennungsturbine arbeitet, wobei der Verbrennungskanal eine heiße Seite, die Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, und entgegengesetzt zu der heißen Seite eine kalte Seite aufweist. In einer Ausführungsform weist das System einen Fotodetektor auf, der auf die kalte Seite des Verbrennungskanals gerichtet ist, wobei der Fotodetektor konfiguriert ist, um eine sichtbare Veränderung an der kalten Seite des Verbrennungskanals zu detektieren.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Diese vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Verfahren, Systeme und Vorrichtungen zur Detektion von Fehlern, einschließlich Oberflächenfehlern, die in industriellen Herstellungsprozessen, Maschinen, Anlagen, Triebwerken oder ähnlichen Systemen auftreten können. Insbesondere, jedoch keineswegs beschränkend, betrifft die vorliegende Anmeldung Verfahren, Systeme und Vorrichtungen, die die Detektion von Fehlern betreffen, die sich auf den Komponenten bilden, wie denjenigen, die in der Brennkammer vorzufinden sind, die den Heißgasen der Verbrennungsturbinen ausgesetzt sind.
Im Betrieb kann eine Verbrennungsturbine allgemein einen Brennstoff gemeinsam mit verdichteter Luft, die durch einen Verdichter geliefert wird, verbrennen. Wie hierin verwendet und sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, soll eine Verbrennungsturbine alle Arten von Turbinen- oder rotierenden Verbrennungsmotoren oder -antrieben, einschließlich Gasturbinenmaschinen bzw. -anlagen, Flugtriebwerken, etc., enthalten. Die resultierende Strömung von Heißgasen, die gewöhnlich als das Arbeitsfluid bezeichnet werden, wird beim Durchgang durch den Turbinenabschnitt des Antriebs expandiert. Die Wechselwirkung des Arbeitsfluids mit den Laufschaufeln des Turbinenabschnitts ruft eine Drehung der Turbinenwelle hervor. Auf diese Weise wird in dem Brennstoff enthaltene Energie in die mechanische Energie der rotierenden Welle umgewandelt, die dann z. B. verwendet werden kann, um die Laufschaufeln des Verdichters drehend anzutreiben, so dass die zur Verbrennung benötigte Zufuhr komprimierter Luft erzielt wird, und die Spulen eines Generators zu drehen, so dass elektrische Leistung erzeugt wird. Es wird erkannt, dass während eines Betriebs Komponenten, die dem Heißgaspfad ausgesetzt sind, durch extreme mechanische und thermische Belastungen stark beansprucht werden. Dies ist auf die extremen Temperaturen und Geschwindigkeit des Arbeitsfluids sowie die Drehgeschwindigkeit der Turbine zurückzuführen. Da höhere Feuerungstemperaturen effizienteren Wärmekraftmaschinen entsprechen, erweitert die Technologie ständig die Grenzen der Materialien, die in diesen Anwendungen verwendet werden.
Unabhängig davon, ob dies auf die extreme Temperatur, die mechanische Belastung oder eine Kombination von beiden zurückzuführen ist, bleibt ein Bauteilausfall ein beträchtliches Problem in Verbrennungsturbinen. Die Mehrheit von Ausfällen können auf eine Materialermüdung zurückgeführt werden, auf die man gewöhnlich durch den Beginn einer Rissausbreitung vorgewarnt wird. Insbesondere bleibt die durch eine Materialermüdung verursachte Rissbildung ein primärer Indikator dafür, dass eine Komponente die Grenze ihrer Nutzungslebensdauer erreicht hat und einem Ausfall näher kommt. Die Fähigkeit, die Bildung von Rissen zu detektieren, bleibt ein wichtiges industrielles Ziel, insbesondere wenn der katastrophische Schaden betrachtet wird, den der Ausfall einer einzelnen Komponente verursachen kann. Ein derartiges Ausfallereignis kann eine Kettenreaktion hervorrufen, die stromabwärtige Systeme und Komponenten zerstört, was kostspielige Reparaturen und lange Zwangsabschaltungen erfordert.
Eine Art und Weise, in der die Nutzungslebensdauer von Heißgaspfadkomponenten verlängert werden kann, besteht in der Verwendung von Schutzbeschichtungen, wie beispielsweise Wärmesperrbeschichtungen. Im Allgemeinen werden freigelegte Oberflächen mit diesen Beschichtungen überzogen, und die Beschichtungen isolieren die Komponente gegen die extremsten Temperaturen des Heißgaspfades. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet jedoch verstehen wird, verschleißen oder zersplittern diese Arten von Beschichtungen während des Gebrauchs, was ein Prozess ist, der gewöhnlich als „Beschichtungsabsplitterung” oder „Spallation” bezeichnet wird. Eine Absplitterung kann zu der Bildung und dem Wachstum unbeschichteter oder freigelegter Bereiche an einzelnen Bereichen oder kleinen Stellen auf der Oberfläche der beeinträchtigten Komponente führen. Diese ungeschützten Bereiche erfahren höhere Temperaturen und unterliegen somit einer schnelleren Beeinträchtigung, einschließlich einer vorzeitigen Bildung von Ermüdungsrissen und anderen Defekten. In Verbrennungsturbinen stellt eine Beschichtungsabsplitterung ein besonderes Problem für die Turbinenlaufschaufeln und Komponenten innerhalb der Brennkammer, wie beispielsweise Auskleidungen und das Übergangsstück, dar. Eine Früherkennung der Beschichtungsabsplitterung kann einem Betreiber ermöglichen, Korrekturmaßnahmen zu ergreifen, bevor die Komponente aufgrund der zunehmenden Wärmebelastung vollständig beschädigt wird oder die Turbine zum Abschalten gezwungen wird.
Während die Betreiber von Verbrennungsturbinen die Verwendung verschlissener oder beeinträchtigter Komponenten, die ein Risiko eines Ausfalls während des Betriebs darstellen, zu vermeiden wünschen, haben sie auch ein widerstreitendes Interesse daran, Komponenten nicht vorzeitig auszutauschen, bevor ihre Nutzungslebensdauer erschöpft ist. Das heißt, die Betreiber wollen die Nutzungslebensdauer jeder Komponente ausschöpfen, wodurch Teilekosten minimiert werden können, während auch die Häufigkeit von Stillständen einer Maschine bzw. Anlage, damit ein Bauteilaustausch erfolgen kann, reduziert werden kann. Demgemäß stellt eine sichere Detektion von Rissen und/oder Beschichtungsabsplitterungen in Komponenten einer Maschine bzw. Anlage einen bedeutenden industriellen Bedarf dar. Jedoch erfordern herkömmliche Verfahren im Allgemeinen eine regelmäßige visuelle Inspektion der Bauteile. Obwohl sie nützlich ist, ist eine visuelle Inspektion zeitaufwendig, und sie erfordert eine Abschaltung der Maschine bzw. Anlage für eine längere Zeitdauer.
Die Fähigkeit, während eines Betriebs der Maschine bzw. Anlage Komponenten in dem Heißgaspfad hinsichtlich der Bildung von Rissen und der Absplitterung von Schutzbeschichtungen zu überwachen, bleibt ein lang andauernder Bedarf. Was benötigt wird, ist ein System, durch das eine Rissbildung und Absplitterung überwacht werden kann, während die Maschine bzw. Anlage arbeitet, so dass eine erforderliche Maßnahme ergriffen werden kann, bevor ein Ausfallereignis eintritt oder ein beträchtlicher Komponentenschaden hervorgerufen wird. Ein derartiges System kann ferner die Lebensdauer von Komponenten verlängern, da die Notwendigkeit einer Bauteileerneuerung auf dem tatsächlichen, gemessenen Verschleiß, anstatt darauf, was angenommen wird, basieren kann. Außerdem würde ein derartiges System die Notwendigkeit oder Häufigkeit der Vornahme von Bewertungen, wie beispielsweise visuellen Inspektionen, die eine Abschaltung der Maschine bzw. Anlage erfordern, verringern. In dem Maße, wie diese Ziele auf eine kostengünstige Art und Weise erreicht werden können, würde die Effizienz verbessert werden, und der Bedarf in der Industrie wäre hoch.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung beschreibt somit ein System zur Detektion von Fehlern in einem Verbrennungskanal eines Verbrennungssystems einer Verbrennungsturbine, während die Verbrennungsturbine arbeitet, wobei der Verbrennungskanal eine heiße Seite, die Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, und, entgegengesetzt zu der heißen Seite, eine kalte Seite aufweist. In einer Ausführungsform weist das System auf: einen Fotodetektor, der auf die kalte Seite des Verbrennungskanals gerichtet ist, wobei der Fotodetektor konfiguriert ist, um eine sichtbare Veränderung an der kalten Seite des Verbrennungskanals zu detektieren.
Die vorliegende Erfindung enthält ferner ein Verfahren zum Detektieren von Fehlern in einem Verbrennungskanal eines Verbrennungssystems einer Verbrennungsturbine, während die Verbrennungsturbine arbeitet, wobei der Verbrennungskanal eine heiße Seite, die Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, und, entgegengesetzt zu der heißen Seite, eine kalte Seite aufweist. In einer Ausführungsform enthält das Verfahren die Schritte: Beschichten der kalten Seite eines Verbrennungskanals mit einer Indikatorbeschichtung, Positionieren eines Fotodetektors in der Nähe der kalten Seite des Verbrennungskanals, wobei der Fotodetektor ein Sichtfeld aufweist, das die Indikatorbeschichtung enthält; und, während die Verbrennungsturbine arbeitet, Verwenden des Fotodetektors, um eine sichtbare Veränderung an der Indikatorbeschichtung zu detektieren.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden bei einer Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen offensichtlicher.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale dieser Erfindung werden umfassender verstanden und erkannt, indem die folgende detailliertere Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen sorgfältig studiert wird, in denen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Turbinenantriebs, in dem Ausführungsformen des vorliegenden Anmeldegegenstands verwendet werden können;
2 eine Schnittansicht eines beispielhaften Verdichters, der in dem Gasturbinenantrieb nach 1 verwendet werden kann;
3 eine Schnittansicht einer beispielhaften Turbine, die in dem Gasturbinenantrieb nach 1 verwendet werden kann;
4 eine Schnittansicht einer beispielhaften Brennkammer, die in dem Gasturbinenantrieb nach 1 verwendet werden kann und in der die vorliegende Erfindung genutzt werden kann;
5 eine aufgeschnittene Perspektivansicht einer beispielhaften Brennkammer, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;
6 eine Querschnittsansicht eines Übergangsstücks und ein System zur Überwachung von Materialfehlern gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 das System nach 6, wie es einen Fehler detektieren kann, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 eine Querschnittsansicht eines Übergangsstücks und ein System zur Überwachung von Materialfehlern gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 das System nach 8, wie es einen Fehler detektieren kann, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 eine Querschnittsansicht eines Übergangsstücks und ein System zur Überwachung von Materialfehlern gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 eine schematische Darstellung eines Schachts für eine Verbrennungsturbine und einen Detektor gemäß der Ausführungsform nach 10; und
12 das System gemäß den 10 und 11, wie es einen Fehler detektieren kann, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Indem nun auf die Figuren Bezug genommen wird, veranschaulicht 1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinenantriebs (einer Gasturbine) 100, in dem Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Im Allgemeinen arbeiten Gasturbinen(antriebe), indem sie Energie einer unter Druck stehenden Heißgasströmung entziehen, die durch die Verbrennung eines Brennstoffs in einem Strom komprimierter Luft erzeugt wird. Wie in 1 veranschaulicht, kann die Gasturbine 100 mit einem Axialverdichter 106, der über eine gemeinsame Welle oder einen Rotor mit einem stromabwärtigen Turbinenabschnitt oder einer Turbine 110 mechanisch verbunden ist, und einem Verbrennungssystem 112 eingerichtet sein, das, wie veranschaulicht, eine Rohrbrennkammer ist, die zwischen dem Verdichter 106 und der Turbine 110 positioniert ist.
2 veranschaulicht eine Ansicht eines Axialverdichters 106, der in der Gasturbine 100 verwendet werden kann. Wie veranschaulicht, kann der Verdichter 106 mehrere Stufen enthalten. Jede Stufe kann eine Reihe Verdichterlaufschaufeln 120 enthalten, der eine Reihe Verdichterleitschaufeln 122 folgt. Somit kann eine erste Stufe eine Reihe Verdichterlaufschaufeln 120 enthalten, die an einer zentralen Welle rotieren, gefolgt von einer Reihe Verdichterleitschaufeln 122, die während des Betriebs stationär bleiben. Die Verdichterleitschaufeln 122 sind allgemein in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und um die Drehachse herum ortsfest. Die Verdichterlaufschaufeln 120 sind in Umfangsrichtung um die Achse des Rotors herum voneinander beabstandet und rotieren an der Welle während des Betriebs. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird, sind die Verdichterlaufschaufeln 120 derart konfiguriert, dass sie, wenn sie an der Welle umlaufen, der Luft oder dem Arbeitsfluid, die bzw. das durch den Verdichter 106 strömt, kinetische Energie verleihen. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird, kann der Verdichter 106 über die Stufen, die in 2 veranschaulicht sind, hinaus viele weitere Stufen aufweisen. Jede zusätzliche Stufe kann mehrere längs des Umfangs beabstandete Verdichterlaufschaufeln 120 enthalten, denen mehrere längs des Umfangs beabstandete Verdichterleitschaufeln 122 folgen.
3 veranschaulicht eine Teilansicht eines beispielhaften Turbinenabschnitts oder einer Turbine 110, die in einem Gasturbinenantrieb 100 verwendet werden kann. Die Turbine 110 kann mehrere Stufen enthalten. Es sind drei beispielhafte Stufen veranschaulicht, wobei jedoch mehrere oder wenigere Stufen in der Turbine 110 vorhanden sein können. Eine erste Stufe enthält mehrere Turbinenlaufschaufeln oder Turbinenrotorschaufeln 126, die während des Betriebs an der Welle rotieren, und mehrere Leitapparate oder Turbinenleitschaufeln 128, die während des Betriebs stationär bleiben. Die Turbinenleitschaufeln 128 sind im Allgemeinen längs des Umfangs voneinander beabstandet und um die Drehachse herum fixiert. Die Turbinenlaufschaufeln 126 können an einem (nicht veranschaulichten) Turbinenlaufrad zur Drehung an der Welle (nicht veranschaulicht) montiert sein. Eine zweite Stufe der Turbine 110 ist ebenfalls veranschaulicht. Die zweite Stufe enthält in ähnlicher Weise mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Turbinenleitschaufeln 128, gefolgt von mehreren in Umfangsrichtung beabstandeten Turbinenlaufschaufeln 126, die ebenfalls an einem Turbinenlaufrad drehfest montiert sind. Eine dritte Stufe ist ebenfalls veranschaulicht und enthält in ähnlicher Weise mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Turbinenleitschaufeln 128 und Turbinenlaufschaufeln 126. Es versteht sich, dass die Turbinenleitschaufeln 128 und die Turbinenlaufschaufeln 126 in dem Heißgaspfad der Turbine 110 liegen. Die Richtung der Strömung der Heißgase durch den Heißgaspfad ist durch den Pfeil angezeigt. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird, kann die Turbine 110 viele weitere Stufen über die Stufen, die in 3 veranschaulicht sind, hinaus aufweisen. Jede weitere Stufe kann mehrere längs des Umfangs voneinander beabstandete Turbinenleitschaufeln 128 mit mehreren nachfolgenden, längs des Umfangs voneinander beabstandeten Turbinenlaufschaufeln 126 enthalten.
Eine Gasturbine der vorstehend beschriebenen Art kann wie folgt arbeiten. Die Drehung der Verdichterlaufschaufeln 120 in dem Axialverdichter 106 komprimiert eine Luftströmung. In der Brennkammer 112 wird, wie in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben, Energie freigesetzt, wenn die komprimierte Luft mit einem Brennstoff vermischt und gezündet wird. Die resultierende Strömung von Heißgasen aus der Brennkammer 112 kann anschließend über die Turbinenlaufschaufeln 126 geleitet werden, was die Drehung der Turbinenlaufschaufeln 126 an der Welle hervorrufen kann, so dass auf diese Weise die Energie der heißen Gasströmung in die mechanische Energie der umlaufenden Welle umgesetzt wird. Die mechanische Energie der Welle kann anschließend dazu verwendet werden, die Drehung der Verdichterlaufschaufeln 120, so dass die erforderliche Zufuhr der komprimierten Luft erzielt wird, und auch zum Beispiel eines Generators anzutreiben, um Elektrizität zu erzeugen.
Bevor weiter fortgefahren wird, ist es zu verstehen, dass, um die vorliegende Erfindung deutlicher zu vermitteln, es erforderlich wird, eine Terminologie zu wählen, die bestimmte Teile oder Maschinenkomponenten eines Turbinenantriebs und damit verbundener Systeme, insbesondere des Verbrennungssystems, betrifft und beschreibt. Wenn es möglich ist, wird industriegemäße Terminologie genutzt und auf eine mit ihrer akzeptierten Bedeutung übereinstimmende Weise verwendet. Jedoch versteht es sich, dass jede derartige Terminologie eine weite Bedeutung erhalten und nicht derart eng ausgelegt werden soll, dass die hier beabsichtigte Bedeutung und der Umfang der beigefügten Ansprüche unzumutbar beschränkt wird. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass häufig eine bestimmte Komponente mit mehreren unterschiedlichen Ausdrücken bezeichnet werden kann. Außerdem kann das, was als ein Einzelteil beschrieben sein kann, in einem anderen Zusammenhang verschiedene Komponententeile enthalten und als verschiedene Komponententeile umfassend bezeichnet werden, oder das, was hierin als mehrere Komponententeile enthaltend beschrieben sein kann, kann als ein Einzelteil gestaltet und in manchen Fällen als ein Einzelteil bezeichnet werden. An sich sollte zum Verständnis des Umfangs der hierin beschriebenen Erfindung nicht auf die angegebene Terminologie und Beschreibung, sondern auch auf den Aufbau, die Konfiguration, Funktion und/oder Nutzung der Komponente, wie hierin vorgesehen, geachtet werden.
Außerdem können verschiedene beschreibende Begriffe hierin regelmäßig verwendet werden, und es kann hilfreich sein, diese Begriffe an dieser Stelle zu definieren. Diese Begriffe und ihre Definition bei ihrem hier gegebenen Gebrauch sind wie folgt. Der Begriff „Laufschaufel” bzw. „Rotorschaufel” ohne weitere Einzelheiten ist eine Bezugnahme auf die umlaufenden Schaufeln entweder des Verdichters oder der Turbine, die sowohl Verdichterlaufschaufeln als auch Turbinenlaufschaufeln umfassen. Der Begriff „Leitschaufel” bzw. „Statorschaufel” ohne weitere Einzelheiten ist eine Bezugnahme auf die stationären Schaufeln entweder des Verdichters oder der Turbine, die sowohl Verdichterleitschaufeln als auch Turbinenleitschaufeln umfassen. Der Begriff „Schaufeln” wird hierin verwendet, um auf jede Art einer Schaufel Bezug zu nehmen. Somit schließt ohne weitere Einzelheiten der Begriff „Schaufeln” alle Arten von Turbinenantriebsschaufeln, einschließlich Verdichterlaufschaufeln, Verdichterleitschaufeln, Turbinenlaufschaufeln und Turbinenleitschaufeln, ein. Außerdem stellen in dem hierin verwendeten Sinne „stromabwärts” und „stromaufwärts” Begriffe dar, die eine Richtung relativ zu der Strömung eines Fluids, beispielsweise des Arbeitsfluids, durch die Turbine anzeigen. An sich bezeichnet der Begriff „stromabwärts” eine Richtung, die im Wesentlichen der Richtung der Strömung eines Arbeitsfluids entspricht, und der Begriff „stromaufwärts” bezeichnet allgemein die Richtung, die zu der Strömungsrichtung des Arbeitsfluids entgegengesetzt gerichtet ist. Die Begriffe „vorne” oder „vordere” sowie „hinten” oder „hintere” bezeichnen allgemein eine relative Position in Bezug auf das vordere Ende und das hintere Ende des Turbinenantriebs (d. h. der Verdichter ist das vordere Ende des Antriebs, und das Ende mit der Turbine ist das hintere Ende). Zuweilen, was bei der gegebenen Beschreibung klar sein wird, können sich die Begriffe „vordere” und „hintere” auf die Drehrichtung für umlaufende Teile beziehen. Wenn dies der Fall ist, ist die „Vorderkante” eines umlaufenden Teils die Kante, die bei der Rotation führt, und die „Hinterkante” ist die Kante, die nachläuft.
Der Begriff „radial” bezeichnet eine Bewegung oder Position senkrecht zu einer Achse. Es ist häufig erforderlich, Teile, die sich an unterschiedlichen radialen Positionen befinden, in Bezug auf eine Achse zu beschreiben. In diesem Fall kann, falls sich eine erste Komponente näher an der Achse befindet als eine zweite Komponente, hier angegeben werden, dass sich die erste Komponente „radial innen von” oder „innerhalb” der zweiten Komponente befindet. Falls sich die erste Komponente andererseits weiter weg von der Achse als die zweite Komponente befindet, kann hierin angegeben werden, dass sich die erste Komponente „radial außen von” oder „außerhalb” der zweiten Komponente befindet. Der Begriff „axial” bezeichnet eine Bewegung oder Position parallel zu einer Achse. Schließlich bezeichnen die Begriffe „in Umfangsrichtung” oder „Winkelposition” eine Bewegung oder Position rings um eine Achse.
4 und 5 veranschaulichen eine beispielhafte Brennkammer 130, die in einer Gasturbine verwendet werden kann und in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird, kann die Brennkammer 130 ein Kopfende 163, das allgemein die verschiedenen Verteilerleitungen enthält, die die benötigte Luft und den benötigten Brennstoff der Brennkammer zuführen, und eine Endabdeckung 170 enthalten. Mehrere Brennstoffleitungen 137 können sich durch die Endabdeckung 170 hindurch zu Brennstoffdüsen oder Brennstoffinjektoren 138 erstrecken, die an dem hinteren Ende eines vorderen Gehäuses oder einer Kappenanordnung 140 angeordnet sind. Es versteht sich, dass die Kappenanordnung 140 allgemein eine zylindrische Gestalt aufweist und an einem vorderen Ende an der Endabdeckung 170 befestigt ist.
Im Allgemeinen bringen die Brennstoffinjektoren 138 ein Gemisch aus Brennstoff und Luft zur Verbrennung zusammen. Der Brennstoff kann z. B. Erdgas sein, und die Luft kann verdichtete Luft sein (deren Strömung in 4 durch die verschiedenen Pfeile angezeigt ist), die von dem Verdichter geliefert wird. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird, ist stromabwärts von den Brennstoffinjektoren 138 ein Brennraum 180 vorgesehen, in dem die Verbrennung erfolgt. Der Brennraum 180 ist allgemein durch eine Auskleidung 146 definiert, die in einer Strömungshülse 144 eingeschlossen ist. Zwischen der Strömungshülse 144 und der Auskleidung 146 ist ein Ringraum ausgebildet. Von der Auskleidung 146 aus übergibt ein Übergangsstück 148 die Strömung von dem kreisförmigen Querschnitt der Auskleidung zu einem ringförmigen Querschnitt, während dieses stromabwärts zu dem (in 4 nicht veranschaulichten) Turbinenabschnitt strömt. Eine Übergangsstückprallhülse 150 (hier nachfolgend „Prallhülse 150”) kann das Übergangsstück 148 umgeben, wodurch auch ein Ringraum zwischen der Prallhülse 150 und dem Übergangsstück 148 erzeugt ist. An dem stromabwärtigen Ende des Übergangsstücks 148 kann ein Übergangsstückhinterrahmen 152 die Strömung des Arbeitsfluids in Richtung auf die Schaufelblätter richten, die in der ersten Stufe der Turbine 110 positioniert sind. Es versteht sich, dass die Strömungshülse 144 und die Prallhülse 150 gewöhnlich durch diese hindurch ausgebildete (in 4 nicht veranschaulichte) Prallöffnungen aufweisen, die einer beaufschlagten Strömung verdichteter Luft aus dem Verdichter 106 ermöglichen, in die Hohlräume einzutreten, die zwischen der Strömungshülse 144 und der Auskleidung 146 sowie zwischen der Prallhülse 150 und dem Übergangsstück 148 ausgebildet sind. Die komprimierte Luftströmung durch die Prallöffnungen kühlt in konvektiver Weise die Außenflächen der Auskleidung 146 und des Übergangsstücks 148.
Indem nun auf die 6 bis 12 Bezug genommen wird, werden verschiedene Verfahren zur Detektion von Defekten oder Fehlern in dem Übergangsstück 148 innerhalb eines Verbrennungsturbinenantriebs erläutert. Es versteht sich, dass die Bezugnahme auf „Defekte” bzw. „Fehler” sowohl die Bildung von Rissen innerhalb des Übergangsstücks 148 als auch die Absplitterung der Schutzbeschichtung (d. h. Wärmesperrbeschichtung) umfasst, die gewöhnlich auf der Innenfläche des Übergangsstücks aufgebracht ist.
6 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Übergangsstücks 148 und ein System zur Überwachung von Materialfehlern in dem Übergangsstück 148 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. (Es wird von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt, dass die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren in gleicher Weise auf die Auskleidungen 146 innerhalb des Verbrennungssystems angewandt werden können. Die Verwendung des Übergangsstücks 148 in den verschiedenen beispielhaften Verwendungen, wie sie nachstehend vorgesehen sind, soll demgemäß auch für Verwendungen innerhalb der Auskleidung 146 der Brennkammer gelten. Wenn in den beigefügten Ansprüchen gemeinsam auf das Übergangsstück 148 und die Auskleidung 146 Bezug genommen wird, werden diese als ein „Verbrennungskanal” bezeichnet.) 7 veranschaulicht den Betrieb des Systems, während dieses einen Fehler innerhalb des Übergangsstücks 148 detektiert, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Es versteht sich, dass die Innenfläche des Übergangsstücks 148, die häufig als die „heiße Seite” bezeichnet wird, mit einer Schutzbeschichtung 161 überzogen sein kann, die eine herkömmliche Wärmesperrbeschichtung sein kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Außenfläche des Übergangsstücks 148, die häufig als die „kalte Seite” bezeichnet wird, mit einer Indikatorbeschichtung 163 überzogen werden. In einer Ausführungsform kann die Indikatorbeschichtung 163, wie nachstehend in größeren Einzelheiten beschrieben, eine Beschichtung enthalten, die eine pulverförmige Substanz, beispielsweise Zink-, Kadmium-, Magnesium- oder ein beliebiges sonstiges farbiges Pulver, und einen Klebstoff enthält. In einigen Ausführungsformen kann der Klebstoff keramische Klebstoffe (Resbond^TM 919&920), keramische Spachteln oder Expoxidsilikone, die gute Kriechfestigkeitseigenschaften bei hohen Temperaturen aufweisen, oder andere ähnliche Arten von Materialien oder Klebstoffen enthalten. Wie veranschaulicht, kann die Indikatorbeschichtung 163 auf große Bereiche der kalten Seite des Übergangsstücks 148 aufgebracht sein. Es versteht sich, dass der Klebstoff die Beschichtung an die kalte Seite des Übergangsstücks 148 bindet.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Detektor 165 derart positioniert sein, dass er Licht detektiert, das von der kalten Seite des Übergangsstücks 148 entweder reflektiert oder ausgestrahlt wird, wie dies in 6 veranschaulicht ist. Der Detektor 165 kann mit einer stationären Struktur 166 verbunden sein, so dass seine Position und Fähigkeit, die kalte Seite des Übergangsstücks 148 zu überwachen, stabil bleiben. Der Detektor 165 kann derart positioniert sein, dass ein bestimmter Bereich des Übergangsstücks 148 innerhalb des Sichtfeldes des Detektors 148 liegt. In einigen Ausführungsformen kann die stationäre Struktur 166 einen Abschnitt des Brennkammergehäuses enthalten. In anderen Ausführungsformen kann die stationäre Struktur 166 einen Abschnitt der Prallhülse 150 enthalten, die das Übergangsstück 148 umgibt. Der Detektor 165 kann in einem vorbestimmten Abstand zu dem Übergangsstück 148 positioniert sein, so dass ein gewünschter Erfassungsbereich erreicht wird.
In einer Ausführungsform weist der Detektor 165 einen herkömmlichen Fotosensor oder Fotodetektor, d. h. einen herkömmlichen Sensor, der in der Lage ist, Licht zu detektieren, auf. Insbesondere kann der Detektor einen beliebigen herkömmlichen Fotodetektor aufweisen, der in der Lage ist, die Veränderungen an der Indikatorbeschichtung 163 zu detektieren, die hierin beschrieben sind. Gemäß einer Ausführungsform weist der Detektor 165 einen herkömmlichen Farbsensor auf, der einen Bayer-Sensor, einen Sensor der Bauart Foveon X3, einen 3CCD-Sensor oder eine sonstige Bauart eines Farbsensors umfassen kann. Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist der Detektor 165 einen Fotodiodenlichtsensor oder eine andere Art eines Fotodetektors auf, der konfiguriert ist, um helles Licht oder Lichtblitze zu detektieren, die bei der Verbrennung von Substanzen auftreten können, die verwendet werden können, um die Indikatorbeschichtung 163 zu dotieren.
Wie in 6 veranschaulicht, kann der Detektor 165 mit einer Steuereinheit 170 in Kommunikationsverbindung stehen, die konfiguriert ist um festzustellen, ob durch den Detektor 165 eine Farbe oder ein Licht detektiert worden ist, die bzw. das vorbestimmte Kriterien überschreitet. In dem Fall, dass die vorbestimmten Kriterien überschritten worden sind, kann die Steuereinheit 170 konfiguriert sein, um ein automatisches Warnsignal auszusenden oder eine Korrketurmaßnahme durchzuführen. Zum Beispiel kann das Warnsignal einen Alarm oder eine andere Benachrichtigung, beispielsweise eine Email oder eine automatisierte Meldung, an einen Betreiber aufweisen, und die Korrekturmaßnahme kann ein Abschalten des Verbrennungsturbinenantriebs umfassen.
Im Betrieb bindet der Klebstoff der Indikatorbeschichtung 163 das Pulver der Beschichtung an die kalte Seite des Übergangsstücks 148. Es wird erkannt, dass bei Fehlen der Bildung eines Fehlers 173 die Indikatorbeschichtung 163 derart konfiguriert sein kann, dass sie an der kalten Seite des Übergangsstücks 148 angebunden bleibt, so dass folglich der Detektor 165 keine Veränderung in dem von dieser reflektierten oder emittierten Licht registriert.
Wie in 7 veranschaulicht, kann sich ein Fehler 173 innerhalb des Übergangsstücks 148 ausbilden. Wie erwähnt, kann der Fehler 173 einen Riss in dem Übergangsstück 148 enthalten, der die Absplitterung der Schutzbeschichtung 161 bewirkt, oder der Fehler 173 kann einen Abtrag oder eine Absplitterung der Schutzbeschichtung 161 von dem Übergangsstück 148 umfassen. Bei der Entstehung des Fehlers 173 steigt die Temperatur des Übergangsstücks 148, und dies führt zu der Bildung einer „heißen Stelle” entlang eines Abschnitts der kalten Seite des Übergangsstücks 148. In dem Fall eines Fehlers 173, der einen Riss durch das Übergangsstück 148 enthält, kann dies umfassen, dass Heißgase durch den Riss hindurch angesaugt werden, was eine noch größere Steigerung der Temperatur an der kalten Seite des Übergangsstücks 148 hervorrufen kann.
Es wird erkannt, dass bei der gegebenen Steigerung der Temperatur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Beschichtung derart konfiguriert sein kann, dass der Klebstoff beginnt, seine Haftungseigenschaften zu verlieren, und/oder die Pulversubstanz beginnt zu schmelzen. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet verstehen wird, können diese Bedingungen dazu führen, dass die kalte Seite des Übergangsstücks 148 ihre Bedeckung durch die Indikatorbeschichtung 163 verliert, d. h. kleine kahle, freigelegte Stellen bekommt, wie dies in 7 veranschaulicht ist. In dem Fall, in dem der Detektor 165 einen Farbsensor aufweist, bewirkt dies eine Veränderung der Farbe, die durch den Detektor 165 detektiert werden kann. Zum Beispiel kann die Farbe der kalten Seite des Übergangsstücks 148 sich aufgrund der thermischen Beaufschlagung verändern. Oder die Farbe der kalten Seite des Übergangsstücks 148 kann z. B. grau sein, während die Indikatorbeschichtung weiß war, so dass der Abtrag der Indikatorbeschichtung 136 eine deutliche, wahrnehmbare Farbveränderung bewirkt. Wie erwähnt, kann die Detektion der Farbveränderung in beispielhaften Ausführungsformen die Steuereinheit 170 veranlassen, eine Warnmeldung bereitzustellen, dass ein Fehler 173 wahrscheinlich ist und/oder dass eine Korrekturmaßnahme ergriffen werden sollte. Es wird erkannt, dass die Empfindlichkeit des Systems durch Verwendung unterschiedlicher Kriterien, die das von dem Detektor empfangene Signal betreffen, bevor eine Warnmeldung ausgegeben wird, angepasst werden kann.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Indikatorbeschichtung 163 ein Material, wie beispielsweise Magnesium, enthalten, das helles Licht und/oder helle Blitze emittiert, wenn es den hohen Temperaturen von angesaugten Heißpfadgasen ausgesetzt ist. Auf eine andere Weise könnte dieses Ereignis auch detektiert werden, nachdem die Beschichtung (aufgrund eines Materialschmelzens oder Verlustes der Hafteigenschaft) absplittert und entlang der kalten Seite des Übergangsstücks 148 zu dem (nicht veranschaulichten) Lufteinlass der Brennkammer oder durch den Leckagepfad zwischen dem Übergangsstück und der Auskleidung (dem Hula-Dichtungspfad) oder durch einen Riss hindurch strömt. Die losen Teilchen 163a können verbrennen und dadurch das detektierbare helle Licht an der heißen Seite des Übergangsstücks/der Auskleidung freisetzen, das durch ein Spektroskop detektiert werden könnte, das entweder an dem hinteren Ende des Übergangsstücks oder an einem Schacht (ähnlich dem in den 10 bis 12 veranschaulichten System) installiert sein kann. In diesem Fall kann der Detektor 165 einen Fotodetektor oder ein Spektroskop enthalten, der bzw. das in der Lage ist, ein derartiges helles Licht und/oder derartige helle Blitze zu registrieren. Zum Beispiel kann der Detektor 165 eine Fotodiode enthalten. In diesem Fall können die erhöhten Temperaturen und/oder die angesaugten Gase, die bei der Bildung eines Fehlers 173 auftreten können, das Magnesium oder ein anderes derartiges Material veranlassen, das helle Licht oder die hellen Blitze zu erzeugen. In beispielhaften Ausführungsformen kann die Detektion des hellen Lichts/der hellen Blitze die Steuereinheit 170 veranlassen, eine Warnmeldung zu liefern, dass ein Fehler 173 wahrscheinlich ist und/oder dass eine Korrekturmaßnahme ergriffen werden sollte. Es wird erkannt, dass die Empfindlichkeit des Systems durch Verwendung verschiedener Kriterien, die das von dem Detektor 165 empfangene Signal betreffen, bevor eine Warnmeldung ausgegeben wird, angepasst werden kann.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform können die beiden vorherigen Ausführungsformen eine kombinierte Ausführungsform bilden, die sowohl eine Farbveränderung als auch helles Licht/Blitze erfasst. Es versteht sich, dass in einer derartigen Ausführungsform die verschiedenen Detektionsmodi konfiguriert sein können, um verschiedene Kategorien von Fehlern 173 mitzuteilen. Zum Beispiel kann die Detektion einer Farbveränderung durch den Detektor 165 eine heiße Stelle anzeigen, die von der Abtragung der Schutzbeschichtung 161 von der Innenfläche des Übergangsstücks 148 herrührt. Die Detektion des hellen Lichts/der Blitze kann andererseits ein ernsthafteres Problem anzeigen, das das Ansaugen von heißen Strömungspfadgasen durch einen Riss in dem Übergangsstück 148 umfasst. In jedem Fall können die Parameter natürlich in Abhängigkeit von den charakteristischen Eigenschaften des Systems und der gewünschten Empfindlichkeit angepasst werden, wie dies ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird.
8 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Übergangsstücks und ein System zur Überwachung von Materialfehlern gemäß der vorliegenden Erfindung, während 9 den Betrieb des Systems, wie dieses einen Fehler detektiert, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
Ähnlich den vorstehend erläuterten Ausführungsformen kann die Innenfläche des Übergangsstücks mit einer Schutzbeschichtung 161 beschichtet sein, die eine herkömmliche Wärmesperrbeschichtung sein kann. Die Außenfläche des Übergangsstücks 148 kann mit einer Indikatorbeschichtung 163 beschichtet sein. In dieser Ausführungsform kann die Indikatorbeschichtung 163 eine beliebige herkömmliche Beschichtung sein, die die hierin beschriebenen Leistungskriterien erfüllt. Zum Beispiel kann die Indikatorbeschichtung 163 in einigen bevorzugten Ausführungsformen keramische Klebstoffe, keramische Spachteln oder Epoxidsilikone, die gute Kriechbeständigkeitseigenschaften bei hohen Temperaturen aufweisen, oder andere ähnliche Arten von Materialien oder Klebstoffen enthalten. Wie veranschaulicht, kann die Indikatorbeschichtung 163 auf große Bereiche der kalten Seite des Übergangsstücks 148 aufgebracht sein. Es versteht sich, dass die Klebstoffeigenschaften der Beschichtung die Indikatorbeschichtung an die kalte Seite des Übergangsstücks 148 binden. In bevorzugten Ausführungsformen kann die Indikatorbeschichtung 163 derart aufgebracht sein, dass sie eine Dicke von ungefähr 0,001 bis 0,80 Zoll aufweist.
Gemäß alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Näherungssensor 175 mit der stationären Struktur 166 derart verbunden sein, dass seine Position in Bezug auf das Übergangsstück 148 unveränderlich festgelegt ist. Der Näherungssensor 175 kann derart positioniert sein, dass ein bestimmter Bereich des Übergangsstücks 148 innerhalb des Sichtfeldes des Näherungssensors 175 liegt. In einigen Ausführungsformen kann die stationäre Struktur 166 einen Abschnitt des Brennkammergehäuses enthalten. In anderen Ausführungsformen kann die stationäre Struktur 166 einen Abschnitt der Prallhülse 150 enthalten, die das Übergangsstück 148 umgibt. Der Detektor 165 kann in einem geeigneten Abstand zu dem Übergangsstück 148 entsprechend den Leistungseigenschaften des speziellen Näherungssensors 175 positioniert sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Näherungssensor 120 eine Laser-Näherungssonde. In anderen Ausführungsformen kann der Näherungssensor 120 ein Wirbelstromsensor, ein kapazitiver Sensor, ein Mikrowellensensor oder eine beliebige sonstige ähnliche Vorrichtung sein.
Wie in 8 veranschaulicht, kann der Näherungssensor 175 mit einer Steuereinheit 170 in Kommunikationsverbindung stehen, die konfiguriert ist um festzustellen, ob eine Veränderung des Abstands zwischen dem Näherungssensor und der Indikatorbeschichtung 163 durch den Näherungssensor 175 detektiert worden ist, die vorbestimmte Kriterien überschreitet. In dem Fall, dass die vorbestimmten Kriterien überschritten worden sind, kann die Steuereinheit 170 konfiguriert sein, um ein automatisches Warnsignal auszusenden oder eine Korrekturmaßnahme durchzuführen. Zum Beispiel kann das Warnsignal einen Alarm oder eine andere Benachrichtigung, beispielsweise eine Email oder eine automatisierte Meldung, an einen Betreiber aufweisen, und die Korrekturmaßnahme kann ein Abschalten des Verbrennungsturbinenantriebs umfassen.
Im Betrieb bindet der Klebstoff der Indikatorbeschichtung 163 die Beschichtung an die kalte Seite des Übergangsstücks 148. Es versteht sich, dass die Indikatorbeschichtung 163 bei Fehlen der Bildung eines Fehlers 173 derart konfiguriert sein kann, dass sie an der kalten Seite des Übergangsstücks 148 angebunden bleibt, so dass folglich der Näherungssensor 175 keine Veränderung des Abstands (der in 8 als „d1” angezeigt ist) zu der Oberfläche der Indikatorbeschichtung 163 registriert.
Wie in 9 veranschaulicht, kann sich ein Fehler 173 in dem Übergangsstück 148 bilden. Wie erwähnt, kann der Fehler 173 einen Riss in dem Übergangsstück 148 enthalten, der die Absplitterung der Schutzbeschichtung 161 bewirkt, oder der Fehler 173 kann eine Abtragung oder Absplitterung der Schutzbeschichtung 161 von dem Übergangsstück 148 enthalten, die bei Fehlen eines Risses in dem Übergangsstück 148 entsteht. Mit der Bildung des Fehlers 173 steigt die Temperatur des Übergangsstücks 148, und diese hat die Entstehung einer „heißen Stelle” an einem Abschnitt der kalten Seite des Übergangsstücks 148 zur Folge. In dem Fall eines Fehlers 173, der einen durch das Übergangsstück 148 führenden Riss enthält, kann dies umfassen, dass Heißgase durch den Riss hindurch angesaugt werden, was eine noch größere Steigerung der Temperatur an der kalten Seite des Übergangsstücks 148 hervorrufen kann.
Es versteht sich, dass bei der gegebenen Temperatursteigerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Beschichtung derart konfiguriert sein kann, dass der Klebstoff beginnt, seine Hafteigenschaften zu verlieren, und/oder die Pulversubstanz beginnt zu schmelzen. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird, können diese Bedingungen dazu führen, dass die kalte Seite des Übergangsstücks 148 ihre Bedeckung durch die Indikatorbeschichtung 163 verliert, d. h. dass kleine kahle Stellen entstehen, wie dies in 7 veranschaulicht ist. Der Näherungssensor 175 kann eine Veränderung des Abstands zu dem Übergangsstück 148 messen (d. h. der Näherungssensor 175 kann anzeigen, dass sich der Abstand zu dem Abstand, der in 9 als „d2” angezeigt ist, vergrößert hat). In beispielhaften Ausführungsformen kann die Detektion der Abstandsänderung die Steuereinheit 170 veranlassen, eine Warnbenachrichtigung zu liefern, dass ein Fehler 173 wahrscheinlich ist und/oder dass eine Korrekturmaßnahme ergriffen werden sollte. Es versteht sich, dass die Empfindlichkeit des Systems durch Verwendung unterschiedlicher Kriterien angepasst werden kann, die die erforderliche Abstandsänderung betreffen, bevor eine Warnmeldung ausgegeben wird.
10 und 11 veranschaulichen eine Ansicht eines Übergangsstücks bzw. eines stromabwärtigen Schachts, die ein System zur Überwachung von Materialfehlern gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten, während 12 den Betrieb des Systems, wie es einen Fehler detektiert, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
Ähnlich wie bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen kann die Innenfläche des Übergangsstücks mit einer Schutzbeschichtung 161 beschichtet sein, die eine herkömmliche Wärmesperrbeschichtung sein kann. Die Außenfläche des Übergangsstücks 148 kann mit einer Indikatorbeschichtung 163 beschichtet sein. In dieser Ausführungsform kann die Indikatorbeschichtung 163, wie in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben, durch keramische Klebstoffe, keramische Spachteln oder Epoxidsilikone, die gute Kriechfestigkeitseigenschaften bei hohen Temperaturen aufweisen, oder andere ähnliche Arten von Materialien oder Klebstoffen gebildet sein. Wie in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben, kann die Indikatorbeschichtung 163 eine Substanz enthalten, die durch einen Gasanalysator oder -sensor 181 detektiert werden kann, der stromabwärts angeordnet ist. In manchen bevorzugten Ausführungsformen ist diese detektierbare Substanz ein Seltenerdelement. In anderen Ausführungsformen kann die detektierbare Substanz Kadmium oder Magnesium sein. Es versteht sich, dass auch andere Substanzen verwendet werden können. Wie veranschaulicht, kann die Indikatorbeschichtung 163 auf große Bereiche der kalten Seite des Übergangsstücks 148 aufgebracht sein. Es versteht sich, dass die Klebstoffeigenschaften der Beschichtung die Indikatorbeschichtung an die kalte Seite des Übergangsstücks 148 binden.
Gemäß alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann, wie erwähnt, ein Gasanalysator 181 an einer geeigneten Stelle stromabwärts der Brennkammer angeordnet sein. Eine derartige bevorzugte Stelle befindet sich im Inneren des Schachts 178 des Verbrennungsturbinenantrieb, wie in 11 veranschaulicht. Der Gassensor 181 kann einen beliebigen herkömmlichen Gasanalysator enthalten, der sich für die beschriebene Anwendung eignet, wie dies ein Fachmann erkennen kann oder wird. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Gastsensor 181 einen Chromotografie-Analysator auf. Es können auch andere Arten herkömmlicher Gassensoren verwendet werden.
Wie in 11 veranschaulicht, kann der Gassensor 181 mit einer Steuereinheit 170 in Kommunikationsverbindung stehen, die konfiguriert ist um festzustellen, ob das Gas, das gerade analysiert wird, die detektierbare Substanz der Indikatorbeschichtung 163 enthält. Die Steuereinheit 170 kann konfiguriert sein um festzustellen, ob eine vorbestimmte Schwelle der detektierbaren Substanz überschritten worden ist. In dem Fall, dass die vorbestimmte Schwelle überschritten worden ist, kann die Steuereinheit 170 konfiguriert sein, um ein automatisches Warnsignal auszusenden oder eine Korrekturmaßnahme durchzuführen. Zum Beispiel kann das Warnsignal einen Alarm oder eine andere Benachrichtigung, wie beispielsweise eine Email oder eine automatisierte Meldung, an einen Betreiber aufweisen, und die Korrekturmaßnahme kann ein Abschalten der Verbrennungsturbine umfassen.
Im Betrieb bindet der Klebstoff der Indikatorbeschichtung 163 die Beschichtung an die kalte Seite des Übergangsstücks 148. Es versteht sich, dass bei fehlender Bildung eines Fehlers 173 die Indikatorbeschichtung 163 derart konfiguriert sein kann, dass sie an der kalten Seite des Übergangsstücks 148 angebunden bleibt, so dass folglich der Gassensor keine Detektion der detektierbaren Substanz der Indikatorbeschichtung 161 in den Verbrennungsprodukten, die durch den Schacht 170 strömen, registriert.
Wie in 9 veranschaulicht, kann sich ein Fehler 173 in dem Übergangsstück 148 ausbilden. Wie erwähnt, kann der Fehler 173 einen Riss in dem Übergangsstück 148 enthalten, der die Absplitterung der Schutzbeschichtung 161 bewirkt, oder der Fehler 173 kann eine Abtragung oder Absplitterung der Schutzbeschichtung 161 von dem Übergangsstück 148 enthalten, die sich bei Fehlen eines Risses in dem Übergangsstück 148 bildet. Mit der Entstehung des Fehlers 173 steigt die Temperatur des Übergangsstücks 148, und diese hat die Ausbildung einer „heißen Stelle” an einem Abschnitt der kalten Seite des Übergangsstücks 148 zur Folge. In dem Fall eines Fehlers 173, der einen Riss durch das Übergangsstück 148 enthält, kann dies umfassen, dass Heißgase durch den Riss hindurch angesaugt werden, was eine noch größere Steigerung der Temperatur an der kalten Seite des Übergangsstücks 148 hervorrufen kann.
Es wird erkannt, dass bei der gegebenen Temperatursteigerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Beschichtung derart konfiguriert sein kann, dass der Klebstoff beginnt, seine Hafteigenschaften zu verlieren, und/oder die Pulversubstanz beginnt zu schmelzen. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird, können diese Bedingungen dazu führen, dass die Indikatorbeschichtung 163 von der kalten Seite des Übergangsstücks 148 abgetragen wird. Teilchen der abgetragenen Indikatorbeschichtung (die in 12 mit „163a” gekennzeichnet sind) können entlang der kalten Seite des Übergangsstücks 148 zu dem (nicht veranschaulichten) Lufteinlass der Brennkammer strömen. Die losen Teilchen 163a können verbrennen und dadurch die detektierbare Substanz in der Indikatorbeschichtung 161 freisetzen. Alternativ kann die detektierbare Substanz bei der Entstehung einer heißen Stelle freigesetzt und/oder in den Heißgasströmungspfad durch einen durch das Übergangsstück 148 gebildeten Riss eingesaugt werden.
Der Gassensor 181, der, wie erwähnt, stromabwärts von der Brennkammer und in einer bevorzugten Ausführungsform innerhalb des Schachts 178 angeordnet ist, kann dann die detektierbare Substanz der Indikatorbeschichtung 163 detektieren. In beispielhaften Ausführungsformen kann die Detektion der detektierbaren Substanz die Steuereinheit 170 veranlassen, eine Warnmeldung zu liefern, dass ein Fehler 173 wahrscheinlich ist und/oder dass eine Korrekturmaßnahme ergriffen werden sollte. Es versteht sich, dass die Empfindlichkeit des Systems angepasst werden kann, indem verschiedene Schwellenwerte der Substanz detektiert werden müssen, bevor eine Korrekturmaßnahme ergriffen wird. Auf diese Weise kann der katastrophale Ausfall des Übergangsstücks vermieden werden.
Alternativ könnte gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Schutzbeschichtung 161 (z. B. die Wärmesperrbeschichtung) an der heißen Seite des Übergangsstücks 148 mit der detektierbaren Substanz dotiert sein. Der Gassensor 181 an dem Schacht 178 oder an einer anderen stromabwärtigen Position kann dann die Spuren der detektierbaren Substanz detektieren, wenn die Schutzbeschichtung 161 absplittert. Dies ist für eine Absplitterung der Schutzbeschichtung und/oder Rissbildung kennzeichnend.
Es wird erkannt, dass durch Überwachung einer Rissbildung und Beschichtungsabsplitterung, während die Maschine bzw. Anlage arbeitet, die Notwendigkeit regelmäßiger visueller Inspektionen reduziert werden kann, was auch die Stillstandszeiten der Maschine bzw. Anlage reduzieren kann. Wie verständlich ist, wird gewöhnlich das Übergangsstück erst dann inspiziert, wenn das Verbrennungssystem nach mehreren tausenden Stunden des Betriebs einer diagnostischen Überprüfung unterzogen wird. Eine Überwachung der Rissbildung und Absplitterung, während die Maschine bzw. Anlage arbeitet, kann die Entstehung eines beträchtlichen Fehlers detektieren, der ansonsten unbemerkt bleiben würde, bis diese Inspektion erfolgt. In Abhängigkeit von der Ernsthaftigkeit des Fehlers kann ein beträchtlicher Schaden eintreten, falls die Maschine bzw. Anlage weiter arbeitet und keine Korrekturmaßnahme ergriffen wird, insbesondere wenn ein Fehler Teile des Übergangsstücks freisetzt, die eine Beschädigung an stromabwärtigen Komponenten bewirken. Ein derartiges Ereignis kann vermieden werden, falls die Echtzeit-Überwachungsmöglichkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verfügung stehen.
Wie ein Fachmann auf dem Gebiet verstehen wird, können die vielen variierenden Merkmale und Konfigurationen, wie sie vorstehend in Bezug auf die verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen beschrieben sind, ferner wahlweise angewandt werden, um andere mögliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu schaffen. Der Kürze wegen und unter Berücksichtigung der Fähigkeiten eines Fachmanns auf dem Gebiet sind nicht alle möglichen Varianten im Einzelnen dargestellt oder erläutert, obwohl alle Kombinationen und möglichen Ausführungsformen, die durch die mehreren nachstehenden Ansprüche oder in sonstiger Weise umfasst sind, ein Teilen der vorliegenden Anmeldung bilden sollen. Außerdem werden Fachleute auf dem Gebiet anhand der vorstehenden Beschreibung der verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung Verbesserungen, Veränderungen und Modifikationen erkennen. Derartige Verbesserungen, Veränderungen und Modifikationen innerhalb der Fachkenntnisse sollen durch die beigefügten Ansprüche mit umfasst sein. Ferner sollte erkannt werden, dass das Vorstehende nur die beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung anbetrifft und dass daran zahlreiche Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne dass von dem Rahmen und Umfang des Anmeldegegenstands, wie durch die folgenden Ansprüche definiert, und dessen Äquivalenten abgewichen wird.
System zur Detektion von Fehlern in einem Verbrennungskanal eines Verbrennungssystems einer Verbrennungsturbine, während die Verbrennungsturbine arbeitet, wobei der Verbrennungskanal eine heiße Seite, die Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, und entgegengesetzt zu der heißen Seite eine kalte Seite aufweist. In einer Ausführungsform weist das System einen Fotodetektor auf, der auf die kalte Seite des Verbrennungskanals gerichtet ist, wobei der Fotodetektor konfiguriert ist, um eine sichtbare Veränderung an der kalten Seite des Verbrennungskanals zu detektieren.

Claims

System zur Detektion von Fehlern in einem Verbrennungskanal eines Verbrennungssystems einer Verbrennungsturbine, während die Verbrennungsturbine arbeitet, wobei der Verbrennungskanal eine heiße Seite, die Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, und entgegengesetzt zu der heißen Seite eine kalte Seite aufweist, wobei das System aufweist: einen Fotodetektor, der auf die kalte Seite des Verbrennungskanals gerichtet ist, wobei der Fotodetektor konfiguriert ist, um eine sichtbare Veränderung an der kalten Seite des Verbrennungskanals zu detektieren.
System nach Anspruch 1, wobei die heiße Seite eine Schutzbeschichtung aufweist und wobei der Fotodetektor konfiguriert ist, um eine sichtbare Veränderung an der kalten Seite zu detektieren, die von einer Erhöhung der Temperatur an der kalten Seite herrührt, die durch einen Fehler in der Schutzbeschichtung der heißen Seite hervorgerufen ist.
System nach Anspruch 2, wobei der Fehler eine Absplitterung der Schutzbeschichtung von einem Bereich an der heißen Seite aufweist, wobei der Bereich der Absplitterung wenigstens eine Schwellengröße aufweist, wobei die Schwellengröße der Größe entspricht, die erforderlich ist, um die Erhöhung der Temperatur an der kalten Seite zu bewirken.
System nach Anspruch 2, das ferner eine Indikatorbeschichtung aufweist, die an der kalten Seite des Verbrennungskanals angeordnet ist; wobei die Indikatorbeschichtung eingerichtet ist, um, wenn ein Bereich an der kalten Seite während des Betriebs wenigstens eine Schwellentemperatur erreicht, eine sichtbare Veränderung aufzuweisen; und wobei der Fotodetektor konfiguriert ist, um die sichtbare Veränderung der Indikatorbeschichtung zu detektieren.
System nach Anspruch 4, wobei die sichtbare Veränderung eine Ablösung der Indikatorbeschichtung von der kalten Seite aufweist; wobei die Indikatorbeschichtung eine erste Farbe aufweist; wobei die kalte Seite des Verbrennungskanals eine zweite Farbe aufweist; und wobei der Fotodetektor konfiguriert ist, um einen Unterschied zwischen der ersten Farbe und der zweiten Farbe zu detektieren.
System nach Anspruch 4, wobei die sichtbare Veränderung eine Veränderung der Farbe aufweist und wobei der Fotodetektor konfiguriert ist, um die Farbveränderung zu detektieren.
System nach Anspruch 6, wobei der Fotodetektor einen von einem Bayer-Sensor, einem Foveon X3 Sensor und einem 3CCD-Sensor aufweist.
System nach Anspruch 4, wobei die sichtbare Veränderung die Verbrennung der Indikatorbeschichtung aufweist.
System nach Anspruch 8, wobei die Indikatorbeschichtung einen Dotierungsstoff aufweist, der bei Verbrennung helles Licht emittiert; und wobei der Fotodetektor entweder einen Fotodiodenlichtsensor oder ein Spektroskop aufweist, der bzw. das konfiguriert ist, um das durch die Verbrennung des Dotierungsstoffs emittierte helle Licht zu detektieren.
System nach Anspruch 8, wobei der Dotierungsstoff Magnesium aufweist.
System nach Anspruch 2, das ferner eine Steuereinheit aufweist, die mit dem Fotodetektor kommuniziert, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist um festzustellen, ob die durch den Fotodetektor detektierte sichtbare Veränderung eine vorbestimmte Schwelle überschreitet; und wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, um eine Warnbenachrichtigung zu senden, falls die detektierte Veränderung die vorbestimmten Kriterien überschreitet.
System nach Anspruch 2, wobei der Verbrennungskanal entweder ein Übergangsstück oder eine Auskleidung aufweist und wobei der Fotodetektor entweder an einem Brennkammergehäuse oder an einer Prallhülse oder an einer Strömungshülse angebracht ist.
System nach Anspruch 4, wobei die Schutzbeschichtung eine Wärmesperrbeschichtung aufweist und wobei die Indikatorbeschichtung einen Klebstoff aufweist, wobei der Klebstoff entweder einen keramischen Klebstoff oder eine keramische Spachtel oder ein Epoxidsilikon aufweist.
System nach Anspruch 5, wobei die Indikatorbeschichtung einen Klebstoff aufweist; wobei der Klebstoff der Indikatorbeschichtung konfiguriert ist, um sich an die kalte Seite des Verbrennungskanals zu binden, bis die Schwellentemperatur erreicht ist; und wobei der Klebstoff der Indikatorbeschichtung konfiguriert ist um abzubauen, wenn die Schwellentemperatur erreicht ist.
Verfahren zum Detektieren von Fehlern in einem Verbrennungskanal eines Verbrennungssystems einer Verbrennungsturbine, während die Verbrennungsturbine arbeitet, wobei der Verbrennungskanal eine heiße Seite, die Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, und entgegengesetzt zu der heißen Seite eine kalte Seite aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Beschichten der kalten Seite eines Verbrennungskanals mit einer Indikatorbeschichtung; Positionieren eines Fotodetektors in der Nähe der kalten Seite des Verbrennungskanals, wobei der Fotodetektor ein Sichtfeld aufweist, das die Indikatorbeschichtung enthält; und Verwenden des Fotodetektors, um eine sichtbare Veränderung an der Indikatorbeschichtung zu detektieren, während die Verbrennungsturbine arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner den Schritt des Beschichtens der heißen Seite des Verbrennungskanals mit einer Schutzbeschichtung aufweist; wobei die sichtbare Veränderung an der Indikatorbeschichtung davon herrührt, dass die kalte Seite eine Schwellentemperatur erreicht, wobei die Schwellentemperatur einem Fehler einer vorbestimmten Größe in der Schutzbeschichtung entspricht; und wobei der Fehler eine Absplitterung der Schutzbeschichtung von der heißen Seite aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Indikatorbeschichtung konfiguriert ist, um, wenn ein Bereich an der kalten Seite wenigstens eine Schwellentemperatur während des Betriebs erreicht, die sichtbare Veränderung aufzuweisen; und wobei der Fotodetektor konfiguriert ist, um die sichtbare Veränderung der Indikatorbeschichtung zu detektieren.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die sichtbare Veränderung eine Ablösung der Indikatorbeschichtung von der kalten Seite aufweist; wobei die Indikatorbeschichtung eine erste Farbe aufweist; wobei die kalte Seite des Verbrennungskanals eine zweite Farbe aufweist; und wobei der Fotodetektor konfiguriert ist, um einen Unterschied zwischen der ersten Farbe und der zweiten Farbe zu detektieren.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die sichtbare Veränderung eine Farbveränderung aufweist und wobei der Fotodetektor konfiguriert ist, um Farbveränderungen zu detektieren.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die sichtbare Veränderung die Verbrennung der Indikatorbeschichtung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Indikatorbeschichtung einen Dotierungsstoff aufweist, der bei Verbrennung helles Licht emittiert; und wobei der Fotodetektor entweder einen Fotodiodenlichtsensor oder ein Spektroskop aufweist, der bzw. das konfiguriert ist, um das durch die Verbrennung des Dotierungsstoffs emittierte helle Licht zu detektieren.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner den Schritt des Feststellens, ob die durch den Fotodetektor detektierte sichtbare Veränderung eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Verbrennungskanal entweder ein Übergangsstück oder eine Auskleidung aufweist; wobei der Fotodetektor entweder an einem Brennkammergehäuse oder an einer Prallhülse oder an einer Strömungshülse angebracht wird; wobei die Schutzbeschichtung eine Wärmesperrbeschichtung aufweist; und wobei die Indikatorbeschichtung einen Klebstoff aufweist, wobei der Klebstoff entweder einen keramischen Klebstoff oder eine keramische Spachtel oder ein Epoxidsilikon aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Indikatorbeschichtung einen Klebstoff aufweist; wobei der Klebstoff der Indikatorbeschichtung konfiguriert ist, um sich an die kalte Seite des Verbrennungskanals zu binden, bis die Schwellentemperatur erreicht ist; und wobei der Klebstoff der Indikatorbeschichtung konfiguriert ist um abzubauen, wenn die Schwellentemperatur erreicht ist.