蒸汽涡轮级测量系统和其方法与流程

本公开大体涉及蒸汽涡轮且更具体而言涉及用于估计轴向膨胀的蒸汽涡轮仪器和方法。

背景技术：

蒸汽涡轮的外壳体大体称为外壳。在外壳内典型地为内壳，其支承固定导叶排和转子，转子支承旋转叶片排，其中形成在内壳和转子之间的空间为膨胀流路径。由于转子、内壳和外壳暴露于不同的温度且进一步可由具有不同的热膨胀系数的不同材料构成，所以这些构件的膨胀速率可不同。因此，典型的是容忍叶片排和导叶排之间的较大轴向间隙，以便应对此不同的热膨胀，这在蒸汽涡轮暴露于不同负载或将运行状态从待机模式改变成运行模式时最突出。

但是，叶片排和导叶排之间的大于所需的轴向间隙可导致降低涡轮的效率。但是，与其中在构件之间进行接触的相反情况相比，这是优选的。较大轴向间隙导致的问题可部分地通过测量解决。例如，美国专利no.4876505a论述使用美国专利no.4,644,270中论述的接近传感器测量多个涡轮叶片排护罩节段之间的间隙。如果出现临界间隙状况，此允许操作员采取措施。除了论述的测量器件，在燃气涡轮中使用的其它已知叶片排末梢间隙测量方法可适于用于蒸汽涡轮中。这种测量方法包括光纤激光多普勒距离传感器(如thorstenpfister等人在2008年7月7日到10日在葡萄牙的里斯本召开的14届的激光技术对流体机械性的应用的讨论会上的"fiberopticlaserdopplerdistancesensorforin-situtipclearanceandvibrationmonitoringofturbomachines"中论述)，以及其它传感器，诸如电容性探头、电感性探头、基于三角测量的光学测量系统、光学一致性断层x光摄影和飞行时间测量。虽然这些解决方案可提供期望的手段来警告操作员潜在地不合需要的状况的接近，但是可典型地导致负载的改变的修正性动作典型地需要蒸汽涡轮远离期望运行点而运行。

ep2821593提供了另一个解决方案。此解决方案包括用于借助于适当的安装件对准蒸汽涡轮的内壳的方法和组件。在蒸汽涡轮的运行期间，测量内壳和转子之间的轴向间隙，并且然后调节转子和内壳之间的轴向间隙。

技术实现要素：

提供了一种系统和方法用于估计蒸汽涡轮的级中的轴向位移，这使得能够进行在许可的公差被超过的情况下可提供警报的连续实时测量，或使得能够进行运行优化。

其试图借助于独立权利要求的主题解决此问题。在从属权利要求中给出有利实施例。

本公开基于提供手段来动态地估计蒸汽涡轮级的活动叶片排和固定导叶排之间的轴向间隙的一般思想。此通过对至少三个膨胀传感器的输出应用数字方法来实现，膨胀传感器测量蒸汽涡轮的构件的绝对或相对轴向膨胀中的一个或两者，以便估计活动叶片排和固定导叶排之间的轴向膨胀差。基于在第一组状况下涡轮级的轴向间隙，估计的轴向膨胀差可用来进一步估计涡轮级的标称固定导叶排和旋转叶片排之间的实际轴向位移。

一方面提供蒸汽涡轮测量系统，其包括蒸汽涡轮，蒸汽涡轮具有带有第一端和第二端的外壳、围绕外壳的内壳、在轴向方向上将内壳固定到外壳的支承臂、固定到内壳的导叶排、通过外壳从第一端延伸到第二端且延伸通过内壳以便在转子和内壳之间形成流通道的转子，以及叶片排，叶片排承载在转子上且延伸到流通道中，其中导叶排和叶片排形成级。蒸汽涡轮进一步包括轴向位移测量系统，其包括外壳绝对轴向膨胀传感器、内壳-外壳轴向膨胀差传感器、转子-外壳轴向膨胀差传感器和计算机。计算机构造成接收来自外壳绝对轴向膨胀传感器、内壳-外壳轴向膨胀差传感器和转子-外壳轴向膨胀差传感器的测量信号，并且基于这些传感器来计算导叶排和叶片排之间的绝对或相对轴向位移中的一个或两者。

在此背景下，计算机不限于复杂的计算装置，而是包括任何已知的电子计算器件，包括数字控制系统或计算机的模块，其中计算机可构造成通过来自传感器的硬件输入、无线数据传输或使得能够手动将传感器数据传递到计算机中的输入装置接收传感器信号。

另一方面提供一种方法，用于计算在蒸汽涡轮中，在形成蒸汽涡轮的级的固定导叶排和旋转叶片排之间的轴向位移。方法包括以下步骤：

a)提供蒸汽涡轮，其具有：具有第一端和第二端的外壳、围绕外壳的内壳、在轴向方向上将内壳固定到外壳上的支承臂、固定到内壳的导叶排、通过外壳从第一端延伸到第二端且延伸通过内壳以便在转子和内壳之间形成流通道的转子，以及承载在转子上且延伸到流通道中的叶片排，其中导叶排和叶片排形成级，

b)通过下者计算导叶排处的轴向膨胀：使用估计的外壳轴向膨胀测量值计算级处的外壳轴向膨胀；使用计算的外壳轴向膨胀和估计的内壳-外壳轴向膨胀差计算内壳在支承臂和内壳在支承臂和第二端之间的点之间的轴向膨胀；以及使用内壳的计算的轴向膨胀来根据内壳的计算的轴向膨胀而计算导叶排处的轴向膨胀。

c)通过下者计算叶片排处的轴向膨胀：根据估计的外壳轴向膨胀和转子的估计的轴向膨胀来计算转子的轴向膨胀，并且然后使用转子的计算的轴向膨胀计算叶片排处的轴向膨胀。

在一方面，蒸汽涡轮进一步包括导叶支架，其固定到内壳，其中导叶排通过导叶支架固定到内壳。

在一方面，在步骤a)、b)和c)之后，根据步骤b)的导叶排处的轴向膨胀和步骤c)的叶片排处的轴向膨胀之间的差，计算级的相对轴向位移。

在进一步方面，除了步骤a)、b)和c)，方法包括建立导叶排的零轴向膨胀的零数据点和叶片排的零轴向膨胀的零数据点。这些数据点然后用来通过将数据点之间的差减去级排的计算的相对轴向位移计算级的绝对轴向间隙。

进一步方面包括以下特征中的一个或多个：使用内壳的计算的轴向膨胀来根据内壳的计算的轴向膨胀计算导叶排处的轴向膨胀包括将内壳的计算的轴向膨胀乘以为蒸汽涡轮负载的函数的因子；使用绝对外壳绝对轴向膨胀传感器估计外壳轴向膨胀；在第一端处估计外壳轴向膨胀测量值；使用内壳-外壳轴向膨胀差传感器估计内壳-外壳轴向膨胀差；使用内壳-外壳轴向膨胀差传感器估计轴向膨胀转子；内壳在支承臂和第二端之间的点沿径向邻近级；并且转子的计算的轴向膨胀为转子在第一端和第二端之间的绝对轴向膨胀。

技术方案1.一种蒸汽涡轮级测量系统，包括：

蒸汽涡轮，其具有：

具有第一端和第二端的外壳(12)；

围绕所述外壳(12)的内壳(14)；

支承臂(13)，其在轴向方向上将所述内壳(14)固定到所述外壳(12)上；

导叶排(18)，其固定到所述内壳(14)上；

转子(20)，其通过所述外壳(12)从所述第一端延伸到所述第二端且延伸通过所述内壳(14)，以便在所述转子(20)和所述内壳(14)之间形成流通道；

叶片排(21)，其承载在所述转子(20)上且延伸到所述流通道中，其中所述导叶排(18)和所述叶片排(21)形成级，以及

轴向位移测量系统，其包括：

外壳绝对轴向膨胀传感器(22)；

内壳-外壳轴向膨胀差传感器(24)；

转子-外壳轴向膨胀差传感器(28)；以及

计算机，其构造成接收来自所述外壳绝对轴向膨胀传感器(22)、所述内壳-外壳轴向膨胀差传感器(24)和所述转子-外壳轴向膨胀差传感器(28)的测量信号且计算所述导叶排(18)和所述叶片排(21)之间的绝对或相对轴向位移中的一个或两者。

技术方案2.根据技术方案1所述的蒸汽涡轮系统，其特征在于，进一步包括导叶支架(16)，其固定到所述内壳(14)的内表面上，其中所述导叶排(18)借助于所述导叶支架(16)固定到内壳上。

技术方案3.一种用于计算在蒸汽涡轮(10)中，在固定导叶排(18)和旋转叶片排(21)之间的轴向位移的方法，所述固定导叶排(18)和旋转叶片排(21)形成所述蒸汽涡轮(10)的级，所述方法包括以下步骤：

a)提供蒸汽涡轮(10)，其具有：

具有第一端和第二端的外壳(12)；

围绕所述外壳(12)的内壳(14)；

支承臂(13)，其在轴向方向上将所述内壳(14)固定到所述外壳(12)上；

导叶排(18)，其固定到所述内壳(14)上；

转子(20)，其通过所述外壳(12)从所述第一端延伸到所述第二端且延伸通过所述内壳(14)，以便在所述转子(20)和所述内壳(14)之间形成流通道；和

叶片排(21)，其承载在所述转子(20)上且延伸到所述流通道中，其中所述导叶排(18)和所述叶片排(21)形成级，

b)通过下者来计算所述导叶排(18)处的轴向膨胀：

使用估计的外壳轴向膨胀测量值来计算所述级处的外壳轴向膨胀；

使用计算的外壳轴向膨胀和估计的内壳-外壳轴向膨胀差，来计算所述内壳(14)在所述支承臂(13)和所述内壳(14)在所述支承臂(13)和所述第二端之间的点之间的轴向膨胀；以及

使用所述内壳的计算的轴向膨胀，以根据所述内壳(14)的计算的轴向膨胀来计算所述导叶排(18)处的轴向膨胀，

c)通过下者来计算所述叶片排(21)处的轴向膨胀：

根据估计的外壳轴向膨胀和所述转子的估计的轴向膨胀，来计算所述转子(20)的轴向膨胀；且然后

通过将一因子应用于所述转子(20)的计算的轴向膨胀，来计算所述叶片排(21)处的轴向膨胀，

d)在步骤a)、b)和c)之后，根据步骤b)的所述导叶排(18)处的轴向膨胀和步骤c)的所述叶片排(21)处的轴向膨胀之间的差，来计算所述级的相对轴向位移。

技术方案4.根据技术方案2所述的方法，其特征在于，进一步包括：

建立所述导叶排的轴向膨胀的数据点和所述叶片排的轴向膨胀的数据点；以及以下额外步骤

e)通过将所述导叶排的数据点和所述叶片排的数据点之间的差减去步骤d)的级的相对轴向膨胀，来计算所述级的绝对轴向间隙。

技术方案5.根据技术方案3或4所述的方法，其特征在于：

步骤a)进一步包括提供导叶支架(16)，其中所述导叶排(18)通过所述导叶支架(16)固定到所述内壳(14)上。

技术方案6.根据技术方案5所述的方法，其特征在于，在步骤b)中使用所述内壳的计算的轴向膨胀，以根据所述内壳(14)的计算的轴向膨胀来计算所述导叶排(18)处的轴向膨胀包括将所述内壳的计算的轴向膨胀乘以为蒸汽涡轮负载的函数的因子(fbc1(x))。

技术方案7.根据技术方案3到6中的任一项所述的方法，其特征在于，所述外壳的轴向膨胀的估计使用了外壳绝对轴向膨胀传感器(22)。

技术方案8.根据技术方案3到7中的任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)和步骤c)中，在所述第一端处估计所述外壳的轴向膨胀测量值。

技术方案9.根据技术方案3到8中的任一项所述的方法，其特征在于，所述内壳-外壳轴向膨胀差的估计使用了内壳-外壳轴向膨胀差传感器(24)。

技术方案10.根据技术方案3到9中的任一项所述的方法，其特征在于，所述转子(20)的轴向膨胀的估计使用了内壳-外壳轴向膨胀差传感器(28)。

技术方案11.根据技术方案3到10中的任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，所述内壳在所述支承臂(13)和所述第二端之间的所述点沿径向邻近所述级。

技术方案12.根据技术方案3到10中的任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，所述转子(20)的计算的轴向膨胀为所述转子(20)在所述第一端和所述第二端之间的绝对轴向膨胀。

本发明的进一步目的是克服或至少改善现有技术的缺点和缺陷或提供有用的备选方案。

根据结合附图得到的以下描述，本公开的其它方面和优点将变得显而易见，附图以示例的方式示出本发明的示例性实施例。

附图说明

作为示例，本公开的实施例在下面参照附图来更完整地描述，其中：

图1为应用本公开的示例性实施例的蒸汽涡轮的示意图；以及

图2为应用本公开的示例性实施例的具有导叶支架的蒸汽涡轮的示意图。

参考标号列表

10蒸汽涡轮

12外壳

13支承臂

14内壳

16导叶支架

18导叶排

20转子

21叶片排

22外壳绝对轴向膨胀传感器(oc-abs)

24内壳-外壳轴向膨胀差传感器(in/oc-de)

28转子-外壳轴向膨胀差传感器(r/oc-de)。

具体实施方式

现在参照附图来描述本公开的示例性实施例，其中相同参考标号用来表示所有图中的相同元件。在以下描述中，为了解释，阐述了多个特定细节，以便提供本公开的完整理解。但是，本公开可在没有这些特定细节的情况下实践，并且不限于本文公开的示例性实施例。

在此说明书中，参照了绝对膨胀测量值、膨胀差测量值和相对膨胀测量值。绝对轴向膨胀测量值看作位置不受到温度影响或受到的影响可忽略不计的点和直接受到温度影响的第二点的位置之间的位置差测量值，轴向膨胀差测量值看作表示位置都受到温度的影响的两个点之间的位置的变化的测量值，而相对膨胀测量值看作表示位置直接受到温度的影响的点和位置可能会或可能不会直接受到温度的影响的点之间的测量值。

在图1中显示的示例性实施例中，蒸汽涡轮包括外壳12、被外壳12包围且通过支承臂13在轴向方向上固定到外壳12的内壳14、由内壳14承载的导叶排18、延伸通过外壳12和内壳14以便在转子20和内壳14之间形成流通道的转子20，以及由转子20承载在流通道中的活动叶片排21。在这种蒸汽涡轮10中，涡轮级限定为上游导叶排18与下游叶片排21的组合。

图1中显示的示例性实施例包括最少三个膨胀传感器，包括外壳绝对轴向膨胀传感器((oc-abs)22，内壳-外壳轴向膨胀差传感器(in/oc-de1)24，和转子-外壳轴向膨胀差传感器(r/oc-de)28。

外壳绝对轴向膨胀传感器22位于外壳12的第一轴向端处，且构造成测量外壳12的绝对轴向膨胀。

内壳-外壳轴向膨胀差传感器24定位成沿径向邻近要测量的涡轮级。因为内壳14通过支承臂13(其沿轴向将内壳14固定到外壳12上)固定到外壳12上，内壳-外壳轴向膨胀差传感器24测量的轴向位移为内壳在测量点和支承臂13之间的位移。虽然可估计邻近级相对于此传感器的轴向位移，但是级在轴向方向上相对于就位的内壳-外壳轴向膨胀差传感器24偏移得越远，估计的精度就越低。尽管如此，内壳-外壳轴向膨胀差传感器的周向部署对位移计算的精度具有可忽略不计的影响。

转子-外壳轴向膨胀差传感器28位于外壳12的远离第一轴向端的第二轴向端处，并且进一步构造成测量轴向方向上的轴向膨胀差。

各个膨胀传感器可为能够在蒸汽涡轮10中和附近典型地出现的状况下测量大于0.1mm的膨胀的任何已知类型。这种膨胀传感器包括(但是不限于)基于电感技术的传感器。

在示例性实施例中，使用外壳绝对轴向膨胀传感器22、定位成沿径向邻近蒸汽涡轮10的级5的内壳-外壳轴向膨胀差传感器24和转子-外壳轴向膨胀差传感器28来计算蒸汽涡轮级的级5的固定导叶排18和旋转叶片排21的轴向位移。在此示例性实施例中，假设膨胀从外壳绝对轴向膨胀传感器22所处的第一轴向端到外壳轴向膨胀差传感器28所处的第二轴向端的方向进行。后面是示例性方法。

在第一步骤，必须估计内壳14在级5的位置附近的膨胀，并且因而形成级5的一部分的导叶排18的轴向膨胀。首先，在此时使用公式1)来计算绝对外壳膨胀(oc-abs)，其中k1为外壳绝对轴向膨胀传感器22和蒸汽涡轮10的级5之间的轴向长度除以外壳绝对轴向膨胀传感器22和外壳轴向膨胀差传感器28之间的轴向长度得到的比率。由于例如压力扭曲或非线性热膨胀，k1进一步针对壳扭曲修正。

oc-absstag5＝k1×oc-abs(22)-1)

下一步骤是将外壳的轴向膨胀加上内壳14在支承臂13和内壳-外壳轴向膨胀差传感器24之间相对于外壳12的轴向膨胀。照这样，内壳在级5附近的绝对轴向膨胀(ic-absstag5)可如公式2)中显示的那样估计。

ic-absstag5＝oc-absstag5＋in/oc-destag5(24)-2)

根据公式2)的结果，然后可通过将内壳的绝对轴向膨胀(ic-absstag5)乘以考虑外壳轴向膨胀差传感器24的轴向位移的因子(k2)，来估计级5的导叶排的轴向位移(vcstg5-abs)。

vcstag5-abs＝k2×ic-absstag5-3a)

作为第二步骤或另一个步骤，估计旋转叶片排的轴向位移。

首先，使用外壳绝对轴向膨胀传感器22和外壳轴向膨胀差传感器28来估计转子在外壳的轴向末端之间的绝对轴向位移(r-abs)，如公式5)中显示的那样。

r-abs＝oc-abs(22)＋r/oc-de(28)-4)

接下来，在公式5)中通过将因子k3应用于转子的绝对轴向位移(r-abs)来估计转子在级5处的绝对位移(r5-abs)。因子k3为外壳绝对轴向膨胀传感器22和蒸汽涡轮10的旋转叶片排级5之间的轴向长度除以外壳绝对轴向膨胀传感器22和外壳轴向膨胀差传感器28之间的轴向长度得到的比率。因为转子20在运行中的温度分布不均匀且进一步转子可由具有不同的热膨胀系数的不止一种材料构成，所以可通过针对预测或测量的运行状况而调节的经验手段，将因子k3调节离开在一组状况下得到的纯几何比率。

r5-abs＝k3×r-abs-5)

在示例性实施例中，然后通过将公式5)中获得旋转叶片排轴向膨胀减去从公式3)获得的固定导叶排轴向膨胀来计算相对轴向位移。

de5＝r5-abs－vcstag5-abs-6)

在进一步示例性实施例中，通过首先限定活动叶片排轴向位移的数据值(r-5absdat)和固定导叶排轴向位移的数据值(vcstag5-absdat)来计算绝对轴向间隙。作为实例，可在蒸汽涡轮未加载但是预热到运行温度时估计数据值。然后可使用公式7)来估计绝对轴向位移，其中数据值结合到公式6)中。

de-5＝(r5-absdat－vcstag5-absdat)－(r5-abs－vcstag5-abs)-7)

在图2中显示的示例性实施例中，导叶排18借助于导叶支架16而由内壳14支承。为了估计级位移，必须考虑导叶支架16的热膨胀，这通过修改的公式3b)进行，其使用公式2)的结果，其中通过将内壳的绝对轴向膨胀(ic-absstag5)乘以因子(fbc1(x))来估计级5的导叶排的轴向位移(vcstg5-abs)。

vcstag5-abs＝fbc1(x)×ic-absstag5-3b)

因为导叶支架16沿着导叶支架16的轴向长度暴露于不同的热负载，所以发现基于导叶支架16的长度的线性函数未提供可靠的结果。因此，在示例性实施例中，因子(fbc1(x))在经验上基于负载。取决于机械构造和运行状况的经验数据可通过实验获得或借助于已知模拟技术获得。

导叶排轴向位移(vcstag5-abs)然后可用于公式6)和7)中，以估计级的相对轴向位移和级的绝对轴向间隙。

虽然在所设想的最实际的示例性实施例的方面来显示和描述本公开，但是将理解，本公开可以其它细节实现。例如，示例性方法可应用于使用的额外导叶支架16以及额外传感器，例如测量在不同的周向位置处的膨胀的传感器。因而，用于测量导叶排18和叶片排21的轴向运动的内壳-外壳传感器可为不同的传感器或为多个传感器的组合。当前公开的实施例因此在所有方面看作说明性的而非限制性的。本公开的范围由所附权利要求指示，使得前述描述和落在其含义和范围和等效方案内的所有变化意图包含在其中。