监测旋转涡轮机中的旋转部分和静止部分之间的摩擦的方法、监测装置和涡轮机

摘要

用于监测旋转涡轮机中的旋转部分和静止部分之间的摩擦的装置包括：用于测量在涡轮机的至少一个点处的机械振荡的至少一个机械振荡检测器(11,12,13)，用于测量在涡轮机的流路的至少一个区段中经过的碎片的至少一个微粒检测器(21)，以及电子监测单元(50)，其电气地或电磁地连接至振荡检测器和微粒检测器(21)，且配置成采集和处理由振荡检测器和微粒检测器产生的信号；电子监测单元(50)主要使用振荡测量以用于估计摩擦的存在，且主要使用碎片测量以用于估计摩擦的严重性。

说明书

技术领域

本文公开的主题的实施例涉及监测旋转涡轮机中的旋转部分和静止部分之间的摩擦的方法、监测装置和涡轮机。

背景技术

大体上，旋转涡轮机中的摩擦是问题，有时是严重的问题。

因此，在过去，已经构思解决方案以用于通过声传感器检测摩擦；例如，这种解决方案在4377947和4478082号美国专利中描述。

无论如何，通过声发射的测量，难以理解摩擦是否在损害机器，这事实上是非常重要的问题。

概要

因此，存在对监测摩擦的改进方法的需要。

本发明人已经想到将机械振荡测量与碎片测量结合。碎片可由于各种原因，但如果在检测到摩擦之后测量到碎片，则非常可能的是碎片由摩擦导致，且因此，在此情况下，摩擦可认为是严重和危险的。

进一步，本发明人已经想到摩擦和其严重性取决于涡轮机的操作模式，例如“起动”、“关闭”、“不稳定的”、“装载”、“入口放气加热”、“清洗”……。因此，也基于机器的操作模式的摩擦存在估计和/或摩擦严重性估计可为有利地。

本发明的第一方面是监测摩擦的方法。

监测旋转涡轮机中的旋转部分和静止部分之间的摩擦的方法包括：

A)测量在涡轮机的至少一个点处的机械振荡，和

B)测量在涡轮机的流路的至少一个区段中经过的碎片；

其中使用振荡测量以用于估计摩擦的存在；且

其中使用碎片测量以用于估计摩擦的严重性。

本发明的第二方面是用于监测摩擦的装置。

用于监测旋转涡轮机中的旋转部分和静止部分之间的摩擦的装置包括：

-至少一个机械振荡检测器，

-至少一个微粒检测器，以及

-电子监测单元，其电气地或电磁地连接至所述至少一个振荡检测器和所述至少一个微粒检测器，且配置成采集和处理由所述至少一个振荡检测器和所述至少一个微粒检测器产生的信号。

本发明的第三方面是涡轮机。

涡轮机包括如上文所述用于在旋转时监测涡轮机中的旋转部分和静止部分之间的摩擦的装置。

附图的简要描述

并入本文中且构成说明书的一部分的附图说明本发明的示例性实施例且与详细描述一起解释这些实施例。在附图中：

图1示出了燃气涡轮发动机的实施例的简化视图(上半部以截面示出)，

图2示出了图1的燃气涡轮发动机的钟形嘴部的纵截面视图，

图3示出了图1的燃气涡轮发动机的入口区域的纵截面视图，且

图4示出了对应于由图1的电子监测单元执行的活动的示例性和简化的流程图。

详细详述

示例性实施例的以下描述参照了附图。

以下描述不限制本发明，具体而言，不限于燃气涡轮发动机和其高流在线清洗(虽然这些是其典型应用)。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。

贯穿说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在公开的主题的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿说明书在各个地方的出现不一定指相同的实施例。此外，特定的特征、结构或特点可以任何适合的方式结合在一个或多个实施例中。

参照图1，其中示出了燃气涡轮发动机，大体以参照标号100标明。箭头1代表进入发动机100的钟形嘴部的空气流。燃气涡轮发动机的基本元件是压缩机3、燃烧器4和涡轮5。发动机100包括驱动压缩机3的叶片的轴2。压缩空气由燃烧器4加热，且得到的热气体膨胀从而驱动涡轮5的叶片，因此使轴2旋转。包括在燃气涡轮发动机100中的也有起动马达(未示出)，其用于在起动时和在离线清洗过程期间操作燃气涡轮发动机的目的。

燃气涡轮发动机吸引大量的空气，其包含可污染压缩机叶片和导叶的微粒。在进入燃气涡轮发动机之前，空气必须过滤以便移除可助于形成污垢的空气微粒的最大部分。FOD筛位于燃气涡轮发动机的入口处的气室腔8中，以便阻止可主要损害压缩机3的叶片和导叶的那些微粒。

尽管使用了过滤器，但是难以完全避免微粒在压缩机的叶片和导叶上的沉积和聚积，因此有必要凭借周期性的清洗操作以便恢复初始水平的效率。

清洗操作通过在燃气涡轮发动机的内部喷射雾化的清洗流体(通常是水)的一系列喷嘴完成。

图2和图3示出了已知的清洗系统的细节。

在图2中，喷嘴7安装在燃气涡轮发动机的钟形嘴部6中，具体而言，在由参考标号确定的区域中。

图3示出了燃气涡轮发动机的入口部分，在那里空气沿径向(来自上部开口)进入且喷嘴7安装在内部径向蜗壳上(径向地与钟形嘴部6相对)。喷嘴以这种方式定位使得清洗流体可进入且穿透压缩机，穿过其朝向机器的出口移动且清洗污垢，这是由于在清洗操作期间1)转子在离线清洗的情况下由起动发动机驱动在低速度旋转2)或其在在线清洗的情况下以满负载旋转的事实。

图1示意性地示出了位于压缩机3的入口处的第一机械振荡检测器11、位于压缩机3的出口处的第二机械振荡检测器12、位于涡轮机5的入口处的第三机械振荡检测器13和位于涡轮机5的出口或排气处(即，在发动机100的出口处)的微粒检测器21，其测量在出口中经过的微粒。

电子监测单元50电气地或电磁地连接至振荡检测器11、12、13和微粒检测器21且配置成采集和处理由这些检测器产生的信号。在图1中，连接是有线的；无论如何，备选地，它们中的一个或多个或全部可为无线连接或有线连接和无线连接的组合。

燃气涡轮发动机100具有多种操作模式，例如：“起动”、“关闭”、“不稳定的”、“装载”、“入口放气加热”、“清洗”(其可分为“离线清洗”和“在线清洗”)。

为了监测涡轮机(例如图1的燃气涡轮发动机100)中的旋转部分和静止部分之间的摩擦，当其旋转时，基本上执行以下两个步骤：

A)测量在涡轮机的至少一个点处的机械振荡，和

B)测量在涡轮机的流路的至少一个区段中经过的碎片。

振荡测量由单元50使用(主要地)以用于估计摩擦的存在，且碎片测量由单元50使用(主要地)以用于估计摩擦的严重性；在单位时间中(例如每秒或每分钟)检测到微粒的量认为与发生摩擦的程度相关。值得注意的是，摩擦存在可使用振荡测量和碎片测量两者来估计；换句话说，碎片测量也可由单元50使用以用于估计摩擦的存在。

步骤A可考虑在第一范围的频率(通常在0Hz和100kHz之间)中的振荡，其经常称作“振动”，和/或在第二范围的频率(通常在100kHz和2MHz之间)中的振荡，其经常称作“声发射”。适合于检测在第一范围中的振荡的器件经常称作“加速度传感器”；适合于检测在第二范围中的振荡的器件经常称作“声传感器”或“声发射传感器”；

步骤B例如通过“电容性传感器”执行。

如在图1的实施例中，有利地，可在涡轮机的一组点处测量机械振荡。

使多个振荡测量在同样的时间且在不同点处执行也可允许估计摩擦的位置；这需要通过单元50的合适处理。

如在图1的实施例中，检测微粒的有利位置是在涡轮机的出口处；以此方式，可能测量到在涡轮机的操作期间产生的任何可能的碎片。

可能测量在涡轮机的流路的一组区段(例如两个或三个)中经过的碎片。例如，在图1的实施例中，第一微粒检测器可位于压缩机3的入口处且可检测进入涡轮机的微粒，第二微粒检测器可位于压缩机3的出口处且可检测由于压缩机内的摩擦的微粒，第三微粒检测器可位于涡轮5的出口或排气处(第三微粒检测器对应于检测器21)且可检测由于涡轮机内的摩擦的微粒。

如已经解释的那样，有利的是，如果摩擦存在估计为确定的，则执行摩擦严重性估计；这应避免错误地考虑由于其它原因的微粒。

为了达到摩擦的可靠和有意义的监测，优选的是，预先考虑涡轮机的操作模式，且摩擦存在估计和/或摩擦严重性估计也基于操作模式。事实上，在一些操作模式中，摩擦更加可能且在某些程度上预计到；在其它操作模式中，摩擦完全不应当发生。例如，摩擦存在估计和/或摩擦严重性估计也可基于一个或多个测量的物理量和与当前操作模式相关的一个或多个基线的比较；基线应当基于涡轮机上的测试和/或涡轮机的仿真确定。

涡轮机(具体而言，像图1那样的燃气涡轮发动机)的操作模式中更加可能导致摩擦的一种是在线清洗操作模式，具体而言，当其以高质量流的洗涤物质(经常为液体物质，通常为水)执行时。

根据本发明的特别有利的应用，当喷射洗涤液体物质时，在燃气涡轮发动机中监测摩擦，使得压缩机的入口处的液-气比关于压缩机的额定质量流高于1%且低于5%(即，“高流”)；为了达到此结果，洗涤液体物质可在高于0.2MPa且低于2.0MPa的压力下喷射。

摩擦监测可例如仅在清洗期间或例如仅在在线清洗期间或例如仅在高流在线清洗期间执行。

根据本发明的用于监测摩擦的装置包括一个或多个机械振荡检测器、一个或多个微粒检测器和电子监测单元。

电子监测单元可为例如PC或PC和一个或多个数据采集板的组合；PC可邻近涡轮机或可为远程的。

这种摩擦监测装置可集成在涡轮机中。

这种摩擦监测装置可为处理各种监测的监测设备的一部分；例如可使用振动传感器以用于监测由于不同于摩擦的原因的振动。

图4示出了对应于由图1的电子监测单元50执行的活动的示例性和简化的流程图。

图4A涉及数据采集和存储且图4B涉及数据使用和处理。这两组活动通常由单元50并行地执行；例如，数据采集和存储活动可由一个或多个数据采集板执行且数据使用和处理活动可由PC执行。

在图4A的流程图中，示出了以下步骤：

-步骤401：数据采集和存储的开始

-步骤402：存储基线数据——这通常在假定没有摩擦的条件下对于涡轮机的各个操作模式执行，

-步骤403：采集当前操作模式数据，

-步骤404：存储当前操作模式数据，

-步骤405：采集当前振荡数据，

-步骤406：存储当前振荡数据，

-步骤407：采集当前经过微粒数据，

-步骤408：存储当前经过微粒数据，

-步骤409：检查停止监测命令，如果是则进行步骤410，如果否则进行步骤403，

-步骤410：数据采集和存储的停止。

在图4B的流程图中，示出了以下步骤：

-步骤451：数据使用和处理的开始

-步骤452：分析当前振荡数据且与当前操作模式的相应的一个或多个基线比较，

-步骤453：检查比较结果，如果数据接近基线，则估计是“无摩擦”且进行步骤458，否则进行步骤454，

-步骤454：分析当前经过微粒数据且与当前操作模式的相应的一个或多个基线比较，

-步骤455：检查比较结果，如果数据接近基线，则估计是“低摩擦”/“轻度摩擦”且进行步骤458，否则进行步骤456，

-步骤456：处理当前经过微粒和相应的基线，且估计是否存在“中等摩擦”或“严重摩擦”/“重度摩擦”，估计可(通过声音和/或视频)发信号至本地或远程的操作者，在“严重摩擦”的情况下可自动地采取安全措施，

-步骤457：处理当前振荡数据和可能的当前经过微粒数据且定位涡轮机内的摩擦，定位可显示给本地或远程的操作者，

-步骤458：检查停止监测命令，如果是则进行步骤459，如果否则进行步骤452，

-步骤459：数据使用和处理的停止。