涡轮机和用于检测摩擦的方法技术领域
本发明涉及涡轮机，特别是燃气涡轮机，包括转子，通过间隙从
转子分隔开的壳体，以及用于监测结构噪声的系统。其进一步涉及用
于检测涡轮机中的摩擦的方法，特别是包括转子、通过间隙从转子隔
离的壳体的燃气涡轮机，以及用于监测结构噪声的系统。
背景技术
涡轮机是一种流体机械，其将流体(液体或者气体)的内部能量
(焓)转换为转动能并最终转换为机械传动能量。内部能量的一部分
是通过涡轮机叶片周围的流从液体流抽取的，其可能是自由漩涡和层
流，所述能量被传输到涡轮机的转子叶片。然后涡轮机杆通过后者旋
转；可用的功率输出到耦合的工作机，诸如发电机。转子叶片和杆是
涡轮机的可动转子的一部分，其设置在壳体内。
通常，多个叶片是安装在杆上的。安装在一个平面的转子叶片分
别地形成了叶片轮或者叶轮。叶片成型以便略微弯曲的，类似于一个
机翼。通常在每一个叶轮之前存在一个导向轮。这些导向翼片从壳体
投射到流动介质并设置后者旋转。在导向轮(动能)中产生的旋转是
用在后面的叶轮中以设置其上安装有叶轮的杆旋转。
导向轮和叶轮一起称为一个级。通常，多个这种级是一个接一个
连接的。因为导向轮是静止的，导向轮的导向翼片可以固定到壳体的
内部和壳体的外部，并且因此提供了用于叶轮的杆的轴承。
在转子的导向翼片终端和壳体之间，通常存在一个间隙，例如，
用于在工作期间补偿热膨胀。为了获得较高的效率，叶片终端和壳体
之间的间隙应当是最小的，然而，由于液体通过间隙流过转子叶片，
因此，不利于能量的产生。
因为涡轮机的圆锥形状和围绕后者的壳体，以合适的设置装备通
过相对于壳体的转子的位移影响间隙的尺寸是可能的。实际上，转子
的位移通常仅仅通过固定的预定的长度发生，例如2.4或者3.0mm。
为了通过由在壳体上的转子损耗产生的振动的检测的方式动态地检
测涡轮机的摩擦，用于监测结构的系统也是已知的，并且以这种方式
通过进一步处理优化该间隙。
然而，目前已知的系统只允许摩擦的基本检测。然而，为了进一
步的间隙优化，例如包括在启动发电厂之后不久，当涡轮机还没有完
全预热时，希望能够尽可能精确地定位摩擦。
发明内容
因此，本发明的一个目的是指示涡轮机和开始时描述的类型的方
法，其允许使用尽可能最少的技术费用使转子和壳体的摩擦的定位。
关于该涡轮机，根据本发明，其中在第一和第二轴区域中设置了
壳体的一个或多个向内定向的摩擦齿和转子的一个或多个向外定向
的摩擦边缘实现了本目的，并且其中一个或多个摩擦齿和一个或多个
摩擦边缘是沿圆周分布的，以这种方式，在转子的特定旋转频率下相
应的摩擦齿和摩擦边缘的接触以与第一轴区中的与第二轴区中的频
率不同的频率发生。
关于该方法，其中通过监测结构噪声的系统实现了该目的，当超
出从转子的旋转频率获得的第一频率的限制幅度时，检测到第一轴区
中的接触，以及采用相同的转子旋转频率，当超出从转子的旋转频率
获得的不同于第一频率的第二频率时，检测到第二轴区中的接触。
本发明是基于以下想法的，特别是在技术上实现摩擦的定位，如
果仅仅通过用于监测结构噪声的系统是可能的，而不需要额外的传感
器。针对这个目的，在不同位置的摩擦事件将通过使用由此产生的结
构振动区分，使得特定的结构噪声信号可以被分配到特定的位置。这
里，容易区分的参数是信号的频率。这取决于电流旋转频率，但是可
以通过位于转子上的合适的摩擦边缘和位于壳体上的合适的摩擦齿
修改。根据边缘和齿的结构，因此产生了摩擦事件中的特征信号。因
为边缘和齿被设置为使得它们在不同的轴区产生不同的频率，可以在
轴向方向定位摩擦。
在涡轮机的有利改进中，在第一和第二区域，不同数量的摩擦边
缘沿转子的圆周均匀设置。这是因为，关于这个方法，均匀分布的大
量摩擦边缘优选地以旋转频率的整数倍的频率产生结构振动。例如，
如果三个摩擦边缘位于第一轴区，并且四个摩擦边缘位于转子上的第
二轴区，在摩擦事件的相应的区域中分别产生具有旋转频率的三倍或
者四倍的频率的信号。因此，两个信号是特别容易区分的并且摩擦可
以关于轴向位置定位。
在涡轮机的进一步有利的改进中，摩擦齿是沿壳体的圆周分布
的，以这种方式，在圆周方向，在相邻的摩擦齿之间产生不同的间距。
如果齿的位置是足够紧密的，使得摩擦发生在两个齿上，产生了具有
相同频率的两个振动，相位差是与摩擦齿的间距有关的。关于本方法，
然后通过使用两个叠加信号的相位移动优选地确定在圆周方向的接
触的位置。
在特别简单的有利改进中，在圆周方向的相邻摩擦齿相互之间具
有在圆周方向线性增大的间距。因此，关于该方法，相位移动的幅度
是优选地与所述接触的角度位置线性相关的。特别地，这允许在圆周
方向的简单定位摩擦。
在涡轮机的可替代或者额外的改进中，用于监测结构噪声的系统
具有沿圆周分布的多个振动传感器。关于本方法，通过使用来自沿圆
周分布的振动传感器的信号的幅度关系，因此，可以优选地确定在圆
周方向的接触的位置。因此，从回声定位的意义上说，还可以执行接
触的定位，因为在最接近摩擦位置的振动传感器上的幅度是最大的。
在涡轮机的有利改进中，可以通过设定装置设置转子和壳体之间
的间隙，特别是通过转子和壳体相向彼此的位移，以及设定装置是连
接在用于监测结构噪声的系统的输入侧。优选地，在通过所述的用于
摩擦检测的方法最小化间隙的方法中，设置了最小的间隙(d)。这
里，转子移动直到不再存在产生任何输出信号的任何接触。这意味着
转子移动直到涡轮机转子叶片与壳体接触。该接触是通过用于监测结
构噪声的系统监测的，并且以这种方式，移动是受到限制的。一旦登
记了第一个接触指示，如果适当地跟随短反向位移，转子正好在与触
点有关的极限处固定。考虑到摩擦的精确定位，可以优化位移的方向。
涡轮机有利地具有用于执行所述方法的装置。
发电厂有利地包括所述涡轮机。
特别地，通过本发明获得的优势实际上结果是精确地定位转子和
壳体之间的接触，通过技术上特别简单的装置可能进一步使转子和壳
体之间的间隙优化的最小化。在涡轮机的工作期间，可以不采用内部
仪器且采用少数检测传感器在轴向和圆周方向的许多位置检测摩擦。
此外，现有的涡轮机可以改进具有合适的摩擦边缘和摩擦齿。
因此，涡轮机的效率最大化以及输出增加。这也提供了与环境兼
容性有关的优势，因为通过处理方法的改变，实现了燃料和排放物的
可观的节省。
附图说明
通过使用附图将更具体地说明本发明的示例性实施例，其中：
图1显示了穿过燃气涡轮机的部分纵截面。
图2示意性地显示了穿过燃气涡轮机的第一径向区域的横截面，
以及
图3示意性地显示了穿过燃气涡轮机的第二径向区域的横截面。
在所有的附图中，相同的部件设置有相同的标识。
具体实施方式
图1在部分纵截面中显示了涡轮机100，此处为燃气涡轮机。燃
气涡轮机100具有安装在内部的转子103，其也称为涡轮机转子，使
得其可以围绕旋转轴102(轴向方向)旋转。进气壳体104，压缩机
105，具有同轴设置的多个燃烧器107的环形燃烧室110，特别是环状
燃烧室106，涡轮机108以及排气壳体109沿转子103依次排列。
环状燃烧室106与环状热气通道111联通。在那里，例如，四个
涡轮机级112一个接一个连接以形成涡轮机108。每个涡轮机级112
由两个叶片的环形成。如工作介质113的流动方向所见的，由转子叶
片120形成的列125跟随导向翼片的列115的热气通道111。
导向翼片130固定到定子143，而列125的转子叶片120通过涡
轮盘133附接到转子103。因此，转子叶片120构成转子103的组成
部分。发电机或者工作机(未示出)是耦合到转子103。
在燃气涡轮机100的工作期间，空气135通过压缩机105吸入穿
过进气壳体104并被压缩。制成的可用的压缩空气在压缩机105的涡
轮机侧被引导至燃烧器107并与那里的燃料混合。混合物接着在燃烧
室110中燃烧，形成工作介质113。工作介质113从燃烧室沿着热气
通道111流过导向翼片130和转子叶片120。在转子叶片120处，工
作介质113膨胀，传输动力，使得转子叶片120驱动转子103并且转
子103驱动耦合到转子103的工作机。
暴露于热工作介质113的组件在燃气涡轮机100的工作期间经受
了热应力。从工作介质113的流动方向可以看到，第一涡轮机级112
的导向翼片130和转子叶片120，是热载荷最多的，从与环状燃烧室
106成直线的隔热耐火材料分离。为了承受普遍存在的温度，这些是
通过冷却剂冷却的。同样地，叶片和翼片120、130具有抵抗腐蚀的
涂层(MCrAlX；M＝Fe,Co,Ni,稀土金属)以及热(隔热层，例如ZrO2,
Y2O4-ZrO2)。
导向翼片130具有面向涡轮机108的内壳138的导向翼片的足部
(此处未示出)，以及与导向翼片足部相对的导向翼片头部。导向翼
片头部面向转子103并固定到定子143的固定环140。
在导向侧，根据附图的燃气涡轮机100具有用于监测结构噪声的
系统，没有具体示出，其连接到转子103和壳体138上的多个传感器，
其获取了与涡轮机100中产生的噪声振动有关的输出信号。
进一步地，转子103可以沿杆102轴向地移动。因为转子103的
锥形转子尖端以及彼此相关的壳体138的圆锥度，因为转子103或者
壳体138的轴向位移，转子103，特别是转子叶片端部和壳体138之
间的间隙d是减小或增大的。液动地执行轴向位移。
通过相对于壳体138的转子103的轴向位移，现有的间隙d变窄，
直到最终产生第一个接触，其导致振动并因此导致噪声的产生。该噪
声被传输穿过壳体138并通过用于监测结构噪声的系统检测并转换为
相应的输出信号。
根据相对于壳体138的转子叶片120的轴向位移，在涡轮机叶片
120和壳体138之间产生了更多或者更少的紧密接触，这意味着所产
生的结构噪声的强度以及因此也改变了产生的输出信号的强度。
因此，根据轴向位移的数值，产生了不同的输出信号。
如果已经产生了第一个接触，转子叶片120是固定的，或者，在
接触没有太紧密的情况下，转子叶片120再次移动回来直到不再存在
通过相应的输出信号指出的任何接触。然后设置了最小间隙d。可以
在工作期间执行最小间隙的设置，通常是在涡轮机100已经完全预热
之后。
为了能够精确地定位所述的摩擦并允许更精确的间隙d的调节，
涡轮机100装配有相应的结构测量装置，其在下面的图2和图3中说
明。
图2和图3显示了穿过压缩机105的两个径向区域的横截面，更
精确地，每一个穿过具有围绕的壳体138的转子叶片120的圆周。沿
圆周设置在壳体138的内侧的是径向向内凸出的摩擦齿146。摩擦边
缘148被设置在一些转子叶片120的径向外端。
在图2所示的区域中，四个摩擦边缘148沿圆周方向以均匀的间
距设置，即，具有相应90度的角度间距。在图3所示的区域中，三
个摩擦边缘148沿圆周方向以均匀的间距设置，即，具有相应120度
的角度间距。在第一区域中，如果在摩擦边缘148和摩擦齿146之间
发生接触，因此会产生具有对应于转子103的电流旋转频率四倍的频
率的结构噪声信号，而在第二区域中，如果在摩擦边缘148和摩擦齿
146之间发生接触，会产生具有对应于转子103的电流旋转频率三倍
的频率的结构噪声信号。以类似方式，具有不同间距的摩擦边缘148
分布在压缩机的其它区域中。通过分析结构噪声的频率，因此可以轴
向地定位摩擦。
图2和图3中的壳体138上的摩擦齿146采用从最高点线性增大
的间距在圆周方向分布。这也允许在圆周方向定位摩擦，因为如果在
两个摩擦齿146上发生摩擦，产生相同频率的两个结构噪声信号，但
取决于摩擦齿146的间距，它们的相位移动是不同的。因为相邻的摩
擦齿146之间的每个分隔是不同的，可以从相位移动的幅度得出关于
摩擦的圆周位置的结论。
在涡轮机108中设置合适的结构测量装置。摩擦边缘和摩擦齿
146、148具有外部摩擦层。例如，外部摩擦层是多孔的和/或陶瓷的，
使得轻微的接触也不会产生永久性损坏。
在用于监测结构噪声的系统中针对信号的合理分析设计估计方
法；其能够解析频率和相位移动。与摩擦边缘和摩擦齿146、148相
关的结构设置的数据存储在用于监测结构噪声的系统中。同样地，用
于监测结构噪声的系统在输入侧能够获取转子103的电流旋转速度。
在一个可替换实施例中，未示出，用于监测结构噪声的系统被配
置为回声位置，即，多个噪声传感器沿圆周分布。通过来自噪声传感
器的振幅大小的分析，用于监测结构噪声的系统能够确定摩擦事件与
相应的噪声传感器的相对接近度，并且以回声定位方式以执行定位。