Tip clearance measurements for a palm-size gas turbine

Abstract

Mikro- Gasturbinengeneratoren stellen auf Grund ihrer hohen Leistungsdichte eine attraktive Alternative zu etablierten mobilen Energieversorgungssystemen dar.<br /> Die Effizienz von Gasturbinen ist indirekt proportional zu der effektiven Breite des Spalts zwischen den Laufradschaufeln und dem Gehäuse. Auf Grund von zentrifugaler Belastung der Laufradschaufeln, unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten einzelner Turbinenkomponenten und transienten Wärmetransferphänomenen ist dieser Spaltabstand großen Variationen unterworfen. Nur mit einer aktiven Regelung der Spaltenbreite kann der Betriebszustand mit höchster Effizienz gewährleistet werden.<br /> Aufgrund der hier nötigen radikalen Miniaturisierung und der zugrundeliegenden Skalierungseigenschaften von Turbinen, kann auf keine der existierenden Konzepte zur Messung des Spaltabstandes zurückgegriffen werden.<br /> Die vorliegende Dissertation beschreibt daher die Entwicklung eines neuartigen Meßverfahrens zur Überwachung und Regelung des effektiven Spaltabstandes zwischen den keramischen Laufradschaufeln und dem Gehäuse einer miniaturisierten Gasturbine. Beginnend mit einer umfassenden Literaturstudie über existierende Spaltenmeßmethoden, wird folgend die Umsetzbarkeit dieser Methoden für eine miniaturisierte Version einer Gasturbine diskutiert. Gestützt auf robuster Funktionsweise, Kompatibilität mit der einhergehenden Miniaturisierung und der Fähigkeit die Laufradspalte von keramischen Laufrädern zu vermessen, wurde eine neuartige, "Coupled Surface" - Meßsonde entwickelt. Die Kapazität dieser Meßsonde als Funktion des Laufradspaltes wurde mit Feldberechnungen verifiziert und mit konventionellen Meßsonden verglichen. Dieses neuartige Konzept einer Meßsonde wurde mit einem kapazitiven Meßwandler mit periodischer Abstimmung und Kalibrierung, basierend auf Synchrongleichrichtung eines phasenmodulierten Signals, realisiert. Die Funktionalität und die spezifischen Eigenschaften dieses Meßsystems sowie des gesamten Regelsystems wurden schließlich experimentell demonstriert und verifiziert.<br />

Miniature gas turbines could become an attractive alternative to existing portable power sources due to their high power density. The efficiency of a gas turbine has an inverse relationship to the clearance between the rotor blades and the casing. Due to centrifugal loading of rotor blades, thermal mismatch between individual gas turbine components, and transient heat transfer phenomena, the optimum tip clearance can not be achieved during the whole operation of the gas turbine without active tip clearance system. However, the downsizing of the gas turbine has profound implications on the optimum design of the gas turbine as well as on the design of the required instrumentation due to physics that changes with scale.<br />This thesis describes the development of a tip clearance sensor for a palm-sized gas turbine with ceramic rotating parts. The feasibility of existing sensing techniques for a downsized tip clearance sensor was assessed. Based on robust operation, favorable scaling, and the capability to measure tip clearance of ceramic blades a novel coupled surface tip clearance probe design was proposed. The capacitance of the coupled surface probe as a function of tip clearance was determined with field simulations and compared with the capacitance of a traditional coaxial probe. A capacitance transducer based on a synchronous detection of phase modulated signal with periodic calibration was designed and built. Finally, the surface coupled probe and the capacitance transducer were tested in an active tip clearance control experiment.