DE102009025803A1

DE102009025803A1 - System und Verfahren zur Kühlung erhitzter Komponenten in einer Turbine

Info

Publication number: DE102009025803A1
Application number: DE102009025803A
Authority: DE
Inventors: Stuart Samuel Collins; Paul Jeffrey Meyer; Paul Stephen Dimascio
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2009-11-26
Also published as: US20090285677A1; JP2009281383A; FR2931193A1; CN101586496A

Abstract

Es sind Systeme und Verfahren zur Kühlung erhitzter Komponenten in einer Turbine geschaffen. Gemäß einer Ausführungsform ist ein System zur Kühlung einer Turbine geschaffen, das wenigstens eine Flüssigkeitsquelle (116) enthalten kann, die eine Kühlflüssigkeit enthalten kann. Das System kann ferner wenigstens eine Flüssigkeitsdüse (118) in Fluidverbindung mit der Flüssigkeitsquelle (116) oder den Flüssigkeitsquellen enthalten, die betrieben werden kann, um die Kühlflüssigkeit in einer zerstäubten Form neben wenigstens eine erhitzte Turbinenkomponente zu liefern, die in einem Heißgaspfad (216) der Turbine positioniert ist. Beim Liefern der zerstäubten Kühlflüssigkeit neben die erhitzte(n) Turbinenkomponente oder -komponenten wechselt die Phase wenigstens eines Teils der Kühlflüssigkeit im Wesentlichen zu Gas.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft allgemein Turbinen und insbesondere Systeme und Verfahren zum Kühlen erhitzter Komponenten in Turbinen.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
In einer Turbine, beispielsweise einer Gasturbine, sind bestimmte Komponenten, wie beispielsweise Leitapparate bzw. Düsen, Turbinen, Laufschaufeln oder der Mantel bzw. das Deckband, in dem Heißgaspfad angeordnet und heißen Gasen ausgesetzt, die eine Temperatur aufweisen können, die höher ist als der Schmelzpunkt einer oder mehrerer der Komponenten. In bestimmten Gasturbinen der momentanen Generation kann die Temperatur der Heißgase bis zu 1600°C erreichen. Deshalb werden in vielen Fällen die in dem Heißgaspfad positionierten Komponenten während eines Betriebs der Turbine gekühlt. In beispielhaften herkömmlichen Systemen dient von einem Verdichter der Gasturbine abgezapfte Luft zum Kühlen der Komponenten. Jedoch hat diese Luft bereits viel Arbeit oder Energie bei der Umströmung der Brennkammer der Gasturbine verbraucht. Die Luft dringt dann in die Komponenten, wie die Turbinenlaufschaufeln oder -leitschaufeln, ein, um diese zu kühlen, so dass diese in dem Heißgaspfad „überleben” können. Danach wird die Luft zurück in den Heißgaspfad ausgegeben. Da die Luft die Brennkammer umströmt, verbrennt sie keinen Brennstoff und erhält keine zusätzliche Bewegungsenergie. Folglich kann diese Luft in an deren Turbinenstufen keine nützliche Arbeit verrichten. Infolgedessen nimmt die Effizienz der Gasturbine ab.
In anderen beispielhaften herkömmlichen Systemen können die erhitzten Komponenten mit Dampf anstatt mit Luft, die dem Verdichter entnommen wird, gekühlt werden. Der Dampf kann einer Dampfturbine entnommen und durch Rohre in die erhitzte Turbinenkomponente eingeleitet werden, die in dem Heißgaspfad positioniert ist. Der Dampf weist im Allgemeinen einen höheren Wärmeübergangskoeffizienten auf und absorbiert deshalb mehr Hitze von der Turbinenkomponente in dem Heißgaspfad. Demgemäß kann eine Dampfkühlung eine bessere Lösung gegenüber Lösungen mit Luftkühlung erzielen. Der Dampf kann von dem Gaspfad entnommen und in die Dampfturbine wieder eingeführt werden. Ein Teil der Wärmeenergie, die der Dampf aus dem Heißgaspfad zieht, kann folglich in der Dampfturbine wiedergewonnen werden, um zusätzliche Nutzarbeit zu schaffen. Somit kann die Effizienz von dampfgekühlten Gasturbinen größer sein als die der luftgekühlten Gasturbinen.
Jedoch können herkömmliche Dampfkühlsysteme relativ kompliziert sein. Beispielsweise wird der Dampf aus stationären Rohrleitungen entnommen, und er muss in die umlaufenden Schaufeln eingeleitet werden. Das Dampfzufuhr- und -wiedergewinnungssystem muss gut abgedichtet gehalten werden, weil der Dampf bei einem sehr hohen Druck vorliegt, und er ansonsten in dem Dampfsystem eine Leckage herbeiführen würde. Außerdem sollte das Dampfsystem, weil der Dampf zurück zu der Dampfturbine strömt, auch zur Aufrechterhaltung von Reinheit dicht verschlossen sein.
Demgemäß besteht ein Bedarf an Systemen und Verfahren zur Kühlung erhitzter Komponenten in Turbinen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der Erfindung können sich an einige oder alle der vorstehend beschriebenen Bedürfnisse richten. Ausführungsformen der Erfindung sind allgemein auf Systeme und Verfahren zum Kühlen erhitzter Turbinenkomponenten in einer Turbinenmaschine gerichtet.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein System zur Kühlung erhitzter Komponenten in einem Heißgaspfad einer Turbine geschaffen. Das beispielhafte System kann wenigstens eine Flüssigkeitsquelle enthalten, die ein flüssiges Kühlmittel bzw. eine Kühlflüssigkeit enthalten kann. Das System kann ferner wenigstens eine Flüssigkeitsdüse enthalten, die mit der Flüssigkeitsquelle oder den Flüssigkeitsquellen in Strömungsverbindung steht und funktionsfähig ist, um die Kühlflüssigkeit in einer zerstäubten bzw. versprühten Form in die Nähe wenigstens einer erhitzten Turbinenkomponente zu liefern, die in einem Heißgaspfad der Turbine angeordnet ist. Gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform wechselt bei einer Lieferung der zerstäubten Kühlflüssigkeit in die Nähe der erhitzten Turbinenkomponente oder Turbinenkomponenten wenigstens ein Teil der Kühlflüssigkeit im Wesentlichen seine Phase zu Gas.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Kühlen erhitzter Komponenten in einem Heißgaspfad einer Turbine geschaffen. Dieses beispielhafte Verfahren kann eine Bereitstellung wenigstens einer Flüssigkeitsquelle enthalten, die eine Kühlflüssigkeit aufweist und mit wenigstens einer Flüssigkeitsdüse in Strömungsverbindung steht, wobei die Flüssigkeitsdüse oder die Flüssigkeitsdüsen benachbart zu wenigstens einer erhitzten Turbinenkomponente positioniert ist bzw. sind, die in einem Heißgas- Pfad der Turbine angeordnet ist. Das Verfahren kann ferner ein Zerstäuben der Kühlflüssigkeit aus der Flüssigkeitsquelle oder den Flüssigkeitsquellen und ein Zuführen der zerstäubten Kühlflüssigkeit in die Nähe der erhitzten Turbinenkomponente oder Turbinenkomponenten enthalten. Gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform wechselt die Phase wenigstens eines Teils der Kühlflüssigkeit im Wesentlichen zu Gas, wenn die zerstäubte Kühlflüssigkeit in die Nähe der erhitzten Turbinenkomponente oder der erhitzten Turbinenkomponenten geliefert wird.
Gemäß einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Turbine geschaffen. Dieses beispielhafte Verfahren kann ein Anlassen der Turbine, ein Erhöhen der Turbinendrehzahl, damit sie unter einer vorbestimmten Last arbeitet, und ein Zerstäuben einer Kühlflüssigkeit enthalten. Das Verfahren kann ferner nach dem Erhöhen der Turbinendrehzahl für einen Betrieb bei der vorbestimmten Last ein Zuführen der zerstäubten Kühlflüssigkeit neben wenigstens eine erhitzte Turbinenkomponente enthalten, die in einem Heißgaspfad der Turbine angeordnet ist, wobei beim Zuführen der zerstäubten Kühlflüssigkeit wenigstens ein Teil des flüssigen Kühlmittels seine Phase im Wesentlichen in eine Gasphase ändert. Das Verfahren kann ferner eine Reduktion der Turbinendrehzahl für einen Betrieb unter einer geringeren als der vorbestimmten Last und nach der Reduktion der Turbinendrehzahl bis auf unterhalb der vorbestimmten Last ein Abführen überflüssiger Flüssigkeit aus dem Heißgaspfad enthalten.
Weitere Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlich, die in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen angegeben ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachdem die Ausführungsform der Erfindung in allgemeinen Worten beschrieben worden sind, wird nun auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind und in denen zeigen:
1 ein Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften Systems zur Kühlung einer erhitzten Turbinenkomponente gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Ansicht einer Turbinenlaufschaufel, die eine beispielhafte erhitzte Turbinenkomponente repräsentiert, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
3 ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Kühlen einer erhitzten Turbinenkomponente gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht; und
4 ein Flussdiagramm unter Veranschaulichung eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben einer Turbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind nachstehend in größeren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen einige, jedoch nicht alle Ausführungsformen veranschaulicht sind. In der Tat kann die Erfindung in vielen unterschiedlichen Formen verwirklicht sein, und sie sollte nicht derart ausgelegt werden, als wäre sie auf die hier angegebenen Ausführungsformen beschränkt; vielmehr sind diese Ausführungsformen angegeben, damit diese Offenbarung den anwendbaren rechtlichen Anforderungen genügt. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich durchwegs auf gleiche Elemente.
Ein Starten und Erhöhen der Drehzahl einer Turbine führt zu einer Verbrennung in einer Brennkammer der Turbine. Bei einer Verbrennung kann die Temperatur der heißen Gase, die erzeugt werden, oberhalb der Schmelztemperatur verschiedener Turbinenkomponenten, die in dem Heißgaspfad angeordnet sind, liegen. Zum Kühlen der erhitzten Turbinenkomponenten in dem Heißgaspfad der Turbine kann folglich ein flüssiges Kühlmittel zerstäubt und zu den erhitzten Turbinenkomponenten oder in deren Nähe geliefert werden. Aufgrund der größeren Energiemenge, die durch die Kühlflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, während ihres Phasenwechsels von einer Flüssigkeit zu einem Gas absorbiert wird, ist ein Zuführen der zerstäubten Kühlflüssigkeit zu den oder in die Nähe der erhitzten Turbinenkomponenten effizienter bei der Kühlung der Komponenten im Vergleich zu lediglich dampfgekühlten oder lediglich luftgekühlten Turbinen. Ferner wirkt ein Einmischen der Kühlflüssigkeit in Luft zusätzlich als ein Kühlmechanismus für die Luft, bevor das Gemisch aus Luft und Gas zu den erhitzten Turbinenkomponenten geliefert wird.
1 zeigt ein Funktionsblockdiagramm eines Systems 100 zur Kühlung einer erhitzten Turbinenkomponente gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die erhitzte Turbinenkomponente eine Turbinenlaufschaufel 102, wie beispielsweise eine Turbinenschaufel 102 der ersten Stufe, sein. Dennoch ist es zu verstehen, dass andere Turbinenkomponenten, wie beispielsweise ein Turbinenlaufrad, ein Turbinenleitapparat bzw. eine Turbinendüse, ein Turbinenmantel bzw. -deckband oder jede beliebige Kombination von diesen ebenfalls durch die hier beschriebenen Systeme und Verfahren gekühlt werden. In einer Gasturbine werden Heißgase im Inneren einer Brennkammer erzeugt, wodurch Heißgastemperaturen in einem Bereich von etwa 1000°C bis etwa 1600°C erzeugt werden. Nachdem sie die Brennkammer verlassen haben, können die Heißgase anfangs durch einen Turbinenleitapparat bzw. eine Turbinendüse 104 der ersten Stufe der Gasturbine strömen, der bzw. die mit der erhitzten Turbinenkomponente, wie beispielsweise der Turbinenschaufel 102, in Verbindung steht. Es ist zu verstehen, dass in 1 zu Anschauungszwecken lediglich der Turbinenleitapparat 104 der ersten Stufe veranschaulicht ist und dass andere beispielhafte Turbinen mehrere Leitapparate, Laufschaufeln und dergleichen enthalten können. Somit sind die Turbinenleitapparate 104 und die Turbinenschaufeln 102 oder sonstige Turbinenkomponenten den Heißgasen bei sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Demgemäß können diese Turbinenkomponenten Temperaturen weit oberhalb der Schmelztemperaturen der Komponentenmaterialien ausgesetzt sein.
Zum Kühlen der Turbinenschaufel 102 wird Luft von einem Verdichter 106 der Gasturbine aus zugeführt. Die Luft kann zuerst durch einen inneren Raum 108 des Turbinenleitapparats 104 hindurchströmen. Nachdem sie den Turbinenleitapparat 104 verlässt, strömt die Luft durch eine Einleiteinrichtung 110 hindurch, die die Luft neben einem Fuß 112 der Turbinenschaufel 102 ausgibt. Der Fuß 112 ist der radial innerste Abschnitt der Turbinenschaufel 102. Der Fuß 112 weist gewöhnlich eine Befestigungseinrichtung (wie in 2 veranschaulicht) auf, die derart maschinell hergestellt ist, dass die Turbinenschaufel 102 an einem Turbinenlaufrad angebracht werden kann. Ferner gibt die Einleiteinrichtung 110 die Luft derart aus, dass die Luft gerichtet und geleitet wird, damit sie in die Turbinenschaufel 102 durch den Fuß 112 hindurch eintritt. 1 zeigt ferner ein Rohr 114, das eine Kühlflüssigkeit durch den Turbinenleitapparat 104 hindurchfährt. In einer beispielhaften Ausführungsform wird die Kühlflüssigkeit von einer Flüssigkeitsquelle 116 geliefert. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Kühlflüssigkeit im Wesentlichen Wasser sein, obwohl es verständlich ist, dass in anderen Ausführungsformen die Flüssigkeitsquelle 116 andere flüssige Kühlmittel als Wasser liefern kann. Nachdem sie das Rohr 114 passiert hat, strömt die Kühlflüssigkeit durch eine Flüssigkeitsdüse 118 hindurch. Die Flüssigkeitsdüse 118 liefert die Kühlflüssigkeit zu der erhitzten Turbinenkomponente oder neben bzw. benachbart zu dieser. Wie in 1 veranschaulicht, kann die Flüssigkeitsdüse beispielsweise die Kühlflüssigkeit in die Nähe des Fußes 112 der Turbinenschaufel 102 zuführen. Es ist zu verstehen, dass die Flüssigkeitsdüse 118 in anderen beispielhaften Ausführungsformen die Kühlflüssigkeit zu anderen Turbinenkomponenten, wie beispielsweise einem Turbinenrad, einer Turbinenleitschaufeln, einem Turbinenmantel oder einer beliebigen Kombination von diesen, liefern kann.
In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen kann die Flüssigkeitsdüse 118 im Inneren eines Turbinenlaufrads oder an der Außenseite eins Turbinenmantels bzw. -deckbands angeordnet sein. Die Lage der Flüssigkeitsdüse 118 bestimmt die Stelle zum Ausgeben der Kühlflüssigkeit bei oder in der Nähe der erhitzten Turbinenkomponente 102. In verschiedenen beispielhaf ten Ausführungsformen kann die Flüssigkeitsdüse 118 von einer Injektorbauart, einer Venturi-Bauart oder dergleichen sein.
Wenn die von der Flüssigkeitsdüse 118 gelieferte Kühlflüssigkeit mit einer erhitzten Turbinenkomponente, wie beispielsweise der Turbinenschaufel 102, direkt in Kontakt kommt, kann die Kühlflüssigkeit eine deutliche Verringerung der Temperatur in einem lokalen Bereich, in dem die Kühlflüssigkeit in Kontakt kommt, herbeiführen. Dies kann in dem Material der Komponente einen hohen Temperaturgradienten hervorrufen, der gegebenenfalls einen hohen Spannungsgradienten in dem Material der erhitzten Komponente verursachen kann, so dass an der durch die Kühlflüssigkeit kontaktierten Stelle eine Rissbildung entstehen kann. Um derartige Beschädigungen an der erhitzten Turbinenkomponente zu vermeiden, wird die Kühlflüssigkeit in einer beispielhaften Ausführungsform in die Luft in einer zerstäubten bzw. versprühten Form ausgegeben, und wenigstens ein Teil der Kühlflüssigkeit wechselt seine Phase von Flüssigkeit zu Gas, wenn er sich mit der Luft vermischt und hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Ein Phasenwechsel zu Gas vermeidet einen direkten Kontakt durch die Kühlflüssigkeit in flüssiger Form an einer Stelle an der erhitzten Komponente.
In einigen Situationen kann die die Flüssigkeitsquelle 116 verlassende Kühlflüssigkeit unter einem Druck stehen, der kleiner ist als der Druck der den Verdichter 106 verlassenden Luft. In einem derartigen Fall kann die Kühlflüssigkeit nicht in einer zerstäubten Form in die Luft ausgegeben werden und kann sich somit nicht gleichmäßig durch das Luftmedium verteilen. Demgemäß kann die Kühlflüssigkeit mit Druck beaufschlagt werden, bevor sie in das Luftmedium hinein ausgegeben wird. Somit kann in einer beispielhaften Ausführungsform eine Druckbeaufschlagungspumpe verwendet werden, um die Kühlflüssigkeit derart mit Druck zu beaufschlagen, dass die Kühlflüssigkeit zu dem Luftmedium im Wesentlichen zerstäubt austreten und bei oder in der Nähe der erhitzten Turbinenkomponente über das Luftmedium hinweg gleichmäßig verteilt werden kann. Beispielsweise kann die Kühlflüssigkeit mit Druck beaufschlagt werden, um unter einen Druck von etwa 2,8 × 10⁶ N/m² (400 psi) oder mehr gesetzt werden.
Ein Vermischen der Kühlflüssigkeit mit der Luft vor dem Einleiten der Luft neben der erhitzten Turbinenkomponente, wie beispielsweise der Turbinenschaufel 102, kann auch der Kühlung der erhitzten Turbinenkomponente nutzen, da die latente Verdampfungswärme der Kühlflüssigkeit im Vergleich zu der spezifischen Wärme der Kühlflüssigkeit und der Gasform aus der Kühlflüssigkeit und der Luft sehr hoch ist. Wenn beispielsweise die Kühlflüssigkeit Wasser ist, betragen die latente Verdampfungswärme von Wasser, die spezifische Wärme von Wasser und die spezifische Wärme von Dampf in etwa 2,26 × 10² J/kg, 4,184 J/kg-°C bzw. 2 J/kg-°C. Demgemäß können in einer dampfgekühlten Turbine 2 Joule Wärme bei einer Erhöhung um etwa 1°C für jedes Kilogramm Dampf absorbiert werden, während in einer wassergekühlten Turbine eine Wärmemenge von 4,184 Joule bei einer Temperaturerhöhung um etwa 1°C für jedes Kilogramm Wasser absorbiert werden kann. Jedoch können in einem System, wie beispielsweise dem System 100, in dem Wasser in Dampf umgewandelt wird, 2,26 × 10² Joule Wärme durch jedes Kilogramm Wasser bei der Umsetzung zu Dampf absorbiert werden. Außerdem geschieht dies bei einer konstanten Temperatur ungefähr bei dem Siedepunkt von Wasser. Das Wasser absorbiert Wärme bei 2,26 × 10² J/kg-°C, bis im Wesentlichen das gesamte Wasser in Dampf umgewandelt ist. Dies ergibt eine hohe Wärmeentzugskapazität für die Kühlflüssigkeit. Ferner wirkt die Einmischung der Kühlflüssigkeit in die Luft und ihre anschließende Umwandlung in Gas als ein Kühlmechanismus für die Luft, bevor das Luft- und Gas-Gemisch in die Nähe der erhitzten Turbinenkompo nente, wie beispielsweise der Turbinenschaufel 102, geliefert wird. In der beispielhaften Ausführungsform zum Kühlen wenigsten einer Turbinenlaufschaufel 102 kann, wenn sich die Phase der Kühlflüssigkeit zu dem gasförmigen Medium ändert, das Gas- und Luft-Gemisch in einen inneren Raum 120 der Turbinenschaufel 102 durch den Fuß 112 hindurch eintreten.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann optional ein Rohrleitungssystem 122 vorgesehen sein, um die Flüssigkeitsquelle 116 mit der Flüssigkeitsdüse 118 zu verbinden und um die richtige Zufuhr der Kühlflüssigkeit von der Flüssigkeitsquelle 116 zu der Flüssigkeitsdüse 118 sicherzustellen. Ferner könnte das Rohrleitungssystem 122 sich in einer Umgebung befinden, in der die Temperaturen im Wesentlichen so hoch sind, dass die Phase der Kühlflüssigkeit in die Gasform wechselt. Dies führt dazu, dass die Kühlflüssigkeit einen Teil der Warmeentzugskapazität verliert, die besser für die erhitzte Turbinenkomponente 102 reserviert wäre. Um den Phasenwechsel der Kühlflüssigkeit zu dem Gas zu vermeiden, kann das Rohrleitungssystem 122 von seiner Umgebung thermisch isoliert sein. Außerdem kann das Rohrleitungssystem 122 aufgrund des Korrosionseffektes der Kühlflüssigkeit korrodieren. Demgemäß kann das Rohrleitungssystem 122 in einer beispielhaften Ausführungsform mit einem Korrosionsschutzüberzug versehen sein.
In einigen Situationen während eines Betriebs des Systems 100 ist die Drehzahl der Gasturbine derart reduziert, dass die Gasturbine nicht mehr unter einer vorbestimmten Last arbeitet. Die Gasturbine kann ein Spülen bzw. Abführen der überschüssigen Kühlflüssigkeit, die nicht in die Gasphase umgewandelt wird, aus dem Heißgaspfad erfordern. Somit ist in einer beispielhaften Ausführungsform eine Spüleinheit in der Gasturbine optional vorgesehen. Jedoch können beispielhafte Gasturbinen gewöhnlich ein Ableitungssystem zur Ableitung des unverbrann ten Brennstoffs aus dem Innenraum der Gasturbine enthalten. Demgemäß kann in einer beispielhaften Ausführungsform das Brennstoffableitungssystem zu der Spüleinheit 124 erweitert werden, um jede überschüssige Kühlflüssigkeit, die in dem Pfad verbleibt, abzuführen.
2 zeigt eine Ansicht einer beispielhaften Turbinenschaufel 202, die ein Beispiel für die wenigstens eine erhitzte Turbinenkomponente in einem Heißgaspfad 216 der Turbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung repräsentiert. Die Turbinenschaufel 202 weist eine erste Seite 218A und eine zweite Seite 218B auf, die die gegenüberliegenden Wände der Turbinenschaufel 202 darstellen und einen Innenraum 208 im Inneren der Turbinenschaufel 202 bilden. Die Turbinenschaufel 202 kann mehrere Öffnungen 204 und eine Schaufelplattform 206 enthalten. Die Öffnungen 204 erstrecken sich durch die erste Seite 218A und die zweite Seite 218B der Turbinenschaufel 202 hindurch. Ein Gemisch 210 aus einer Kühlflüssigkeit und Luft kann an dem Fuß 212 oder in der Nähe des Fußes 212 der Turbinenschaufel 202 geliefert werden, wobei an dieser Stelle das Gemisch 210 durch die Schaufelplattform 206 in die Turbinenschaufel 202 eintritt. Das Gemisch 210 durchströmt ferner den Innenraum 208. Da die Luft bereits eine hohe Temperatur von etwa 750°C aufweist und die Kühlflüssigkeit in der zerstäubten Form überall in der gesamten Luft gleichmäßig verteilt ist, absorbiert die Kühlflüssigkeit Wärme von der Luft und wechselt in eine im Wesentlichen gasförmige Phase. Da die Kühlflüssigkeit des Gemisches 210 in das Gas umgewandelt wird, wird ein gasförmiges Gemisch 214 gebildet. Das gasförmige Gemisch 214 kann anschließend wenigstens teilweise aus den Öffnungen 204 in den Heißgaspfad 216 austreten.
Es ist zu verstehen, dass die Turbinenschaufel 202 lediglich zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen ist und dass an dere erhitzte Turbinenkomponenten in einem Heißgaspfad 216 auf eine Weise, die der hier beschriebenen ähnlich ist, gekühlt werden können. In zahlreichen unterschiedlichen beispielhaften. Ausführungsformen kann die erhitzte Turbinenkomponente beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, eine Turbinendüse bzw. ein Turbinenleitapparat, eine Turbinenlaufschaufel, ein Turbinenlaufrad, einen Turbinenmantel bzw. -deckband oder eine Kombination von diesen sein.
3 veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren, gemäß dem eine Ausführungsform der Erfindung funktionieren kann. Es ist ein Flussdiagramm 300 gezeigt, das ein beispielhaftes Verfahren zum Kühlen der erhitzten Turbinenkomponente in einem Heißgaspfad einer Turbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Das beispielhafte Verfahren beginnt in Block 302. In Block 302 wird wenigstens eine Flüssigkeitsquelle bereitgestellt, um ein flüssiges Kühlmittel bzw. eine Kühlflüssigkeit zu, benachbart zu oder in die Nähe einer oder mehrerer erhitzten Turbinenkomponenten zu liefern. In zahlreichen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen kann die erhitzte Turbinenkomponente beispielsweise ein Turbinenleitapparat bzw. eine Turbinendüse, eine Turbinenlaufschaufel, ein Turbinenlaufrad, ein Turbinenmantel oder -deckband oder eine Kombination von diesen sein, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Kühlflüssigkeit Wasser sein, obwohl andere Kühlmittel geliefert werden können. Die Flüssigkeitsquelle steht mit wenigstens einer Flüssigkeitsdüse in Strömungsverbindung, die benachbart zu oder in der Nähe der erhitzten Turbinenkomponente oder -komponenten positioniert ist. Demgemäß lässt sich die eine oder lassen sich die mehreren Flüssigkeitsdüsen betreiben, um die Kühlflüssigkeit von der Flüssigkeitsquelle zu oder in die Nähe der einen oder meh reren erhitzten Turbinenkomponenten zuzuführen. Die Flüssigkeitsdüse oder -düsen kann/können von einer Injektor-Bauart, einer Venturi-Bauart oder dergleichen sein.
In einem Beispiel kann ein Rohrleitungssystem von der Flüssigkeitsquelle zu der Flüssigkeitsdüse die Strömungsverbindung zwischen diesen schaffen. In beispielhaften Ausführungsformen kann das Rohrleitungssystem, z. B. während eines Turbinenbetriebs, deutlich hohen Temperaturen ausgesetzt sein, was die Kühlflüssigkeit veranlassen kann, in dem Rohrleitungssystem wenigstens teilweise ihre Phase zu wechseln. Somit kann das Verfahren in einer beispielhaften Ausführungsform ferner eine Wärmeisolation des Rohrleitungssystems enthalten, um einen Wärmeübergang auf die Kühlflüssigkeit im Inneren des Rohrleitungssystems aus dessen Umgebung aus zu vermeiden.
Nach dem Block 302 folgt ein Block 304, in dem die Kühlflüssigkeit aus der Flüssigkeitsquelle im Wesentlichen zerstäubt wird. Die Flüssigkeitsdüse kann funktionsmäßig in der Lage sein, die Kühlflüssigkeit im Wesentlichen zu zerstäuben. Ferner kann die Turbine in anderen beispielhaften Ausführungsformen eine Druckbeaufschlagungspumpe zur Druckbeaufschlagung der von der Flüssigkeitsquelle empfangenen Kühlflüssigkeit und auch zur Unterstützung einer Zerstäubung der Kühlflüssigkeit enthalten.
Nach dem Block 304 folgt ein Block 306, in dem die Flüssigkeitsdüse die zerstäubte Kühlflüssigkeit der Luft neben oder in der Nähe der erhitzten Turbinenkomponente oder -komponenten zuführt. Eine Zufuhr der zerstäubten Kühlflüssigkeit in einer im Wesentlichen gleichförmigen Weise zu der von dem Verdichter gelieferten Luft ermöglicht der mit der Luft vermischten Kühlflüssigkeit, ihre Phase im Wesentlichen zu Gas zu än dern, wenn sie innerhalb des Heißgaspfades höheren Temperaturen ausgesetzt wird.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Verfahren eine Bereitstellung einer Spüleinheit enthalten, um die Kühlflüssigkeit aus dem Heißgaspfad abzuführen, wenn die Drehzahl der Turbine unter eine vorbestimmte Last reduziert wird. In einer Ausführungsform kann das Abführen der Kühlflüssigkeit aus dem Heißgaspfad vor dem nächsten Anlauf der Turbine durchgeführt werden. In einem anderen Beispiel kann die Kühlflüssigkeit beim Abschalten der Turbine gespült bzw. abgeführt werden.
4 veranschaulicht ein weiteres beispielhaftes Verfahren, gemäß dem eine Ausführungsform der Erfindung funktionieren kann. Es ist ein Flussdiagramm 400 gezeigt, das ein beispielhaftes Verfahren zum Betreiben einer Turbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Das beispielhafte Verfahren beginnt in Block 402. In Block 402 wird die Turbine angelassen. Nach dem Block 402 folgt ein Block 404, in dem die Drehzahl der Turbine gesteigert wird, um die Turbine unter einer vorbestimmten Last zu betreiben. Ein Anlassen und Erhöhen der Drehzahl der Gasturbine führt zu einem Verbrennungsprozess in einer Brennkammer der Gasturbine. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Temperatur der erzeugten Heißgase deutlich oberhalb der Schmelztemperatur verschiedener Turbinenkomponenten liegen, die in dem Heißgaspfad angeordnet sind.
Nach dem Block 404 folgt ein Block 406, in dem eine von der Flüssigkeitsquelle empfangene Kühlflüssigkeit zerstäubt wird, die verwendet werden kann, um die eine oder mehreren erhitzten Turbinenkomponenten in dem Heißgaspfad der Turbine zu kühlen. In einem beispielhaften Verfahren zerstäubt eine mit der Flüssigkeitsquelle in Strömungsverbindung stehende Flüssigkeitsdüse im Wesentlichen die Kühlflüssigkeit. In beispielhaften Ausführungsformen kann die Kühlflüssigkeit Wasser sein, obwohl andere Kühlmittel geliefert werden können.
Nach dem Block 406 folgt ein Block 408, in dem die zerstäubte Kühlflüssigkeit neben oder in der Nähe der erhitzten Turbinenkomponente oder -komponenten geliefert wird. Da in diesem beispielhaften Verfahren die Kühlflüssigkeit in einer zerstäubten Form geliefert und der Luft in dem Heißgaspfad zugeführt wird, der eine Temperatur aufweist, die höher ist als eine Siedetemperatur der Kühlflüssigkeit, vollzieht wenigstens ein Teil der Kühlflüssigkeit einen Phasenwechsel und wird in eine Gasphase umgewandelt. In beispielhaften Ausführungsformen kann die erhitzte Turbinenkomponente oder können die erhitzten Turbinenkomponenten eine Turbinenschaufel, einen Turbinenleitapparat bzw. eine Turbinendüse, ein Turbinenrad, einen Turbinenmantel bzw. ein Turbinendeckband oder dergleichen enthalten.
Nach dem Block 408 folgt ein Block 410, in dem die Drehzahl der Turbine reduziert wird, so dass die Turbine unter einer geringeren als der vorbestimmten Last arbeitet, wie beispielsweise bei einer Verlangsamung oder Abschaltung. Es kann möglich sein, dass bei der Reduktion der Last oder momentanen Unterbrechung des Betriebs der Turbine ein Teil der Kühlflüssigkeit gegebenenfalls keinen Phasenwechsel vollzieht. Die in der Turbine verbleibende Flüssigkeit kann zu Korrosion von Turbinenkomponenten führen und kann eventuell die Erzeugung von Rissen in den Turbinenkomponenten aufgrund eines hohen Belastungsfaktors herbeiführen. Folglich schließt sich an den Block 410 ein Block 412 an, in dem jeder Überschuss einer derartigen Kühlflüssigkeit aus dem Heißgaspfad gespült bzw. abge führt wird. In einem Beispiel kann das Abführen der Kühlflüssigkeit aus dem Heißgaspfad vor einem nächsten Anlauf der Turbine durchgeführt werden. In einem weiteren Beispiel kann die Kühlflüssigkeit beim Abschalten der Turbine abgeführt werden.
In verschiedenen Turbinen kann die Turbineneffizienz durch die Einbringung der Luft in den Heißgaspfad aufgrund dessen, dass die Luft während der Verdichterstufe eine wesentliche Arbeit erfährt, beeinträchtigt sein. Das Einbringen einer Kühlflüssigkeit in die Luft, wie beispielsweise in der vorstehend beschriebenen Weise, erhöht die Kühleffizienz und hilft folglich, die Menge der zur Kühlung der erhitzten Turbinenkomponente verbrauchten Luft zu reduzieren.
Mit Hilfe der in der vorstehenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen dargebotenen Lehre werden viele Modifikationen und weitere Ausführungsformen der hier angegebenen Beispiele, die diese Beschreibung betrifft, einfallen. Somit ist zu erkennen, dass die Erfindung in vielen Formen verwirklicht sein kann und nicht auf die vorstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein sollte. Folglich ist es zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsformen, wie sie offenbart sind, beschränkt sein soll und dass die Modifikationen und weitere Ausführungsformen in dem Rahmen der beigefügten Ansprüche mit umfasst sein sollen. Obwohl hier spezielle Ausdrücke verwendet werden, werden sie lediglich in einem allgemeinen und beschreibenden Sinne und nicht für die Zwecke einer Beschränkung verwendet.
Es sind Systeme und Verfahren zur Kühlung erhitzter Komponenten in einer Turbine geschaffen. Gemäß einer Ausführungsform ist ein System zur Kühlung einer Turbine geschaffen, das wenigstens eine Flüssigkeitsquelle 116 enthalten kann, die ei ne Kühlflüssigkeit enthalten kann. Das System kann ferner wenigstens eine Flüssigkeitsdüse 118 in Fluidverbindung mit der Flüssigkeitsquelle 116 oder den Flüssigkeitsquellen enthalten, die betrieben werden kann, um die Kühlflüssigkeit in einer zerstäubten Form neben wenigstens eine erhitzte Turbinenkomponente zu liefern, die in einem Heißgaspfad 216 der Turbine positioniert ist. Beim Liefern der zerstäubten Kühlflüssigkeit neben die erhitzte(n) Turbinenkomponente oder -komponenten wechselt die Phase wenigstens eines Teils der Kühlflüssigkeit im Wesentlichen zu Gas.

102: Turbinenlaufschaufel
104: Turbinenleitapparat
106: Verdichter
108: Innenraum (in dem Turbinenleitapparat)
110: Einleiteinrichtung
112: Fuß
114: Rohr
116: Flüssigkeitsquelle
118: Flüssigkeitsdüse
120: Innenraum (in der Turbinenschaufel)
122: Rohrleitungssystem
124: Spüleinheit
202: Turbinenschaufel
204: Öffnungen
206: Schaufelplattform
208: Innenraum
210: Gemisch
212: Fuß
214: Gasförmiges Gemisch
216: Heißgaspfad
218A: Erste Seite
218B: Zweite Seite
300: Verfahren
302–306: Funktionsblöcke
400: Verfahren
402–412: Funktionsblöcke

Claims

System (100) zur Kühlung erhitzter Komponenten in einem Heißgaspfad (216) einer Turbine (102), das aufweist: wenigstens eine Flüssigkeitsquelle (116), die eine Kühlflüssigkeit aufweist; und wenigstens eine Flüssigkeitsdüse (118), die mit der wenigstens einen Flüssigkeitsquelle (116) in Strömungsverbindung steht und funktionsfähig ist, um die Kühlflüssigkeit in einer zerstäubten Form in die Nähe wenigstens einer erhitzten Turbinenkomponente zu liefern, die in einem Heißgaspfad (216) der Turbine angeordnet ist; wobei bei einer Lieferung der zerstäubten Kühlflüssigkeit in die Nähe der wenigstens einen erhitzten Turbinenkomponente wenigstens ein Teil der Kühlflüssigkeit seine Phase im Wesentlichen zu Gas ändert.
System nach Anspruch 1, das ferner wenigstens eine Pumpe zur Druckbeaufschlagung der Kühlflüssigkeit aus der wenigstens einen Flüssigkeitsquelle (116) aufweist.
System nach Anspruch 1, das ferner ein Rohrleitungssystem (122) aufweist, das die wenigstens eine Flüssigkeitsquelle (116) und die wenigstens eine Flüssigkeitsdüse (118) miteinander verbindet.
System nach Anspruch 3, wobei das Rohrleitungssystem (122) eine Wärmeisolierung aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei die Kühlflüssigkeit Wasser aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine erhitzte Turbinenkomponente wenigstens eines aus einer Turbinenschaufel (102), einem Turbinenrad, einem Turbinenleitapparat (104) oder einem Turbinenmantel aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine erhitzte Turbinenkomponente eine Turbinenschaufel (102) aufweist, die eine erste Seite (218A) und eine zweite Seite (218B) aufweist, die einen Innenraum (120) darin bilden und mehrere Öffnungen (204) aufweisen, die sich durch wenigstens entweder die erste Seite (218A) und/oder die zweite Seite (218B) hindurch erstrecken, und wobei bei einer Lieferung der zerstäubten Kühlflüssigkeit in die Nähe der Turbinenschaufel (102) wenigstens ein Teil des Gases durch den Innenraum (120) hindurch tritt und aus dem Innenraum (120) in den Heißgaspfad (216) durch wenigstens einen Teil der mehreren Öffnungen (204) hindurch austritt.
System nach Anspruch 1, das ferner eine Spüleinheit (124) zum Abführen einer überschüssigen Menge der Kühlflüssigkeit aus dem Heißgaspfad (216) aufweist.
Verfahren zum Kühlen erhitzter Komponenten in einem Heißgaspfad (216) einer Turbine, das aufweist: Bereitstellen (302) wenigstens einer Flüssigkeitsquelle (116), die eine Kühlflüssigkeit aufweist, in Strömungsverbindung mit wenigstens einer Flüssigkeitsdüse (118), wobei die wenigstens eine Flüssigkeitsdüse (118) in der Nähe wenigstens einer erhitzten Turbinenkomponente positioniert ist, die in einem Heißgaspfad (216) der Turbine angeordnet ist; Zerstäuben (304) der Kühlflüssigkeit aus der wenigstens einen Flüssigkeitsquelle (116); und Zuführen (306) der zerstäubten Kühlflüssigkeit in die Nähe der wenigstens einen erhitzten Turbinenkomponente; wobei beim Zuführen der zerstäubten Kühlflüssigkeit in die Nähe der wenigstens einen erhitzten Turbinenkomponente die Phase wenigstens eines Teils der Kühlflüssigkeit im Wesentlichen zu Gas wechselt.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner eine Druckbeaufschlagung der Kühlflüssigkeit aus der wenigstens einen Flüssigkeitsquelle (116) durch wenigstens eine Pumpe aufweist.