DE102009043891A1

DE102009043891A1 - Einrichtung und Verfahren zur Kühlung einer Gasturbine

Info

Publication number: DE102009043891A1
Application number: DE102009043891A
Authority: DE
Inventors: Eric David Roush; Mark W. Flanagan; Ian David Wilson; George Frey; John Raymond Hess
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2010-04-15
Also published as: US20100068035A1; JP2010065699A; CN101709673A; CN101709673B; US8061971B2; JP5613393B2

Abstract

Ein Kühlsystem für eine Turbine (2) umfasst ein Gebläse (12), das dazu eingerichtet ist, einen Kühlgasstrom (22, 24) zu erzeugen, um diesen durch eine Laufradkammer der Turbine (2) zu leiten; eine Verrohrung (14, 18), die dazu eingerichtet ist, den Kühlgasstrom (22, 24) zu der Turbine (2) zu liefern; und wenigstens ein Ventil (15, 17; 19, 21), das dazu eingerichtet ist, den Kühlgasstrom (22, 24) zu regeln/steuern. Die Verrohrung (14, 18) ist betriebsmäßig mit dem Laufrad (34, 36, 38) der Turbine (2) verbunden. Ein Verfahren zum Kühlen einer Turbine beinhaltet die Schritte: Erzeugen eines Kühlgasstroms mittels eines Gebläses, um ihn durch eine Laufradkammer der Turbine zu leiten; und Liefern des Kühlgasstroms zu der Turbine.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Kühlen einer Turbine.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Ein Gasturbinentriebwerk enthält herkömmlich einen Verdichter zum Komprimieren von Umgebungsluft, um diese mit Brennstoff zu mischen und zu zünden, um in einer Brennkammer Verbrennungsgase zu erzeugen. Eine Turbine nimmt die heißen Verbrennungsgase auf und entzieht ihnen Energie, um den Verdichter mit Leistung zu versorgen und um Ausgangsleistung zu produzieren, beispielsweise, um einen elektrischen Generator anzutreiben. Die Turbine enthält herkömmlich eine oder mehrere Stufen von Statorleitapparaten oder Leitschaufeln, Laufradlaufschaufeln und rund um die Turbinenschaufeln angeordnete ringförmige Mäntel, mit denen angemessene Toleranzspielräume einzuhalten sind. Nachdem die Turbineneinlasstemperaturen gesteigert wurden, um den Wirkungsgrad von Gasturbinen zu verbessern, ist es notwendig geworden, den Turbinenleitschaufeln, Laufschaufeln und Mänteln ein Kühlfluid, z. B. Luft, zuzuführen, um die Temperaturen jener Komponenten bei Pegeln zu halten, denen deren Materialien standhalten können, so dass eine befriedigende Nutzungslebensdauer der Komponenten gewährleistet ist. Die Kühlung wird gewöhnlich durchgeführt, indem ein Teil der durch den Verdichter verdichteten Luft aus dem Verdichter abgezogen wird und den Komponenten der Turbine zugeführt wird, um diese zu kühlen. Jede in dem Verdichter ver dichtete Luft, die nicht zur Erzeugung von Verbrennungsgasen genutzt wird, verringert zwangsläufig den Wirkungsgrad des Triebwerks. Daher besteht ein Bedarf, die Menge der von dem Verdichter abgezweigten Kühlluft auf ein Minimum zu reduzieren.
Die Leistung und Zuverlässigkeit eines Turbinentriebwerks hängen in hohem Maße von den zwischen rotierenden und statischen Komponenten vorhandenen Toleranzspielräumen ab. Engere Toleranzen bringen höhere Wirkungsgrade hervor, steigern allerdings auch die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung aufgrund von Reibereignissen. Im Betrieb kühlt das Gehäuse der Gasturbine wesentlich rascher ab als das auf einem typischen Turbinenlaufrad angeordnete Laufrad. Während eines erneuten Hochfahrens im warmen oder heißen Zustand, kann das unterschiedliche thermische Verhalten des Gehäuses und des Laufrads dazu führen, dass eine Anfangskomponente der thermischen Ausdehnung des Laufrads größer ist als diejenige des Stators, und dass das Laufrad anschließend mit zunehmender Drehzahl der Einheit eine zusätzliche Komponente mechanischer Ausdehnung erfährt. Dies ruft einen vorübergehenden Engpass des Toleranzspielraums hervor. Während die Zeit fortschreitet, und der Stator sich erwärmt, dehnt sich das Gehäuse von dem Laufrad entfernend aus, was dazu führt, dass die Toleranzspielräume bei voller Drehzahl und Last (FSFL = Full Speed Full Load) größer sind. Die konstruierten Toleranzspielräume einer Einheit müssen so bemessen sein, dass sie Reibung während des vorübergehenden Engpasses vermeiden und bei FSFL dennoch eng sind. Die Differenz zwischen einem minimalen Toleranzspielraum und dem FSFL-Toleranzspielraum wird als ”Toleranzfeld” definiert. Das Toleranzfeld wird durch die fehlende thermische Übereinstimmung zwischen Laufrad und Gehäuse bestimmt.
Herkömmliche Ansätze zur Lösung dieses Problems verwendeten aktive System zur Steuerung/Regelung der Toleranzen. Beispielsweise kann eine innere Turbinenschale während des Hochfahrens mit einem Medium (beispielsweise Luft, N₂, Dampf) erwärmt werden, um dafür zu sorgen, dass sich der Stator von dem Laufrad weg ausdehnt, oder sie kann bei FSFL-Betrieb gekühlt werden, um das Gehäuse dem Laufrad zu nähern. Als ein weiteres Beispiel kann ein Hydraulikkolben genutzt werden, um das Laufrad axial zu positionieren, nachdem die Einheit den FSFL-Betrieb erreicht hat. Die Winkel der Schaufelspitzen und der Gehäusemäntel in der Turbine sind größer als der zugehörige Winkel und der Verdichter, und diese mangelnde Winkelübereinstimmung gestattet die Eliminierung von Reibung zwischen den Schaufelspitzen und den Gehäusemänteln während des vorübergehenden Engpasses.
Die bisherigen Ansätze zur Vermeidung eines Reibens während des vorübergehenden Engpasses erfordern verhältnismäßig große Toleranzspielräume zwischen den Schaufeln und dem Gehäuse und/oder die Verwendung eines kostspieligen Systems, das ununterbrochen betrieben werden muss, um Toleranzspielräume während des Betriebs der Gasturbine bei FSFL einzuhalten.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Kühlsystem für eine Turbine: ein Gebläse, das dazu eingerichtet ist, einen Kühlgasstrom zu erzeugen, um diesen durch eine Laufradkammer der Turbine zu leiten; eine Verrohrung, die dazu eingerichtet ist, den Kühlgasstrom zu der Turbine zu liefern; und wenigstens ein Ventil, das dazu eingerichtet ist, den Kühlgasstrom zu regeln/steuern. Die Verrohrung ist betriebsmäßig mit dem Laufrad der Turbine verbunden.
Ein Verfahren zum Kühlen einer Gasturbine umfasst die Schritte: Erzeugen eines Kühlgasstroms mittels eines Gebläses, um ihn durch eine Laufradkammer der Turbine zu leiten; und Liefern des Kühlgasstroms zu der Turbine.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 veranschaulicht schematisch eine Turbine, die eine Einrichtung zum Kühlen der Gasturbine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf 1 weist eine Gasturbine 2 einen Verdichterabschnitt 4 und eine Brennkammer 6 auf. Der Verdichter kann ein Axialverdichter mit alternierenden Reihen von Statorleitschaufeln und Laufradlaufschaufeln sein, die in mehreren Stufen angeordnete sind, um die Luft sequentiell zu komprimieren, wobei jede stromabwärts folgende Stufe den Druck weiter steigert, bis die Luft mit einem maximalen Druck aus einem Verdichterauslass entlassen wird. Die Brennkammer 6 nimmt die verdichtete Auslassluft von dem Verdichterabschnitt 4 auf. Herkömmliche (nicht gezeigte) Brennstoffzufuhrleitungen und -injektoren sind ferner vorgesehen, um einen geeigneten Brennstoff mit der verdichteten Auslassluft zu mischen, um das Gemisch einer Verbrennung in der Brennkammer 6 zu unterwerfen, so das heiße Verbrennungsgase entstehen.
Der Turbinenabschnitt 8 ist abstromseitig der Brennkammer 6 angeordnet, und die Energie der heißen Verbrennungsgase wird durch den Turbinenabschnitt 8 in Arbeit umgewandelt. Die heißen Gase werden expandiert, und ein Teil der Wärmeenergie wird in einem Leitapparatabschnitt des Turbinenabschnitts 8 in kinetische Energie umgewandelt. Der Düsenabschnitt enthält meh rere Statorschaufeln oder Leitapparate 28, 30, 32. Beispielsweise enthält ein Leitapparat der ersten Stufe eine Statorschaufel 28, ein Leitapparat der zweiten Stufe enthält eine Statorschaufel 30, und eine dritte Stufe weist eine Statorschaufel 32 auf.
Der Turbinenabschnitt 8 weist ferner einen Schaufelabschnitt auf. In dem Schaufelabschnitt wird ein Teil der kinetischen Energie Schaufeln 40, 42, 44 zugeführt, die mit entsprechenden Laufrädern 34, 36, 38 verbunden sind, und wird umgewandelt, um Arbeit zu leisten. Das Laufrad 34 und die Schaufel 40 bilden die erste Stufe, das Laufrad 36 und die Schaufel 42 bilden die zweite Stufe, und das Laufrad 38 und die Schaufel 44 bilden die dritte Stufe. Zwischen jedem Paar Laufräder können Abstandhalter 50, 52 vorgesehen sein.
Während eines Herunterfahrens der Turbine 2 wird ein Gebläse 12 verwendet, um das Laufrad des Turbinenabschnitts 8 abzukühlen. Das Gebläse 12 kann über eine der Stufe 1 zugeordnete Verrohrung 14, die dazu eingerichtet ist, einen Luftstrom zwischen die erste und zweite Stufe zu liefern, und über eine der Stufe 2 zugeordnete Verrohrung 18, die dazu eingerichtet ist, einen Luftstrom zwischen die zweite und dritte Stufe zu liefern, mit dem Innendurchmesser einer hinteren Welle 26 einer hinteren Scheibe verbunden sein. Ein erster Satz von Rückschlagventilen, zu dem ein Gebläserückschlagventil 15 und ein Rohrleitungsrückschlagventil 17 gehören, kann in der Verrohrung 14 der Stufe 1 vorgesehen sein. Ein zweiter Satz von Rückschlagventilen, zu dem ein Gebläserückschlagventil 21 und ein Rohrleitungsrückschlagventil 19 gehören, kann in der Verrohrung 18 der Stufe 2 vorgesehen sein. In den Rohrleitungen der Stufe 1 und der Stufe 2 können jeweils Mischverzweigungen 16, 20 vorgesehen sein. In einer Abwandlung kann das Gebläse 12 durch ein Vakuum ersetzt werden, um Luft aus der Turbine 2 heraus zu saugen.
Das Gebläse 12 ist mit der Gasturbine 2 über einen eine von außen gespeiste Bohrung (EFB = Externally Fed Bore) verwendenden Kreislauf 10 verbunden, der beispielsweise auf einem Schaufelzufuhrsystem basieren kann. Im Falle bestehender Gasturbinen kann das Gebläse für die Gasturbine 2 nachgerüstet werden, indem unter der hinteren Welle 26 nachträglich ein Bohranschluss eingerichtet wird. Die Gebläseverrohrung 14, 18 kann mit dem Innendurchmesser der hinteren Welle 26 verbunden und in Verbindung mit den Rückschlagventilen 15, 17, 19, 21 verwendet werden. Im normalen Betrieb, d. h. unter von einem Herunterfahren abweichenden Bedingungen, ist das Gebläse 12 abgeschaltet, und die Gebläserückschlagventile 15, 21 sind geschlossen, und die Rohrleitungsrückschlagventile 17, 19 sind geöffnet.
Während eines Betriebs der Gasturbine 2 mit Drehzahlen, die beispielsweise beim Herunterfahren, zwischen Schaltvorgängen, während der Reinigung, usw. auftreten, wird das Gebläse 12 betätigt, um das Laufrad des Turbinenabschnitts 8 zu kühlen, und das Gebläse 12 ist geeignet dimensioniert und wird zeitlich so gesteuert, dass es die Kühlungsrate des Laufrads auf einen Wert beschleunigt, der mit der Kühlungsrate des Gehäuses der Gasturbine 2 übereinstimmt oder größer ist. Hierdurch ist es ermöglicht, die Gasturbine 2 jederzeit von neuem hochzufahren, wobei dafür gesorgt ist, dass das Laufrad dieselbe oder eine geringere Temperatur als der Stator aufweist. Der Betrieb des Gebläses 12 kann durch eine Steuereinrichtung 48 geregelt/gesteuert sein. Die Steuereinrichtung 48 kann ein speziell programmierter Universalrechner oder ein Mikroprozessor sein. Die Steuereinrichtung 48 kann auch ein ASIC sein. Die Steuereinrichtung 48 kann den Betrieb des Gebläses 12 ba sierend auf Signalen regeln, die von in dem Turbinenabschnitt, beispielsweise an dem Laufrad und dem Gehäuse angebrachten, Temperatursensoren stammen und zu der Steuereinrichtung 12 übertragen werden. Das Gebläse 12 kann während des FSFL-Betriebs zum Kühlen anderer Kraftwerkskomponenten, z. B. von Abgasauslassgehäusen verwendet werden.
Das erste Gebläserückschlagventil 15 und das zweite Gebläserückschlagventil 21 sind dazu eingerichtet, sich zu öffnen, wenn ein vorbestimmter Gasstrom durch das Gebläse 12 erzeugt wird. Das erste Rohrleitungsrückschlagventil 17 und das zweite Rohrleitungsrückschlagventil 19 sind dazu eingerichtet, sich zum diesem selben Zeitpunkt zu schließen, so dass der gesamte Gebläsestrom auf den Turbinenabschnitt 8 gelenkt wird. Es sollte klar sein, dass der erste Rückschlagventilsatz 15, 17 und der zweite Rückschlagventilsatz 19, 21 auch dazu eingerichtet sein können, sich bei übereinstimmenden oder bei unterschiedlichen Gasströmen zu öffnen. Beispielsweise kann der erste Rückschlagventilsatz 15, 17 dazu eingerichtet sein, sich bei einem ersten Gasstrom zu öffnen, und der zweite Rückschlagventilsatz 19, 21 kann dazu eingerichtet sein, sich bei einem zweiten Gasstrom zu öffnen, der größer ist als der erste Gasstrom. Es sollte klar sein, dass als Rückschlagventile auch andere Ventile genutzt werden können. Es sollte ferner klar sein, dass die Steuereinrichtung 48 dazu eingerichtet sein kann, den Betrieb des Ventils zu steuern/regeln.
In 1 ist der Kühlstrom 22 von Stufe 1 in durchgezogenen Linien gezeigt, der Kühlstrom 24 von Stufe 2 ist in gestrichelten Linien gezeigt, und ein Turbinenspülstrom 54 ist in gepunkteten Linien gezeigt.
Die Nutzung des EFB-Kreislaufs 10 und des Gebläses 12 verleiht der Gasturbine 2 einen ausreichenden Toleranzspiel raum, wie ihn die mechanische Ausdehnung und mangelnde Rundheit erlauben, mit geringeren Kosten im Vergleich zu den Optionen einer aktiven Toleranzeinhaltung von Systeme nach dem Stand der Technik. Die mit dem Gebläse 12 und dem SFB-Kreislauf 10 ausgestattete Gasturbine 2 ist in der Lage, mit engeren Toleranzen zu laufen, und kommt ohne ein kostspieliges System aus, das ständig in Betrieb ist, um die geforderten Toleranzspielräume zu erreichen. Das Gebläse 12 wird bei von FSFL abweichenden Betriebsbedingungen betrieben, wenn das Laufrad heißer ist als das Gehäuse. Es kann außerdem genutzt werden, um andere Kraftwerksfunktionen zu erfüllen, beispielsweise um das Abgasauslassgehäuses während des FSFL-Betriebs zu kühlen.
Es kann eine Wärmeleitungsanalyse ausgeführt werden, die die Gebläsekühlung des Laufrads des Turbinenabschnitts 8 während eines Herunterfahrens simuliert, um die Stärke des Luftstroms zu ermitteln, die erforderlich ist, um die Statorzeitkonstante anzupassen, um die Kühlungsrate des Laufrads an die Kühlungsrate des Gehäuses der Gasturbine 2 anzupassen. Die Toleranzspielräume werden somit geregelt/gesteuert, indem die Zeitkonstanten des Herunterfahrens an die vergrößerte Ausdehnung des Laufrads angepasst werden. Im Gegensatz zu Systemen nach dem Stand der Technik, die zur Steuerung/Regelung der Toleranzen Systeme verwenden, die entweder während des Hochfahrens oder während des FSFL-Betriebs eine Bewegung des Stators beinhalten, weist die mit dem Gebläse 12 und dem EFB-Kreislauf 10 ausgerüstete Gasturbine 2 insofern Vorteile auf, als sie zu außerhalb der konstruktionsmäßigen Bestimmung liegenden Zeiten an dem Laufrad angreift/betätigt wird, daher hinsichtlich der Produktkosten verhältnismäßig kostengünstig ist und keine Leistungsminderung der Gasturbine 2 während des FSFL-Betriebs aufweist.
Obwohl das oben beschriebene Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit einer Gasturbine beschrieben ist, sollte klar sein, dass die oben beschriebene Einrichtung und das Verfahren zum Kühlen auch auf Dampfturbinen anwendbar sind.
Die Erfindung wurde zwar anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben, von dem gegenwärtig angenommen wird, dass es sich am besten verwirklichen lässt, allerdings ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel zu beschränken, sondern soll vielmehr vielfältige Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
Ein Kühlsystem für eine Turbine 2 umfasst ein Gebläse 12, das dazu eingerichtet ist, einen Kühlgasstrom 22, 24 zu erzeugen, um diesen durch eine Laufradkammer der Turbine 2 zu leiten; eine Verrohrung 14, 18, die dazu eingerichtet ist, den Kühlgasstrom 22, 24 zu der Turbine 2 zu liefern; und wenigstens ein Ventil 15, 17; 19, 21, das dazu eingerichtet ist, den Kühlgasstrom 22, 24 zu regeln/steuern. Die Verrohrung 14, 18 ist betriebsmäßig mit dem Laufrad 34, 36, 38 der Turbine 2 verbunden. Ein Verfahren zum Kühlen einer Turbine beinhaltet die Schritte: Erzeugen eines Kühlgasstroms mittels eines Gebläses, um ihn durch eine Laufradkammer der Turbine zu leiten; und Liefern des Kühlgasstroms zu der Turbine.

Claims

Kühlsystem für eine Turbine (2), aufweisend: ein Gebläse (12), das dazu eingerichtet einen Kühlgasstrom (22, 24) zu erzeugen, um diesen durch eine Laufradkammer der Turbine (2) zu leiten; eine Verrohrung (14, 18), die dazu eingerichtet ist, den Kühlgasstrom (22, 24) zu der Turbine (2) zu liefern; und wenigstens ein Ventil (15, 17; 21, 19), das dazu eingerichtet ist, den Kühlgasstrom (22, 24) zu regeln/steuern; und wobei die Verrohrung (14, 18) betriebsmäßig mit dem Laufrad (34, 36, 38) der Turbine (2) verbunden ist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Ventil (15, 21) dazu eingerichtet ist, geschlossen zu sein, während die Turbine (2) mit voller Drehzahl und unter voller Last betrieben wird, und wobei das wenigstens eine Ventil (15, 21) dazu eingerichtet ist, geöffnet zu sein, wenn die Turbine (2) nicht mit Grundlast betrieben wird.
Kühlsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner mit einer Steuereinrichtung (48), die dazu eingerichtet ist, den Betrieb des Gebläses (12) zu regeln/steuern, um einen Luftstrom zu erzeugen, so dass eine Kühlungsrate des Laufrads im Vergleich zu einem Betrieb ohne das Gebläse beschleunigt wird.
Kühlsystem nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (48) dazu eingerichtet ist, den Betrieb des wenigstens einen Ventils (15, 17; 21, 19) zu regeln/steuern.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1–4, wobei das Kühlsystem mit einem externen Kühlmittelzufuhrkreislauf (10) verbunden ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1–5, wobei das Gebläse (12) veranlasst wird, einen Unterdruck zu erzeugen, um Kühlgas aus dem Innern der Turbine (2) abzuziehen.
Turbine, die das Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1–6 aufweist.
Verfahren zum Kühlen einer Turbine (2), mit den Schritten: Erzeugen eines Kühlgasstroms (22, 24) mittels eines Gebläses (12), um ihn durch eine Laufradkammer der Turbine (2) zu leiten; und Liefern des Kühlgasstroms (22, 24) zu der Turbine (2).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Erzeugens des Kühlgasstroms (22, 24) ein Erzeugen des Kühlgasstroms (22, 24) außerhalb eines Gehäuses der Turbine beinhaltet, und wobei der Schritt des Lieferns des Kühlgasstroms (22, 24) ein Liefern des Kühlgasstroms (22, 24) durch eine Verrohrung (14, 18) beinhaltet, die mit dem Laufrad (34, 36, 38) der Turbine (2) verbunden ist, wobei das Liefern des Kühlgasstroms durch wenigstens ein Ventil geregelt/gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Kühlgasstrom während eines Betrieb, der Turbine, der nicht Grundlastbetrieb ist, erzeugt wird, so dass eine Kühlungsrate des Laufrads der Turbine im Vergleich zu einem Betrieb ohne das Gebläse beschleunigt wird.