Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
[0001] Die hierin offenbarte Erfindung betrifft das Gebiet der Gasturbinen. Insbesondere wird die Erfindung zur Spaltregelung an der Turbinenschaufelspitze verwendet.
Beschreibung des Stand der Technik
[0002] Eine Gasturbine umfasst viele Teile, wovon sich jedes dehnen oder schrumpfen kann, wenn die Betriebsbedingungen sich ändern. Eine Turbine wirkt mit Heissgasen zusammen, die aus einer Brennkammer strömen, um eine Welle zu drehen. Die Welle ist allgemein mit einem Verdichter und in einigen Ausführungsformen mit einer Vorrichtung zur Energieaufnahme wie z.B. einem Stromgenerator gekoppelt. Die Turbine ist allgemein benachbart zur Brennkammer.
Die Turbine verwendet Laufschaufeln, die manchmal als "Schaufeln" bezeichnet werden, um die Energie der Heissgase zur Drehung der Welle zu nutzen.
[0003] Die Schaufeln rotieren im Inneren eines Mantelrings. Wenn die Heissgase auf die Schaufel auftreffen, wird die Welle gedreht. Der Mantelring wird verwendet, um zu verhindern, dass die Heissgase um die Schaufeln herum entweichen und dadurch die Welle nicht drehen.
[0004] Die Entfernung zwischen dem Ende einer Schaufel und dem Mantelring wird als "Spalt" bezeichnet. Mit zunehmendem Spalt nimmt der Wirkungsgrad der Turbine ab, da Heissgase durch den Spalt entweichen. Deshalb kann eine Spaltgrösse den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine beeinflussen.
[0005] Wenn die Spaltgrösse zu klein ist, dann kann das Wärmeverhalten der Schaufeln, des Mantelrings und anderer Komponenten Reibung der Schaufeln am Mantelring verursachen.
Wenn die Schaufeln sich gegen den Mantelring reiben, können an den Schaufeln, am Mantelring und der Turbine Schäden entstehen. Daher ist es wichtig, während verschiedener Betriebsbedingungen einen Minimalspalt beizuerhalten.
[0006] Deshalb besteht ein Bedarf an Techniken, um den Spalt zwischen Schaufeln und einem Mantelring in einer Gasturbine zu reduzieren.
Die Techniken sollten in verschiedenen Betriebsbedingungen nutzbar sein.
Kurze Beschreibung der Erfindung
[0007] Es wird eine Ausführungsform einer Gasturbine offenbart, umfassend ein Gehäuse und einen Mantelring, wobei die Gasturbine eine Befestigungsvorrichtung aufweist, die mit dem Gehäuse und mit mindestens einem vom Mantelring und einem am Mantelring befestigten Kanal starr verbunden ist, wobei die Vorrichtung dem Mantelring erlaubt, sich unabhängig vom Gehäuse zu dehnen und zu schrumpfen, und ein begrenztes axiales Nettowachstum des Mantelrings gewährleistet.
[0008] Es wird auch eine Ausführungsform einer Gasturbine offenbart, umfassend ein Gehäuse und einen Mantelring, wobei die Gasturbine eine Vielzahl von allgemein "C"-förmigen Federn aufweist,
die mit dem Gehäuse und mit mindestens einem vom Mantelring und einem am Mantelring befestigten Kanal starr verbunden sind, wobei die Vorrichtung dem Mantelring erlaubt, sich unabhängig vom Gehäuse zu dehnen und zu schrumpfen, und ein begrenztes axiales Nettowachstum des Mantelrings gewährleistet.
[0009] Ausserdem wird ein Beispiel eines Verfahrens zur Regelung eines Masses eines Mantelrings in einer Gasturbine mit einem Gehäuse offenbart, wobei das Verfahren umfasst das Bestimmen des Masses für den Mantelring;
und das Regeln einer Grösse des Mantelrings, um das Mass mithilfe einer Befestigungsvorrichtung beizubehalten, die mit dem Gehäuse und mit mindestens einem vom Mantelring und einem am Mantelring befestigten Kanal starr verbunden ist, wobei die Vorrichtung dem Mantelring erlaubt, sich unabhängig vom Gehäuse zu dehnen und zu schrumpfen, und ein begrenztes axiales Nettowachstum des Mantelrings gewährleistet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0010] Der Gegenstand der Erfindung wird in den Ansprüchen am Ende der Patentschrift besonders herausgestellt und separat beansprucht. Die obigen und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung hervor, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, wobei:
<tb>Fig. 1<sep>eine beispielhafte Ausführungsform einer Gasturbine darstellt;
<tb>Fig. 2<sep>eine Endansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Turbinenstufe ist;
<tb>Fig. 3A und Fig. 3B<sep>zusammengefasst als Fig. 3 bezeichnet, eine beispielhafte Ausführungsform eines Kanalsystems veranschaulichen, das mit einem Mantelring verbunden ist;
<tb>Fig. 4A und Fig. 4B<sep>zusammengefasst als Fig. 4 bezeichnet, eine andere beispielhafte Ausführungsform des Kanalsystems veranschaulichen;
<tb>Fig. 5<sep>eine beispielhafte Ausführungsform eines Regelungssystems darstellt; und
<tb>Fig. 6<sep>ein beispielhaftes Verfahren zur Regelung eines Masses des Mantelrings darstellt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
[0011] Die Lehren stellen Ausführungsformen von Vorrichtungen und Verfahren zur Regelung eines Spalts zwischen mehreren Schaufeln und einem Mantelring in einer Gasturbine bereit. Die Lehren gewährleisten die Regelung einer Temperatur des Mantelrings, um eine geeignete Spaltgrösse beizubehalten. Allgemein kann der Mantelring aus einem Metall bestehen. Das Metall kann sich seinem Wärmeausdehnungskoeffizienten entsprechend dehnen und schrumpfen. Es wird eine Befestigungsvorrichtung bereitgestellt, die dem Mantelring erlaubt, sich relativ zum Gehäuse der Gasturbine zu dehnen und zu schrumpfen.
Bevor ausführlich auf die Ausführungsformen eingegangen wird, werden bestimmte Definitionen gegeben.
[0012] Der Begriff "Gasturbine" bezieht sich auf eine Maschine mit kontinuierlicher Verbrennung. Die Gasturbine umfasst allgemein einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Die Brennkammer gibt heisse Gase aus, die zur Turbine geleitet werden. Der Begriff "Schaufel" bezieht sich auf eine Laufschaufel in der Turbine. Jede Schaufel weist allgemein eine aerodynamische Form auf, um die Umwandlung der auf die Schaufel auftreffenden Heissgase in Rotationsarbeit zu gewährleisten. Der Begriff "Turbinenstufe" bezieht sich auf mehrere Schaufeln, die in der Umfangsrichtung um einen Abschnitt einer Turbinenwelle angeordnet sind. Die Schaufeln der Turbinenstufe sind in einer kreisförmigen Anordnung um die Welle herum angeordnet.
Der Begriff "Mantelring" bezieht sich auf eine Struktur, um das ungehinderte Entweichen der Heissgase um die Schaufeln der Turbinenstufe herum zu verhindern. Die Struktur kann mindestens eines von zylindrisch und kegelförmig sein. Allgemeinen ist ein Mantelring für jede Turbinenstufe vorhanden. Der Begriff "Spalt" bezieht sich auf eine Entfernung zwischen einer Spitze der Schaufel und dem Mantelring. Der Begriff "Gehäuse" bezieht sich auf eine Struktur zum Tragen des Mantelrings. Der Begriff "Befestigungsvorrichtung" bezieht sich auf eine Vorrichtung, die verwendet wird, um den Mantelring durch das Gehäuse zu tragen. Der Begriff "starr verbunden" bezieht sich auf eine Art der Verbindung mit der Befestigungsvorrichtung. Die Befestigungsvorrichtung, die mit einer Struktur starr verbunden ist, wird sich an der Verbindungsstelle mit der Struktur nicht bewegen oder verschieben.
Der Begriff "axiales Nettowachstum" bezieht sich auf einen Versatz des Mantelrings entlang der Längsachse der Gasturbine. Der Begriff "Reibung" bezieht sich auf mindestens eine Schaufel, die mit dem Mantelring in Kontakt kommt. Reibung verursacht allgemein Schäden an der Gasturbine. Der Begriff "Ablasswärme" bezieht sich auf Luft, die vom Verdichter entnommen wird, bevor die Luft in die Brennkammer geleitet wird.
[0013] Fig. 1 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Gasturbine 1. Die Gasturbine 1 umfasst einen Verdichter 2, eine Brennkammer 3 und eine Turbine 4. Der Verdichter 2 ist durch eine Turbinenwelle 5 mit der Turbine 4 verbunden. In der Ausführungsform von Fig. 1, ist die Turbinenwelle 5 auch mit einem Stromgenerator 6 verbunden. Die Turbine 4 weist Turbinenstufen 7, jeweilige Mantelringe 8 und ein Gehäuse 9 auf.
Die Turbine 4 wird im Folgenden ausführlicher beschrieben. In Fig. 1 wird auch eine Axialrichtung 11 angegeben, die parallel zur Welle 5 liegt, und eine Radialrichtung 12, die für Radialrichtungen normal zur Welle 5 repräsentativ ist.
[0014] Fig. 2 zeigt eine Endansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Turbinenstufe 7 der Turbine 4. In Fig. 2 wird ein Spalt 20 veranschaulicht. Der in Fig. 2 gezeigte Mantelring 8 umschliesst mehrere Schaufeln 27 um etwa 360 Grad. In einigen Ausführungsformen ist der Mantelring 8 aus einer Vielzahl von Mantelringsegmenten aufgebaut, die mehrere Bogensegmente einschliessen, wobei jedes Segment kleiner als 360 Grad ist. Indem die Temperatur des Mantelrings 8 geregelt wird, kann Spalt 20 minimiert werden, ohne die Reibungsgefahr zu erhöhen.
Der Mantelring 8 wird von mehreren Befestigungsvorrichtungen getragen.
[0015] In Fig. 2 wird der Mantelring 8 durch mehrere Vorrichtungen 22 vom Gehäuse 9 getragen. Ein Ende jeder Befestigungsvorrichtung 22 ist mit dem Mantelring 8 starr verbunden. Das andere Ende der Befestigungsvorrichtung 22 ist mit dem Gehäuse 9 starr verbunden. Die Befestigungsvorrichtungen 22 tragen den Mantelring 8 und lassen die Wärmedehnung und -Schrumpfung des Mantelrings 8 zu, wobei sie die Rundheit unabhängig vom Gehäuse 9 aufrechterhalten. Die Vielzahl von Befestigungsvorrichtungen 22 ist allgemein in der Umfangsrichtung um den Mantelring 8 herum abgeordnet. Eine beispielhafte Ausführungsform der Befestigungsvorrichtung 22 ist eine Feder.
Ein Kanalsystem kann verwendet werden, um Luft für mindestens entweder eine Kühlung oder Erwärmung oder Beides des Mantelrings 8 zuzuführen, um den Spalt 20 zu regeln.
[0016] Fig. 3 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform des Mantelrings 8, der mit einem Kanalsystem 30 verbunden, ist. In der Ausführungsform von Fig. 3 wird das Kanalsystem 30 durch eine Vielzahl von Befestigungsvorrichtungen 22 vom Gehäuse 9 getragen. In Fig. 3A weist das Kanalsystem 30 einen Einlass 33 auf, um dem Kanalsystem 30 Luft zuzuführen. Dementsprechend weist das Kanalsystem 30 einen Auslass 34 auf, um die Luft auszulassen. Das Kanalsystem 30 kann erwärmte Luft zur Erwärmung oder gekühlte Luft zur Kühlung leiten.
Aufgrund der Wärmeübertragung zwischen der Luft im Kanalsystem 30 und dem Mantelring 8 kann sich die Temperatur der Luft am Einlass 33 von der Temperatur der Luft am Auslass 34 unterscheiden. Verschiedene Lufttemperaturen am Einlass 33 und am Auslass 34 können zur Formänderung des Mantelrings 8 führen.
[0017] Die Formänderung des Mantelrings 8 kann zu Unrundheit führen. Wenn der Mantelring 8 unrund ist, kann der Spalt 20 um einen Umfang des Mantelrings 8 herum variieren. Mit zunehmender Formänderung wird ein Punkt erreicht, an dem eine Reibung auftritt. Um die Formänderung zu begrenzen, sind im Kanalsystem 30 zwei Strömungswege vorgesehen.
[0018] Ein erster Strömungsweg 31 und ein zweiter Strömungsweg 32 werden in Fig. 3B veranschaulicht.
Um Temperaturschwankungen um den Mantelring 8 herum zu minimieren, strömt die Luft im zweiten Strömungsweg 32 in einer Richtung 37, die entgegengesetzt zur Richtung 36 der Luft ist, die im ersten Strömungsweg 31 strömt. Zur Wärmeübertragung zwischen dem ersten Strömungsweg 31 und dem zweiten Strömungsweg 32 wird auch eine Leitplatte 35 verwendet, wie in Fig. 3B gezeigt. Die Verwendung des Gegenstroms und der Leitplatte 35 wirkt, um Temperaturschwankungen um den Mantelring 8 herum zu minimieren. Auch wenn die Ausführungsform von Fig. 3B zwei Strömungswege zeigt, können mehr Strömungswege verwendet werden. Der erste Strömungsweg 31 und der zweite Strömungsweg 32 liegen allgemein normal zur Welle 5.
Das Kanalsystem 30 von Fig. 3 wird ein "Gegenstrom-Kanalsystem mit zweifacher Kreuzleitung" genannt.
[0019] Fig. 4 veranschaulicht eine andere beispielhafte Ausführungsform des Kanalsystems 30. In Fig. 4A und Fig. 4B weist das Kanalsystem 30 Nuten 40 zur Verbindung der Segmente auf, die zum Aufbau des Mantelrings 8 verwendet werden. In der Ausführungsform von Fig. 4 sind die Befestigungsvorrichtungen 22 Federn. In Fig. 4A weist jede Befestigungsvorrichtung 22 eine Befestigungsschiene Schiene 41 auf, um jede Befestigungsvorrichtung 22 starr mit dem Gehäuse 9 zu verbinden. Jede Befestigungsvorrichtung 22 ist auch mit dem Kanalsystem 30 starr verbunden. Allgemein wird ein Regelkreis verwendet, um ein Mass des Mantelrings 8 zu regeln.
Bei den Ausführungsformen von Fig. 3 und 4 wird der Luftstrom zu jedem vom ersten Strömungsweg 31 und zweiten Strömungsweg 32 durch einen zugehörigen Regelkreis geregelt.
[0020] Fig. 5 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Durchflussregelungssystems 50. Die Erläuterung des Durchflussregelungssystems 50 bezieht sich auf den ersten Strömungsweg 31. Doch die Erläuterung gilt auch für den zweiten Strömungsweg 32 und jeden anderen Strömungsweg. Das Durchflussregelungssystem 50 weist ein Regelventil 51 zum Regeln des Luftstroms durch den ersten Strömungsweg 31 auf. Das Durchflussregelungssystem 50 umfasst auch einen Durchflussregler 52 und mindestens einen Sensor 53. Der Sensor 53 kann mindestens eines von einem Durchflusssensor, einem Temperatursensor, einem Drucksensor, einem Entfernungssensor und andere Arten von Sensoren sein.
Zum Beispiel kann der Sensor 53 die Temperatur des Mantelrings 8 messen. Anhand der Temperatur des Mantelrings 8 kann der Durchflussregler 52 den Luftstrom durch das Regelventil 51 regulieren, um die Temperatur des Mantelrings 8 zu regeln. Eine Quelle 54 der Luft zum Regelventil 51 kann mindestens eines von Ablasswärme für erwärmte Luft, Gebläseluft für gekühlte Luft und sonstige Quellen sein. Luft aus der Quelle 54 weist allgemein einen Druck auf, der grösser ist als der atmosphärische Druck, um den Durchfluss durch den ersten Strömungsweg 31 zu gewährleisten. Wenn der Druck nicht ausreicht, um den erforderlichen Durchfluss zu gewährleisten, kann ein Gebläse verwendet werden, um den erforderlichen Durchfluss zu erreichen.
Auch wenn dies in Fig. 5 nicht dargestellt ist, kann die Quelle 54 vom Durchflussregler 52 gewählt werden, um Luft mit einer Temperatur zuzuführen, die zur Regelung des Spalts 20 benötigt wird. Das Durchflussregelungssystem 50 weist auch die Befestigungsvorrichtungen 22 auf, um dem Kanalsystem 30 die Dehnung und Schrumpfung unabhängig vom Gehäuse 9 zu ermöglichen.
[0021] Allgemein werden detaillierte Analysen und Tests durchgeführt, um einen Sollwert zu bestimmen. In Situationen z.B., wo die Luftquelle 54 eine annähernd konstante Temperatur aufweist, können die detaillierten Analysen und Tests die Bestimmung mindestens einer Luftdurchflussmenge zum Anfahren, zum Abstellen, für den Dauerbetrieb bei Vollleistung und für den Betrieb bei weniger als der Vollleistung umfassen.
Als ein anderes Beispiel kann ein Sensor verwendet werden, um den Spalt 20 zu messen, während die Luftdurchflussmenge und die Temperatur der Quelle 54 angepasst werden, um einen Sollwert für den Spalt 20 beizubehalten.
[0022] Fig. 6 stellt ein beispielhaftes Verfahren 60 zur Regelung des Spalts 20 dar. Der Spalt 20 kann durch Regelung eines Masses wie z.B. eines Durchmessers des Mantelrings 8 geregelt werden. Das Verfahren 60 erfordert die Bestimmung 61 eines Masses des Mantelrings 8. Ausserdem erfordert das Verfahren 60 die Regelung 62 einer Grösse des Mantelrings 8, um das Mass beizubehalten. Das Verfahren 60 wird mithilfe der Befestigungsvorrichtung 22 implementiert.
[0023] Das Verfahren 60 kann durch ein Computerprogramm implementiert werden, das zum Regelungssystem 50 gehört.
Das Computerprogramm ist allgemein auf maschinenlesbaren Medien gespeichert und umfasst maschinenlesbare Anweisungen zur Regelung eines Masses des Mantelrings 8 in der Gasturbine 1.
[0024] Die technische Wirkung des Computerprogramms ist die Erhöhung des Wirkungsgrads der Gasturbine 1 durch Regelung des Spalts 20.
[0025] Die obige Erläuterung bezieht sich auf den Luftstrom durch das Kanalsystem 30 zur Wärmeübertragung. Es versteht sich, dass im Kanalsystem 30 auch andere Formen von Medien wie Flüssigkeiten und Gase zur Wärmeübertragung verwendet werden können. Beispielhafte Ausführungsformen anderer Medien sind Wasser und Dampf. Es versteht sich auch, dass dem Medium Zusatzstoffe wie z.B. Korrosionsschutzmittel zugesetzt werden können.
[0026] Die Befestigungsvorrichtungen 22 können verschiedene Ausführungsformen aufweisen.
Die Ausführungsformen erlauben dem Mantelring 8, sich unabhängig vom Gehäuse 9 in der Radialrichtung 12 zu dehnen und zu schrumpfen. Die Befestigungsvorrichtungen 22 halten den Mantelring 8 auch in der Axialrichtung 11 in Position halten. Die Befestigungsvorrichtungen 22 sorgen für ein axiales Nettowachstum, dass mindestens eines von begrenzt und etwa null ist.
[0027] Wie oben erläutert, ist eine Ausführungsform der Befestigungsvorrichtung 22 die Feder. Die Feder kann verschiedene Formen aufweisen. Eine Form weist allgemein die Form eines "C" auf. Eine andere Form kann allgemein die Form eines "W" aufweisen. Eine weitere Ausführungsform der Befestigungsvorrichtung 22 ist eine mechanische Verbindung.
Die Bewegung der mechanischen Verbindung kann durch eine Feder eingeschränkt werden.
[0028] Die Lehren sehen vor, dass die Befestigungsvorrichtungen 22 verschiedene Bogensegmente aufweisen können, die durch eine Gradzahl gemessen werden können. Zum Beispiel kann die Gasturbine 1 eine Befestigungsvorrichtung 22 mit einem Bogensegment von 360D umfassen. Als ein anderes Beispiel kann die Gasturbine 1 mehrere Befestigungsvorrichtungen 22 aufweisen. Wenn mehrere Befestigungsvorrichtungen 22 benutzt werden, weist jede Befestigungsvorrichtung 22 allgemein ein Bogensegment kleiner als etwa 180 deg. auf.
[0029] Verschiedene Komponenten können eingeschlossen und erforderlich sein, um Aspekte der Lehren hierin zu gewährleisten. Zum Beispiel kann der Durchflussregler 52 mindestens eines von einem analogen System und einem digitalen System umfassen.
Das digitale System kann mindestens eines von einem Prozessor, Arbeitsspeicher, Datenspeicher, einer Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle, Eingabe/Ausgabe-Geräte und einer Kommunikationsschnittstelle umfassen. Im Allgemeinen kann das auf maschinenlesbaren Medien gespeicherte Computerprogramm in das digitale System eingegeben werden. Das Computerprogramm enthält Anweisungen, die vom Prozessor zur Regelung des Spalts 20 ausgeführt werden können. Die verschiedenen Komponenten können zur Unterstützung der verschiedenen Aspekte vorgesehen sein, die hierin erläutert wurden, oder zur Unterstützung anderer Funktionen, die über diese Offenbarung hinaus gehen.
[0030] Es versteht sich, dass die verschiedenen Komponenten oder Technologien bestimmte notwendige oder vorteilhafte Funktionalitäten oder Merkmale gewährleisten können.
Folglich sind diese Funktionen und Merkmale, die zur Unterstützung der beiliegenden Ansprüche und Varianten davon erforderlich sind, als Bestandteil der Lehren hierin und als Teil der offenbarten Erfindung zu verstehen.
[0031] Auch wenn die Erfindung Bezug nehmend auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente für Elemente davon eingesetzt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich werden dem Fachmann viele Modifikationen einfallen, um ein bestimmtes Instrument, eine Situation oder ein Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichen Umfang abzuweichen.
Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung sich nicht auf die spezifische Ausführungsform beschränkt, die als die beste Art der Ausführung dieser Erfindung betrachtet wird, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen einschliesst, die im Umfang der beiliegenden Ansprüche liegen.
Background of the invention
Field of the invention
The invention disclosed herein relates to the field of gas turbines. In particular, the invention is used for gap control on the turbine blade tip.
Description of the Prior Art
A gas turbine includes many parts, each of which can stretch or shrink as operating conditions change. A turbine cooperates with hot gases flowing from a combustion chamber to rotate a shaft. The shaft is generally provided with a compressor and, in some embodiments, with a power take-up device, e.g. coupled to a power generator. The turbine is generally adjacent to the combustion chamber.
The turbine uses blades, sometimes referred to as "blades," to utilize the energy of the hot gases to rotate the shaft.
The blades rotate inside a shroud. When the hot gases hit the bucket, the shaft is rotated. The shroud ring is used to prevent the hot gases from escaping around the blades and thereby not rotating the shaft.
The distance between the end of a blade and the shroud ring is referred to as a "gap". With increasing gap, the efficiency of the turbine decreases as hot gases escape through the gap. Therefore, a gap size can affect the overall efficiency of the gas turbine.
If the gap size is too small, then the thermal behavior of the blades, shroud and other components can cause friction of the blades on the shroud.
If the blades rub against the shroud, damage to the blades, shroud and turbine can occur. Therefore, it is important to maintain a minimum gap during various operating conditions.
Therefore, there is a need for techniques to reduce the gap between blades and a shroud in a gas turbine engine.
The techniques should be usable in different operating conditions.
Brief description of the invention
It is disclosed an embodiment of a gas turbine, comprising a housing and a shroud, wherein the gas turbine has a fastening device which is rigidly connected to the housing and at least one of the shroud and attached to the shroud channel, wherein the device the shroud allows it to stretch and shrink independently of the housing, and to provide limited net axial growth of the shroud.
[0008] Also disclosed is an embodiment of a gas turbine comprising a housing and a shroud, the gas turbine having a plurality of generally "C" shaped springs,
which are rigidly connected to the housing and to at least one channel fixed to the shroud and a shroud ring, the device allowing the shroud to expand and shrink independently of the housing, and to provide limited net axial growth of the shroud.
In addition, an example of a method for controlling a mass of a shroud in a gas turbine having a housing is disclosed, the method comprising determining the dimension for the shroud;
and controlling a size of the shroud to maintain the mass by means of a fastener rigidly connected to the housing and to at least one of the shroud and a channel attached to the shroud, the device allowing the shroud to expand independently of the housing and to shrink, and ensures a limited axial net growth of the shroud.
Brief description of the drawings
The object of the invention is particularly emphasized in the claims at the end of the patent and claimed separately. The above and other features and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:
<Tb> FIG. 1 <sep> represents an exemplary embodiment of a gas turbine;
<Tb> FIG. Fig. 2 <sep> is an end view of an exemplary embodiment of a turbine stage;
<Tb> FIG. 3A and 3B <sep>, collectively referred to as FIG. 3, illustrate an exemplary embodiment of a channel system connected to a shroud ring;
<Tb> FIG. 4A and 4B <sep>, collectively referred to as FIG. 4, illustrate another exemplary embodiment of the channel system;
<Tb> FIG. Fig. 5 illustrates an exemplary embodiment of a control system; and
<Tb> FIG. Fig. 6 illustrates an exemplary method of controlling a dimension of the shroud.
Detailed description of the invention
The teachings provide embodiments of apparatus and methods for controlling a gap between a plurality of blades and a shroud in a gas turbine. The teachings provide control over a temperature of the shroud to maintain a suitable gap size. Generally, the shroud can be made of a metal. The metal can stretch and shrink according to its thermal expansion coefficient. There is provided a fastening device that allows the shroud to stretch and shrink relative to the housing of the gas turbine.
Before going into the embodiments in detail, certain definitions will be given.
The term "gas turbine" refers to a continuous combustion engine. The gas turbine generally includes a compressor, a combustor and a turbine. The combustion chamber releases hot gases that are directed to the turbine. The term "bucket" refers to a bucket in the turbine. Each blade generally has an aerodynamic shape to ensure conversion of the hot gases impinging on the blade to rotational work. The term "turbine stage" refers to a plurality of blades arranged in the circumferential direction about a portion of a turbine shaft. The blades of the turbine stage are arranged in a circular arrangement around the shaft.
The term "shroud" refers to a structure to prevent the unhindered escape of the hot gases around the blades of the turbine stage. The structure may be at least one of cylindrical and conical. Generally there is a shroud for each turbine stage. The term "gap" refers to a distance between a tip of the blade and the shroud. The term "housing" refers to a structure for supporting the shroud. The term "fastener" refers to a device that is used to support the shroud through the housing. The term "rigidly connected" refers to a type of connection with the fastening device. The fastening device, which is rigidly connected to a structure, will not move or move at the juncture with the structure.
The term "axial net growth" refers to an offset of the shroud along the longitudinal axis of the gas turbine. The term "friction" refers to at least one blade that comes into contact with the shroud. Friction generally causes damage to the gas turbine. The term "waste heat" refers to air taken from the compressor before the air is directed into the combustion chamber.
Fig. 1 illustrates an exemplary embodiment of a gas turbine 1. The gas turbine 1 comprises a compressor 2, a combustion chamber 3 and a turbine 4. The compressor 2 is connected to the turbine 4 through a turbine shaft 5. In the embodiment of FIG. 1, the turbine shaft 5 is also connected to a power generator 6. The turbine 4 has turbine stages 7, respective shrouds 8 and a housing 9.
The turbine 4 will be described in more detail below. In Fig. 1, an axial direction 11 is also indicated, which is parallel to the shaft 5, and a radial direction 12, which is representative of radial directions normal to the shaft 5.
Fig. 2 shows an end view of an exemplary embodiment of a turbine stage 7 of the turbine 4. In Fig. 2, a gap 20 is illustrated. The shroud 8 shown in Fig. 2 encloses a plurality of blades 27 by about 360 degrees. In some embodiments, the shroud 8 is constructed of a plurality of shroud segments including a plurality of arcuate segments, each segment being less than 360 degrees. By controlling the temperature of the shroud 8, gap 20 can be minimized without increasing the risk of friction.
The shroud 8 is supported by a plurality of fastening devices.
In Fig. 2, the shroud 8 is supported by a plurality of devices 22 from the housing 9. One end of each fastening device 22 is rigidly connected to the shroud 8. The other end of the fastening device 22 is rigidly connected to the housing 9. The fasteners 22 carry the shroud 8 and allow the thermal expansion and shrinkage of the shroud 8, while maintaining the roundness regardless of the housing 9. The plurality of fasteners 22 are generally seconded in the circumferential direction about the shroud 8. An exemplary embodiment of the fastening device 22 is a spring.
A channel system may be used to supply air for at least either cooling or heating or both of the shroud 8 to control the gap 20.
FIG. 3 illustrates an exemplary embodiment of the shroud 8 connected to a channel system 30. In the embodiment of FIG. 3, the channel system 30 is supported by the housing 9 by a plurality of fasteners 22. In Fig. 3A, the duct system 30 has an inlet 33 for supplying air to the duct system 30. Accordingly, the duct system 30 has an outlet 34 to vent the air. The channel system 30 may direct heated air for heating or cooled air for cooling.
Due to the heat transfer between the air in the duct system 30 and the shroud 8, the temperature of the air at the inlet 33 may differ from the temperature of the air at the outlet 34. Different air temperatures at the inlet 33 and at the outlet 34 can lead to a change in shape of the shroud 8.
The change in shape of the outer ring 8 can lead to out-of-roundness. When the shroud 8 is out of round, the gap 20 may vary around a circumference of the shroud 8. As the shape changes, a point is reached where friction occurs. In order to limit the change in shape, two flow paths are provided in the duct system 30.
A first flow path 31 and a second flow path 32 are illustrated in Fig. 3B.
In order to minimize temperature fluctuations around the shroud 8, the air in the second flow path 32 flows in a direction 37 opposite to the direction 36 of the air flowing in the first flow path 31. For heat transfer between the first flow path 31 and the second flow path 32, a guide plate 35 is also used, as shown in Fig. 3B. The use of the countercurrent and baffle 35 acts to minimize temperature fluctuations around the skirt 8. Although the embodiment of FIG. 3B shows two flow paths, more flow paths may be used. The first flow path 31 and the second flow path 32 are generally normal to the shaft 5.
The channel system 30 of Fig. 3 is called a "double cross-line countercurrent channel system".
FIG. 4 illustrates another exemplary embodiment of the channel system 30. In FIGS. 4A and 4B, the channel system 30 has grooves 40 for connecting the segments used to construct the shroud 8. In the embodiment of Fig. 4, the fastening devices 22 are springs. In Fig. 4A, each fastening device 22 has a mounting rail rail 41 to rigidly connect each fastening device 22 to the housing 9. Each attachment device 22 is also rigidly connected to the channel system 30. Generally, a control loop is used to control a dimension of the shroud 8.
In the embodiments of FIGS. 3 and 4, the air flow to each of the first flow path 31 and second flow path 32 is regulated by an associated control loop.
Fig. 5 illustrates an exemplary embodiment of a flow control system 50. The explanation of the flow control system 50 relates to the first flow path 31. However, the explanation also applies to the second flow path 32 and any other flow path. The flow control system 50 includes a control valve 51 for controlling the flow of air through the first flow path 31. The flow control system 50 also includes a flow regulator 52 and at least one sensor 53. The sensor 53 may be at least one of a flow sensor, a temperature sensor, a pressure sensor, a range sensor, and other types of sensors.
For example, the sensor 53 may measure the temperature of the shroud 8. Based on the temperature of the shroud 8, the flow regulator 52 can regulate the flow of air through the control valve 51 to control the temperature of the shroud 8. A source 54 of air to the control valve 51 may be at least one of heated air vent heat, cooled air blower air, and other sources. Air from the source 54 generally has a pressure greater than the atmospheric pressure to ensure flow through the first flow path 31. If the pressure is insufficient to provide the required flow, a blower can be used to achieve the required flow.
Although not shown in FIG. 5, the source 54 may be selected by the flow regulator 52 to supply air at a temperature needed to control the gap 20. The flow control system 50 also includes the fasteners 22 to allow the channel system 30 to expand and contract independently of the housing 9.
Generally, detailed analyzes and tests are performed to determine a setpoint. For example, in situations where the air source 54 is at an approximately constant temperature, the detailed analyzes and tests may include determining at least one of a start-up, shut-down, full-power, and less than full-power operation.
As another example, a sensor may be used to measure the gap 20 while adjusting the air flow rate and temperature of the source 54 to maintain a setpoint for the gap 20.
Fig. 6 illustrates an exemplary method 60 for controlling the gap 20. The gap 20 may be formed by controlling a mass such as e.g. a diameter of the shroud 8 are regulated. The method 60 requires the determination 61 of a measure of the shroud 8. In addition, the method 60 requires the control 62 of a size of the shroud 8 to maintain the dimension. The method 60 is implemented using the fixture 22.
The method 60 may be implemented by a computer program associated with the control system 50.
The computer program is generally stored on machine-readable media and includes machine-readable instructions for controlling a dimension of the shroud 8 in the gas turbine 1.
The technical effect of the computer program is to increase the efficiency of the gas turbine 1 by regulating the gap 20th
The above explanation relates to the air flow through the channel system 30 for heat transfer. It is understood that other forms of media such as liquids and gases can be used in the duct system 30 for heat transfer. Exemplary embodiments of other media are water and steam. It is also understood that additives such as e.g. Corrosion inhibitor can be added.
The fastening devices 22 may have various embodiments.
The embodiments allow the shroud 8 to expand and shrink independently of the housing 9 in the radial direction 12. The fasteners 22 hold the shroud 8 also in the axial direction 11 in position. The fasteners 22 provide net axial growth that is at least one of limited and approximately zero.
As explained above, one embodiment of the fastening device 22 is the spring. The spring may have various shapes. A shape is generally in the form of a "C". Another shape may generally be in the form of a "W". Another embodiment of the fastening device 22 is a mechanical connection.
The movement of the mechanical connection can be restricted by a spring.
The teachings provide that the fasteners 22 may have different arc segments that can be measured by a number of degrees. For example, the gas turbine 1 may include a fastener device 22 having an arc segment of 360D. As another example, the gas turbine 1 may include a plurality of fasteners 22. When multiple fasteners 22 are used, each fastener 22 generally has an arc segment less than about 180 degrees. on.
Various components may be included and required to ensure aspects of the teachings herein. For example, the flow controller 52 may include at least one of an analog system and a digital system.
The digital system may include at least one of a processor, memory, data storage, an input / output interface, input / output devices, and a communication interface. In general, the computer program stored on machine-readable media can be entered into the digital system. The computer program contains instructions that can be executed by the processor to control the gap 20. The various components may be provided to support the various aspects discussed herein or to support other functions beyond those disclosures.
It is understood that the various components or technologies may provide certain necessary or advantageous functionalities or features.
Thus, those functions and features necessary to support the appended claims and variants thereof are to be understood as forming part of the teachings herein and as part of the disclosed invention.
Although the invention has been described with reference to exemplary embodiments, it should be understood that various changes may be made and equivalents may be substituted for elements thereof without departing from the scope of the invention. In addition, many modifications will occur to those skilled in the art to adapt a particular instrument, situation or material to the teachings of the invention without departing from the essential scope thereof.
Therefore, it is intended that the invention not be limited to the specific embodiment considered to be the best mode of practicing this invention, but that the invention include all embodiments falling within the scope of the appended claims.