[0001] Die Erfindung betrifft einen Aufbau und ein Verfahren zur Verbesserung des Turbinenleistungsvermögens, und insbesondere einen Kühlkreis, der Kompressorentladeluft abzweigt, um die gesamte erforderliche Spülströmung zu unterstützen und kritische Turbinenkomponenten zu kühlen.
[0002] Die hinter der Hochdruckdichtung (HPP) einer Gasturbine austretende Kompressorentladeluft wird typischerweise über den ersten vorderen Radraum, zwischen den Düsen und Schaufeln der ersten Stufe, an den primären Gaspfad zurückgeleitet. Dieser sekundäre Strömungspfad wird als der HPP-Kreis bezeichnet.
Diese Luft wird für zwei Zwecke verwendet:
(1) : wird sie als Spülstrom in dem ersten Radraum verwendet, um eine Heissgasansaugung zu verhindern; und
(2) : kühlt sie kritische Komponenten in dem HPP-Kreis.
[0003] Einige der kritischen Komponenten in dem HPP-Kreis schliessen die Kompressor-Ankerbolzen, die Kompressor-Turbinen-Verbindung, den Düsenträgerring und das Rad der ersten Stufe ein.
[0004] In einigen Konstruktionen ist das Strömungsniveau in dem HPP-Kreis auf Grund von Anforderungen bezüglich Komponententemperatur höher als die Radraumspülungsanforderungen. Eine ideale Lösung sollte daher die gesamte Kreisströmung auf ein Niveau verringern, dass die Anforderungen bezüglich Radraumspülung erfüllt, während alle kritischen Komponenten in dem Kreis unterhalb der gewünschten Anforderungen bezüglich der Temperatur gehalten werden.
Darüber hinaus kann eine bevorzugte Lösung auch schwankende Umgebungs- und Turbinenbetriebsbedingungen auf robuste Weise bewältigen. Schliesslich sollte die Lösung auch bei bestehenden Anlagen nachgerüstet werden können.
[0005] In einer bestehenden Turbinenkonstruktion von General Electric (der 9H-Turbine) verwendet ein HPP-Kreis ein Bypass-System für gekühlte Kühlluft. Der Kreis verwendet einen Wärmetauscher, um die entnommene Kompressorentladeluft zu kühlen und die gekühlte Kühlluft vor den HPP-Kreis zu leiten, um nicht nur die Komponenten der letzten Stufen des Kompressors zu kühlen, sondern um auch zu verhindern, dass die Strömung einer der letzten Stufen in den HPP-Kreis gelangt. Dieses System setzt eine herkömmliche Dichtung und unternimmt keinen Versuch, um die hinter herkömmlichen Winkelflügeldichtungen erforderliche Spülströmung zu regulieren.
Die gekühlte Kühlluft kann nicht geregelt werden.
[0006] In anderen Turbinenkonstruktionen wurden Bürstendichtungen implementiert, um die Spülströmung zu verringern. Dort wird jedoch auf Grund niedrigerer Kompressorentladetemperaturen und in der Folge niedrigerer Temperaturen in dem HPP-Kreis, was in entsprechenden Radraumtemperaturtoleranzen resultiert, keine gekühlte Kühlluft benötigt.
Kurze Beschreibung der Erfindung
[0007] In einer beispielhaften Ausführungsform dient ein Kühlkreis in einer Gasturbine zur Steigerung der Strömung in einem Hochdruckdichtungs- (HPP-)Kreis der Turbine. Der Kühlkreis schliesst ein Einlassrohr, das Kompressorentladeluft empfängt, und zumindest ein Rohr für gekühlte Kühlluft in Fluidverbindung mit dem Einlassrohr über einen Rohrverteiler ein.
Der Rohrverteiler verteilt die Entladeluft auf das zumindest eine Rohr für gekühlte Kühlluft. Eine oberstromige Dichtung ist oberstromig eines Eingangs in den HPP-Kreis angeordnet, und eine unterstromige Dichtung ist unterstromig des HPP-Kreises angeordnet.
[0008] In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform schliesst ein Verfahren zur Verbesserung des Turbinenleistungsvermögens unter Verwendung eines Kühlkreises durch Steigerung der Strömung in einem Hochdruckdichtungs- (HPP-)Kreis der Turbine die Schritte ein, dass die Kompressorentladeluft in einem Einlassrohr aufgenommen wird; dass die Entladeluft auf eine Vielzahl von Rohren für gekühlte Kühlluft verteilt wird;
und dass eine oberstromige Dichtung oberstromig eines Eingangs in den HPP-Kreis angeordnet wird, um die in den HPP-Kreis eintretende Luft zu regulieren, und eine unterstromige Dichtung unterstromig des HPP-Kreises angeordnet wird, um den Bedarf an Radraumspülluft zu regulieren.
[0009] In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform schliesst der Kühlkreis ein Einlassrohr ein, das Kompressorentladeluft empfängt; zumindest ein Rohr für gekühlte Kühlluft in Fluidverbindung mit dem Einlassrohr über einen Rohrverteiler, wobei der Rohrverteiler die Entladeluft auf das zumindest eine Rohr für gekühlte Kühlluft verteilt; eine Kühlquelle in direktem Kontakt mit zumindest einem der Rohre für gekühlte Kühlluft und der abgezweigten Luft;
ein zwischen dem Einlassrohr und dem zumindest einen Rohr für gekühlte Kühlluft eingebrachtes Ventil, wobei das Ventil die Massenströmung und eine Temperatur der abgezweigten Luft auf der Grundlage einer Temperatur des HPP-Kreises einstellt; eine oberstromige Dichtung, die oberstromig eines Eingangs in den HPP-Kreis angeordnet ist; und eine unterstromige Dichtung, die unterstromig des HPP-Kreises angeordnet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0010]
<tb>Fig. 1<sep>zeigt den Kühlkreis einer beispielhaften Ausführungsform; und
<tb>Fig. 2<sep>zeigt den Kühlkreis einer alternativen beispielhaften Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
[0011] Unter Bezugnahme auf Fig. 1 verwendet das System eine Dichtung 12, wie etwa eine Bürstendichtung, eine einstellbare Dichtung oder dergleichen, um eine übermässige Strömung von dem Kompressorentladeluft- und sekundären (oder Bypass-) System für gekühlte Kühlluft zu verhindern, um so den gesamten erforderlichen Spülstrom zu liefern und kritische Komponenten zu kühlen.
Eine einstellbare Dichtung kann eine Dichtung sein, die im Laufe von Motorübergangszuständen zurückgezogen wird, um einen Verschleiss oder eine Beschädigung der Dichtung zu minimieren, oder eine Dichtung, die im Zuge von Wartungsarbeiten eine Einstellung erlaubt, um eine Abnützung der Dichtung im Betrieb auszugleichen.
[0012] Die Dichtung 12 ist oberstromig oder benachbart zu dem Eingang in den HPP-Kreis vor allen kritischen Komponenten sowie vor der bestehenden Wabendichtung angeordnet. Wie bereits erwähnt kann die Dichtung eine herkömmliche Bürstendichtung, eine einstellbare Dichtung mit einem Stellsystem oder dergleichen sein.
[0013] Ein Einlassrohr 14 ist angeordnet, um Kompressorentladeluft aufzunehmen.
Vorzugsweise schliesst der Kreis zwei Einlassrohre 14 von etwa 3 ¾ ¾ Durchmesser ein.
[0014] Abgezweigte Luft in dem Einlassrohr 14 strömt über einen Rohrverteiler 18 an eine Vielzahl von Rohren für gekühlte Kühlluft 16. Der Rohrverteiler 18 verteilt die Entladeluft von den Einlassrohren 14 auf die Rohre für gekühlte Kühlluft 16. Die Rohre für gekühlte Kühlluft 16 leiten die Kompressorentladeluft zu dem HPP-Kreis.
[0015] In einer bevorzugten Anordnung schliesst der Kühlkreis zwölf Rohre für gekühlte Kühlluft ein, die am vertikalen Flansch des Kompressorentladegehäuses durchdringen und entlang der Verstrebung des Kompressorentladegehäuses an den Hinterkannten verlaufen. Die Rohre für gekühlte Kühlluft haben vorzugsweise einen Durchmesser von 3/4 ¾ ¾ oder 1 ¾ ¾.
Die Positionierung über den Verstrebungen des Kompressorentladegehäuses dient dazu, den aerodynamischen Einfluss auf den Hauptgasstrom zu minimieren. Eine rechnergestützte Analyse der Fluiddynamik wurde durchgeführt, um sicherzustellen, dass das zusätzliche Rohrsystem nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Hauptgasstrom ausübt. Die Rohre 16 durchdringen des Weiteren über geeignete Öffnungen den Flansch der Innentrommel des Kompressorentladegehäuses.
[0016] Der Kreis schliesst vorzugsweise zusätzlich eine Kühlquelle in Verbindung entweder mit dem Einlassrohr 14 oder mit den Rohren für gekühlte Kühlluft 16 oder mit beiden ein. In einer Anordnung umfasst die Kühlquelle Umgebungsluft, die dazu dient den Luftstrom zu kühlen, während er durch die Rohre für gekühlte Kühlluft 16 strömt.
Alternativ kann die Kühlquelle einen Wärmetauscher 20 wie etwa einen Wärmetauscher vom Rohrbündeltyp oder dergleichen umfassen.
[0017] Noch eine weitere Alternative für die Kühlquelle ist ein Zerstäuber 22, der Wassertröpfchen entweder mit der abgezweigten Luft oder den Rohren für gekühlte Kühlluft 16 durch Sprühen in Kontakt bringt. Der Zerstäuber 22 erzeugt vorzugsweise Wassertröpfchen mikroskopischer Dimension, die direkt zur Kühlung der entnommenen Luft versprüht werden. Die Wassermenge, die zur Kühlung der Strömung um 150 F erforderlich ist, erhöht den Feuchtigkeitsgehalt des Hauptgaspfadstroms um nur 2%. Lokal im HPP-Kreis wird die spezifische Feuchtigkeit typischerweise das 4- bis 5-fache im Vergleich zum Zustand am Einlass betragen.
Diese höhere Feuchtigkeit ist für die Kreiskomponenten im Allgemeinen unschädlich.
[0018] Fig. 2 veranschaulicht eine Alternative zu dem Wärmetauscher 20 oder Zerstäuber 22, die in Fig. 1 gezeigt werden. Fig. 2 veranschaulicht einen Ejektor 24, der Luft aus der 13. Stufe des Kompressors, oder Luft von einer anderen geeigneten Kompressor-Entnahmeöffnung mit der Kompressorentladeluft mischt. Die Luft der 13. Stufe wird über eine geeignete Verrohrung 26 oder dergleichen an den Ejektor geleitet. Die Kombination aus Luft der 13. Stufe und Kompressorentladeluft am Ejektorausgang weist eine gewünschte Temperatur und einen geringeren Druck als die Kompressorentladeluft auf.
Da relativ kostengünstigere Luft von Stufe 13, nämlich kostengünstiger in dem Sinne, dass weniger Arbeit zur Verdichtung und Erwärmung dieser Luft durchgeführt wurde, verwendet wird, kann zusätzliche Turbinenleistung gewonnen werden.
[0019] Die Austrittstemperatur und der Massenstrom kann durch ein zwischen dem Einlassrohr 14 und den Rohren für gekühlte Kühlluft 16 eingebrachtes Ventil 28 abgestimmt werden. Ein zusätzliches Ventil kann vorgesehen werden, um die Wassermenge bei Verwendung des Zerstäubers 22 zu regeln. Die zwei Ventile können entweder manuell oder automatisch durch Steuersignale betätigt werden. Vorzugsweise können die Ventile automatisch auf den gewünschten Massenstrom und die Temperatur der gekühlten Kühlluft auf der Grundlage einer Temperaturmessung an dem HPP-Kreis eingestellt werden.
Solche Ventile können verwendet werden, um den GKL-Kreis unabhängig von dem verwendeten Kühlmechanismus zu regulieren. Diese Ventile sollten auf der Grundlage von Temperaturmessungen gesteuert werden, die in dem HPP-Kreis erfolgen; diese werden typischerweise an mehreren Positionen in dem Radraum vorgenommen, können aber auch an beliebigen kritischen Positionen in dem HPP-Kreis erfolgen. Temperaturmessungen können verwendet werden, um sowohl die ausreichende Kühlung der Kühlluft als auch eine Heissgasansaugung in den Radraum hinein festzustellen.
[0020] Die Rohre für gekühlte Kühlluft 16 führen die Kühlluft an verschiedene Positionen relativ zu dem HPP-Kreis zu.
Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, sind vorzugsweise Öffnungen 30 in der inneren Trommel vorgesehen, um gekühlte Kühlluft zu den Ankerbolzen und dem Verbindungsflansch der Turbine mit dem Kompressor in der Turbine zuzuführen. Der verbleibende Teil der GKL wird direkt in den ersten vorderen Radraum hinein geleitet.
[0021] Das System und das Verfahren, die hier beschrieben wurden, versuchen, die Menge an Kompressorentladeluft, die in dem HPP-Kreis erforderlich ist, einzusparen und diese wieder in den Hauptströmungspfad zurückzuleiten, um das Turbinenleistungsvermögen zu verbessern. Dies kann auf robuste Weise durch Einführung eines sekundären Strömungssystems erreicht werden, um gekühlte Kühlluft in den Kreis zu bringen. Die Menge der im Kreis erforderlichen Gesamtströmung wird durch die Anforderung bezüglich Radraumspülung diktiert.
Die Differenz zwischen der Anforderung bezüglich Radraumspülung und der aktuellen Strömung ist ausreichend gross, um die Implementierung des sekundären Kreises für gekühlte Kühlluft zu rechtfertigen. Eine Dichtung begrenzt die Luft, die in den HPP-Kreis eintritt, auf das mögliche Minimum, so dass von der erforderlichen Spülluft möglichst viel von dem Kreis für gekühlte Kühlluft zugeführt wird. Eine verbesserte Abdichtung am Radraum durch verschleissbare Winkelflügeldichtungen reduziert die Menge der erforderlichen Spülluft.
Die Mischung von Kompressorentladeluft und gekühlter Kühlluft sollte ausreichend sein, um eine Heissgasansaugung in den Radraum hinein zu verhindern, während zugleich die kritischen Komponenten in dem Kreis unter bestimmten Temperaturgrenzen gehalten werden.
[0022] Obwohl die Erfindung in Verbindung mit den zur Zeit als die praktischsten und bevorzugten geltenden Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dennoch klar, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen einzuschränken ist, sondern im Gegenteil verschiedene Abwandlungen und gleichwertige Anordnungen, die in das Wesen und den Schutzbereich der beiliegenden Ansprüche fallen, abdecken soll.
The invention relates to a structure and method for improving turbine performance, and more particularly to a refrigeration cycle that branches off compressor discharge air to assist all of the required sweep flow and to cool critical turbine components.
Compressor discharge air exiting behind the high pressure seal (HPP) of a gas turbine is typically returned to the primary gas path via the first front wheel space, between the first stage nozzles and blades. This secondary flow path is referred to as the HPP circle.
This air is used for two purposes:
(1): it is used as purge flow in the first wheel space to prevent hot gas suction; and
(2): It cools critical components in the HPP cycle.
Some of the critical components in the HPP circuit include the compressor anchor bolts, the compressor-turbine connection, the nozzle support ring, and the first-stage wheel.
In some constructions, the flow level in the HPP cycle is higher than the wheel flushing requirements due to component temperature requirements. An ideal solution, therefore, should reduce the total cycle flow to a level that meets the purge requirements, while keeping all critical components in the circuit below the desired temperature requirements.
In addition, a preferred solution can handle stifling environmental and turbine operating conditions in a robust manner. Finally, the solution should also be able to be retrofitted to existing systems.
[0005] In an existing turbine design by General Electric (the 9H turbine), an HPP cycle uses a bypass system for cooled cooling air. The circuit uses a heat exchanger to cool the removed compressor discharge air and direct the cooled cooling air in front of the HPP circuit to not only cool the components of the last stages of the compressor, but also to prevent the flow of one of the last stages entered the HPP circle. This system uses a conventional gasket and does not attempt to regulate the purge flow required behind conventional angle vane gaskets.
The cooled cooling air can not be regulated.
Brush seals have been implemented in other turbine designs to reduce purge flow. However, there is no need for cooled cooling air due to lower compressor discharge temperatures and consequently lower temperatures in the HPP cycle, resulting in corresponding wheel room temperature tolerances.
Brief description of the invention
In an exemplary embodiment, a refrigeration cycle in a gas turbine serves to increase the flow in a high pressure seal (HPP) circuit of the turbine. The refrigeration cycle includes an inlet tube receiving compressor discharge air and at least one cooled cooling air tube in fluid communication with the inlet tube via a manifold.
The manifold distributes the discharge air to the at least one tube for cooled cooling air. An upstream seal is disposed upstream of an entrance into the HPP circuit, and a downstream seal is disposed downstream of the HPP circuit.
In another exemplary embodiment, a method of improving turbine performance using a refrigeration cycle by increasing the flow in a high pressure seal (HPP) circuit of the turbine includes the steps of receiving the compressor discharge air in an intake pipe; that the discharge air is distributed to a plurality of tubes for cooled cooling air;
and placing an upstream seal upstream of an entrance to the HPP circuit to regulate the air entering the HPP circuit and placing a downstream seal downstream of the HPP circuit to regulate the need for wheel room scavenging air.
In yet another exemplary embodiment, the refrigeration cycle includes an inlet tube that receives compressor discharge air; at least one cooled cooling air tube in fluid communication with the inlet tube via a manifold, the manifold distributing the discharge air to the at least one cooled cooling air tube; a cooling source in direct contact with at least one of the cooled cooling air pipes and the branched air;
a valve interposed between the inlet pipe and the at least one cooled cooling air pipe, the valve adjusting the mass flow and a temperature of the branched air based on a temperature of the HPP cycle; an upstream seal disposed upstream of an input to the HPP circuit; and a downstream seal disposed downstream of the HPP circuit.
Brief description of the drawings
[0010]
<Tb> FIG. 1 <sep> shows the refrigeration cycle of an exemplary embodiment; and
<Tb> FIG. 2 <sep> shows the refrigeration cycle of an alternative exemplary embodiment.
Detailed description of the invention
Referring to Figure 1, the system uses a seal 12, such as a brush seal, adjustable seal or the like, to prevent excessive flow from the compressor discharge air and secondary (or bypass) cooled air cooling system to deliver all the required purge flow and to cool critical components.
An adjustable seal may be a seal that is retracted in the course of engine transition conditions to minimize wear or damage to the seal, or a seal that allows adjustment during maintenance to compensate for wear of the seal during operation.
The seal 12 is disposed upstream or adjacent to the entrance to the HPP circuit in front of all critical components as well as in front of the existing honeycomb seal. As already mentioned, the seal may be a conventional brush seal, an adjustable seal with a positioning system or the like.
An inlet pipe 14 is arranged to receive compressor discharge air.
Preferably, the circle includes two inlet tubes 14 of about 3¾¾ diameter.
Dedicated air in the inlet pipe 14 flows through a manifold 18 to a plurality of cooled cooling air tubes 16. The manifold 18 distributes the discharge air from the inlet tubes 14 to the cooled cooling air tubes 16. The cooled cooling air tubes 16 conduct the Compressor discharge air to the HPP circuit.
In a preferred arrangement, the cooling circuit includes twelve tubes for cooled cooling air, which penetrate the vertical flange of the Kompressorentladegehäuses and extend along the strut of the Kompressorentladegehäuses to the Hinterkannten. The cooled cooling air tubes are preferably 3/4, 3/4, or 1¾¾ in diameter.
The positioning above the struts of the compressor discharge housing serves to minimize the aerodynamic influence on the main gas flow. A computer-aided analysis of fluid dynamics has been performed to ensure that the additional piping system has only a negligible impact on the main gas flow. The tubes 16 further penetrate through suitable openings the flange of the inner drum of the Kompressorentladegehäuses.
The circuit preferably additionally includes a cooling source in communication with either the inlet tube 14 or the cooled cooling air tubes 16 or both. In one arrangement, the cooling source includes ambient air that serves to cool the airflow as it flows through the cooled cooling air tubes 16.
Alternatively, the cooling source may include a heat exchanger 20 such as a tube-bundle type heat exchanger or the like.
Yet another alternative for the cooling source is an atomizer 22 which brings water droplets into contact with either the branched air or the cooled cooling air tubes 16 by spraying. The atomizer 22 preferably produces water droplets of microscopic dimension, which are sprayed directly to cool the extracted air. The amount of water required to cool the flow by 150 F increases the moisture content of the main gas path stream by only 2%. Typically in the HPP circuit, the specific humidity will typically be four to five times that of the inlet.
This higher humidity is generally harmless to the circuit components.
Fig. 2 illustrates an alternative to the heat exchanger 20 or atomizer 22 shown in Fig. 1. Fig. 2 illustrates an ejector 24 which mixes air from the 13th stage of the compressor, or air from another suitable compressor discharge opening, with the compressor discharge air. The 13th stage air is directed to the ejector via suitable tubing 26 or the like. The combination of 13th stage air and compressor discharge air at the ejector outlet has a desired temperature and lower pressure than the compressor discharge air.
Since relatively less expensive air from stage 13, more cost effective in the sense that less work has been done to compress and heat that air, is used, additional turbine power can be gained.
The exit temperature and mass flow may be adjusted by a valve 28 interposed between the inlet tube 14 and the cooled cooling air tubes 16. An additional valve may be provided to control the amount of water when using the nebulizer 22. The two valves can be operated either manually or automatically by control signals. Preferably, the valves may be automatically adjusted to the desired mass flow and temperature of the cooled cooling air based on a temperature measurement on the HPP circuit.
Such valves can be used to regulate the GKL circuit regardless of the cooling mechanism used. These valves should be controlled based on temperature measurements made in the HPP cycle; these are typically made at multiple locations in the wheelspace, but may also occur at any critical locations in the HPP cycle. Temperature measurements can be used to detect both sufficient cooling of the cooling air and hot gas suction into the wheelspace.
The cooled cooling air tubes 16 supply the cooling air to various positions relative to the HPP circuit.
As shown in Figures 1 and 2, it is preferable to have openings 30 in the inner drum to supply cooled cooling air to the anchor bolts and the turbine connecting flange to the compressor in the turbine. The remaining part of the GKL will be led directly into the first front wheelspace.
The system and method described herein attempt to conserve the amount of compressor discharge air required in the HPP circuit and to return it to the main flow path to improve turbine performance. This can be achieved in a robust manner by introducing a secondary flow system to bring cooled cooling air into the circuit. The amount of total flow required in the circuit is dictated by the purge cycle demand.
The difference between the wheel purge requirement and the current flow is sufficient to justify the implementation of the secondary circuit for cooled cooling air. A seal limits the air entering the HPP circuit to the minimum possible, so that as much of the required purge air as possible is supplied by the circuit for cooled cooling air. An improved seal on the wheel space by means of wearable angle wing seals reduces the amount of purging air required.
The mixture of compressor discharge air and cooled cooling air should be sufficient to prevent hot gas suction into the wheel space while at the same time maintaining the critical components in the circuit below certain temperature limits.
Although the invention has been described in conjunction with what are presently believed to be the most practical and preferred embodiments, it is to be understood that the invention is not to be limited to the disclosed embodiments, but to the contrary, various modifications and equivalents of the order and the scope of the appended claims.