DE102009025803A1 - System and method for cooling heated components in a turbine - Google Patents
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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.Systems are provided for cooling heated components in a turbine. According to one embodiment, there is provided a system for cooling a turbine that may include at least one fluid source (116) that may contain a cooling fluid. The system may further include at least one fluid nozzle (118) in fluid communication with the fluid source (116) or fluid sources that may be operated to deliver the cooling fluid in an atomized form adjacent to at least one heated turbine component disposed in a hot gas path (216). the turbine is positioned. In delivering the atomized cooling fluid adjacent to the heated turbine component or components, the phase of at least a portion of the cooling fluid substantially gasifies.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die Erfindung betrifft allgemein Turbinen und insbesondere Systeme und Verfahren zum Kühlen erhitzter Komponenten in Turbinen.The This invention relates generally to turbines, and more particularly to systems and Method for cooling heated Components in turbines.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNGBACKGROUND TO THE INVENTION
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 a turbine, for example a gas turbine, are certain components, such as nozzles or nozzles, turbines, blades or the shroud or shroud, placed in the hot gas path and exposed to hot gases, which may have a temperature which is higher as the melting point of one or more of the components. In particular Gas turbines of the current generation can increase the temperature of the hot gases to 1600 ° C to reach. Therefore, in many cases, in the hot gas path positioned components during cooled operation of the turbine. In exemplary conventional systems is used by a compressor of the gas turbine bled air for cooling the Components. However, this air already has a lot of work or energy in it the flow around the combustion chamber of the gas turbine consumed. The air then penetrates into the components, such as the turbine blades or vanes, to cool it, so that they can "survive" in the hot gas path. After that the air gets back in the hot gas path output. As the air flows around the combustion chamber, it does not burn fuel and receives no additional Kinetic energy. Consequently, this air in at their turbine stages no useful Doing work. As a result, the efficiency of the gas turbine decreases from.
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.In other exemplary conventional systems can the heated components with steam instead of with air, which is the compressor is removed, cooled become. The steam can be taken from a steam turbine and through pipes be introduced into the heated turbine component, which in the Hot gas path is positioned. The steam generally has a higher heat transfer coefficient and therefore absorbs more heat from the turbine component in the hot gas path. Accordingly, a steam cooling a better solution across from solutions with air cooling achieve. The steam can be taken from the gas path and into the steam turbine reintroduced become. Part of the heat energy, the steam from the hot gas path can therefore be recovered in the steam turbine, for additional To create useful work. Thus, the efficiency of steam-cooled gas turbines to be taller as that of the air-cooled gas turbines.
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.however can conventional Steam cooling systems be relatively complicated. For example, the steam from stationary pipelines and he must be introduced into the rotating blades become. The steam supply and recovery system must be well sealed held because the steam is at a very high pressure, and otherwise he would cause leakage in the steam system. In addition, should the steam system, because the steam flows back to the steam turbine, too to maintain tightness.
Demgemäß besteht ein Bedarf an Systemen und Verfahren zur Kühlung erhitzter Komponenten in Turbinen.Accordingly, there is a need for systems and methods for cooling heated components in turbines.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
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.embodiments The invention can be some or all of the needs described above judge. embodiments The invention is generally more heated to systems and methods for cooling Turbine components directed in a turbine engine.
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.According to one exemplary embodiment The invention is a system for cooling heated components in a hot gas path created a turbine. The exemplary system may at least a source of fluid contain a liquid coolant or a cooling liquid may contain. The system may further include at least one fluid nozzle, those with the fluid source or the fluid sources in fluid communication stands and works is to the coolant in a nebulized or sprayed Shape in the vicinity to provide at least one heated turbine component, which in a hot gas path the turbine is arranged. According to this exemplary embodiment When the atomized coolant is delivered, it will move near the heated turbine component or turbine components at least a portion of the cooling liquid essentially its phase to 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.In accordance with another exemplary embodiment of the invention, a method of cooling heated components in a hot gas path of a turbine is provided. This exemplary method may include providing at least one liquid source having a cooling fluid and being in fluid communication with at least one fluid nozzle, wherein the fluid nozzle or nozzles are positioned adjacent to at least one heated turbine component located in a hot gas path of the turbine is arranged. The method may further include atomizing the cooling liquid from the liquid source or sources and supplying the atomized cooling liquid to the vicinity the heated turbine component or turbine components. In accordance with this exemplary embodiment, the phase of at least a portion of the cooling fluid substantially gasifies as the atomized cooling fluid is delivered into proximity with the heated turbine component or components.
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.According to one Yet another exemplary embodiment of the invention a method for operating a turbine created. This exemplary Method may include starting the turbine, increasing the turbine speed with it she works under a predetermined load, and a sputtering one coolant contain. The method may further be performed after increasing the Turbine speed for one Operating at the predetermined load, supplying the atomized cooling liquid besides at least one heated turbine component contained in a hot gas path the turbine is arranged, wherein when supplying the atomized cooling liquid at least a part of the liquid refrigerant essentially changes its phase into a gas phase. The method may further a reduction of the turbine speed for operation below a less than the predetermined load and after the reduction of the Turbine speed to below the predetermined load, a discharge of excess liquid the hot gas path contain.
Weitere Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlich, die in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen angegeben ist.Further embodiments and aspects of the invention will become apparent from the following description obviously, in conjunction with the following drawings is specified.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
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:After this the embodiment of the invention have been described in general terms now on the attached Drawings which are not drawn to scale and in which show:
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION THE INVENTION
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.exemplary embodiments The invention will now be described in greater detail by reference on the attached Drawings are described in which some, but not all embodiments are illustrated. In fact, the invention can be many different Shapes and should not be interpreted as would limited to the embodiments given herein; much more These are the embodiments in order for this disclosure to comply with applicable legal requirements. Same Reference numerals refer to like elements throughout.
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.One Start and Increase the speed of a turbine leads to combustion in a combustion chamber of the turbine. At a Combustion can be the temperature of the hot gases that are generated above the melting temperature of various turbine components, the the hot gas path are arranged lie. For cooling the heated turbine components in the hot gas path of the turbine can consequently a liquid coolant atomized and delivered to the heated turbine components or in their vicinity become. Due to the larger amount of energy, through the coolant, such as water while their phase change from a liquid to a gas absorbed is, is a feeding the atomized coolant to or near the heated turbine components more efficient in cooling the Components compared to only steam-cooled or air-cooled turbines. Furthermore, a mixing of the cooling liquid in air additionally acts as a cooling mechanism for the Air, before the mixture of air and gas to the heated turbine components is delivered.
Zum
Kühlen
der Turbinenschaufel
In
verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen kann die Flüssigkeitsdüse
Wenn
die von der Flüssigkeitsdüse
In
einigen Situationen kann die die Flüssigkeitsquelle
Ein
Vermischen der Kühlflüssigkeit
mit der Luft vor dem Einleiten der Luft neben der erhitzten Turbinenkomponente,
wie beispielsweise der Turbinenschaufel
In
einer beispielhaften Ausführungsform kann
optional ein Rohrleitungssystem
In
einigen Situationen während
eines Betriebs des Systems
Es
ist zu verstehen, dass die Turbinenschaufel
Das
beispielhafte Verfahren beginnt in Block
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.In an example may be a piping system from the liquid source to the fluid nozzle the flow connection between them. In exemplary embodiments, the piping system, z. During a turbine operation, be exposed to high temperatures, what the coolant at least partially in the piping system to change their phase. Thus, the method can be used in an exemplary embodiment Furthermore, a thermal insulation of the piping system, to transfer heat to the coolant inside the piping system from its surroundings.
Nach
dem Block
Nach
dem Block
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.In an exemplary embodiment the method includes providing a purging unit to the coolant from the hot gas path dissipate, when the speed of the turbine is reduced below a predetermined load becomes. In one embodiment can the discharge the cooling liquid from the hot gas path before the next Startup of the turbine performed become. In another example, the cooling liquid may be at shutdown of the turbine rinsed or dissipated become.
Das
beispielhafte Verfahren beginnt in Block
Nach
dem Block
Nach
dem Block
Nach
dem Block
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.In Different turbines can increase turbine efficiency through the introduction the air in the hot gas path due to the fact that the air during the compressor stage undergoes an essential work, be impaired. The introduction of a cooling liquid into the air, such as in the one described above Way, increased the cooling efficiency and thus helps to reduce the amount of cooling of the heated turbine component reduce used air.
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.With Help in the above description and the accompanying drawings presented teachings are many modifications and other embodiments the examples given here, which relates to this description, come to mind. Thus, it will be appreciated that the invention is in many forms be realized and not on those described above exemplary embodiments limited should be. Consequently, it should be understood that the invention is not on the specific embodiments, as disclosed are limited should be and that the modifications and other embodiments in the context of the attached claims to be included. Although here special expressions used they become merely general and descriptive Senses and not for the purpose of a restriction used.
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
- 102102
- TurbinenlaufschaufelTurbine blade
- 104104
- Turbinenleitapparatturbine nozzle
- 106106
- Verdichtercompressor
- 108108
- Innenraum (in dem Turbinenleitapparat)inner space (in the turbine nozzle)
- 110110
- Einleiteinrichtunginducer
- 112112
- Fußfoot
- 114114
- Rohrpipe
- 116116
- Flüssigkeitsquelleliquid source
- 118118
- Flüssigkeitsdüsefluid nozzle
- 120120
- Innenraum (in der Turbinenschaufel)inner space (in the turbine blade)
- 122122
- RohrleitungssystemPiping
- 124124
- Spüleinheitrinsing unit
- 202202
- Turbinenschaufelturbine blade
- 204204
- Öffnungenopenings
- 206206
- Schaufelplattformblade platform
- 208208
- Innenrauminner space
- 210210
- Gemischmixture
- 212212
- Fußfoot
- 214214
- Gasförmiges GemischGaseous mixture
- 216216
- HeißgaspfadHot gas path
- 218A218A
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- 218B218B
- Zweite SeiteSecond page
- 300300
- Verfahrenmethod
- 302–306302-306
- Funktionsblöckefunction blocks
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- Verfahrenmethod
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