DE102012100271A1 - System and method for controlling the flow through a rotor - Google Patents
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Abstract
Ein System zum Steuern des Durchflusses durch einen Rotor (10) enthält eine Einlassöffnung (24) in dem Rotor (10) und eine Auslassöffnung (26) in dem Rotor (10). Die Auslassöffnung (26) steht mit der Einlassöffnung (24) in Fluidverbindung. Eine verstellbare Blende (28) ist in wenigstens einer von der Einlass- oder Auslassöffnung (24, 26) angeordnet. Ein Verfahren zum Steuern des Durchflusses durch einen Rotor (10) beinhaltet die Umleitung eines Prozessfluids und den Durchfluss des umgeleiteten Prozessfluids durch einen Fluidkanal (22) in dem Rotor (10). Das Verfahren beinhaltet ferner die Verringerung des Durchflusses des umgeleiteten Prozessfluids durch den Fluidkanal in dem Rotor (10).A system for controlling flow through a rotor (10) includes an inlet opening (24) in the rotor (10) and an outlet opening (26) in the rotor (10). The outlet opening (26) is in fluid communication with the inlet opening (24). An adjustable diaphragm (28) is arranged in at least one of the inlet or outlet openings (24, 26). One method of controlling flow through a rotor (10) includes diverting a process fluid and flowing the diverted process fluid through a fluid channel (22) in the rotor (10). The method further includes decreasing the flow of the diverted process fluid through the fluid channel in the rotor (10).
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zum Steuern des Durchflusses durch einen Rotor. Beispielsweise können spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Menge des durch einen Rotor zum Aufwärmen des Rotors umgeleiteten Fluids steuern.The present invention relates generally to a system and method for controlling flow through a rotor. For example, specific embodiments of the present invention may control the amount of fluid diverted by a rotor to warm the rotor.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Gasturbinen werden in großem Umfang in industriellen und kommerziellen Betrieben eingesetzt. Eine typische Gasturbine enthält einen Verdichter am Eingang, einen oder mehrere Brenner um die Mitte herum und eine Turbine am Ausgang. Der Verdichter verleiht dem Arbeitsfluid (z. B. Luft) kinetische Energie, um ein verdichtetes Arbeitsfluid in einem hoch energetischen Zustand zu erzeugen. Das verdichtete Arbeitsfluid verlässt den Verdichter und strömt zu den Brennern, wo es sich mit Brennstoff vermischt und verbrennt, um Verbrennungsgase mit hoher Temperatur und hohem Druck zu erzeugen. Die Verbrennungsgase strömen durch die Turbine, in welcher sie unter Erzeugung von Arbeit expandieren. Beispielsweise kann die Expansion der Verbrennungsgase in der Turbine die Rotation einer mit einem Generator zum Erzeugen von Elektrizität verbundenen Welle bewirken.Gas turbines are widely used in industrial and commercial operations. A typical gas turbine includes a compressor at the entrance, one or more burners around the center, and a turbine at the exit. The compressor imparts kinetic energy to the working fluid (eg, air) to produce a compressed working fluid in a high energy state. The compressed working fluid exits the compressor and flows to the burners where it mixes with fuel and burns to produce high temperature, high pressure combustion gases. The combustion gases flow through the turbine in which they expand to produce work. For example, the expansion of the combustion gases in the turbine may cause the rotation of a shaft connected to a generator for generating electricity.
Der Verdichter und die Turbine teilen sich typischerweise einen gemeinsamen Rotor, welcher sich aus der Nähe des Eingangs des Verdichters durch den Brennerabschnitt hindurch in die Nähe des Ausgangs der Turbine erstreckt. Aufgrund der Länge und Größe des Rotors kann das Gesamtgewicht des Rotors 100 Tonnen erreichen oder überschreiten. Während des Hochfahrens der Gasturbine erwärmt sich, während verdichtetes Arbeitsfluid durch den Verdichter strömt und Verbrennungsgase durch die Turbinen strömen, der äußere Abschnitt des Rotors schneller als der innere Abschnitt des Rotors unter Erzeugung eines Temperaturgradienten über dem Rotorprofil. Der Temperaturgradient über dem Rotorprofil erzeugt erhebliche thermische Spannungen über dem Rotor, die im Wesentlichen proportional zu Tmax – Tave ist. Tmax ist die Maximaltemperatur über dem Rotorprofil. Im Verdichterabschnitt kann Tmax die Temperatur des den Verdichter verlassenden verdichteten Arbeitsfluids annehmen, und in dem Turbinenabschnitt kann Tmax die Temperatur der in die Turbine eintretenden Verbrennungsgase annehmen. Tave ist die Durchschnittstemperatur über dem Rotorprofil und ist anfangs während eines Kaltstarts der Gasturbine die Umgebungstemperatur. Die thermische Belastung über dem Rotor dauert an, bis die Temperatur über dem Rotorprofil ein Gleichgewicht erreicht, was 12 Stunden oder länger dauern kann, und erheblich den niederzyklischen Ermüdungsgrenzwert des Rotors verringert.The compressor and turbine typically share a common rotor which extends from near the inlet of the compressor through the burner section to near the exit of the turbine. Due to the length and size of the rotor, the total weight of the rotor can reach or exceed 100 tons. During start-up of the gas turbine, as compressed working fluid flows through the compressor and combustion gases flow through the turbines, the outer portion of the rotor heats up faster than the inner portion of the rotor to create a temperature gradient across the rotor profile. The temperature gradient across the rotor profile produces significant thermal stresses across the rotor, which is substantially proportional to T max -T ave . T max is the maximum temperature above the rotor profile. In the compressor section T max can take the temperature of the compressor leaving compressed working fluid, and in the turbine section T max can take the temperature of the air entering the turbine combustion gases. T ave is the average temperature over the rotor profile and is initially the ambient temperature during a cold start of the gas turbine. The thermal load across the rotor continues until the temperature above the rotor profile reaches equilibrium, which may take 12 hours or more, and significantly reduces the low cycle fatigue limit of the rotor.
Verschiedene Systeme und Verfahren sind im Fachgebiet für die Verringerung der thermischen Belastung über dem Rotor bekannt. Beispielsweise kann ein Prozessfluid aus dem Verdichter so umgeleitet werden, dass es durch den Rotor strömt, um die Differenztemperatur zwischen Tmax und Tave zu verringern und um dem Rotor zu ermöglichen, eine Gleichgewichtstemperatur in kürzerer Zeitdauer zu erreichen. Jedoch verringert das umgeleitete Fluid den Wirkungsgrad des Verdichters durch die Verringerung der Menge des durch den Verdichter erzeugten verdichteten Arbeitsfluids. Zusätzlich erzeugt das umgeleitete Fluid Turbulenz, während es wieder in den Verdichterluftstrom eingeführt wird, und die Turbulenz kann eine laminare Ablösung über den Verdichterlaufschaufeln erzeugen. Daher wären ein verbessertes System und ein Verfahren zum Steuern des Durchflusses durch den Rotor nützlich.Various systems and methods are known in the art for reducing thermal stress across the rotor. For example, a process fluid may be diverted from the compressor to flow through the rotor to reduce the differential temperature between T max and T ave and to allow the rotor to reach an equilibrium temperature in a shorter period of time. However, the bypassed fluid reduces the efficiency of the compressor by reducing the amount of compressed working fluid produced by the compressor. In addition, the redirected fluid creates turbulence as it is reintroduced into the compressor airflow, and the turbulence can create a laminar separation over the compressor blades. Therefore, an improved system and method for controlling flow through the rotor would be useful.
Kurzbeschreibung der ErfindungBrief description of the invention
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden nachstehend in der folgenden Beschreibung dargestellt oder können aus der Beschreibung ersichtlich sein oder durch die praktische Ausführung der Erfindung erkannt werden.Aspects and advantages of the invention will be set forth below in the description which follows, or may be obvious from the description, or may be learned by practice of the invention.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Steuern des Durchflusses durch einen Rotor. Das System enthält eine Einlassöffnung in dem Rotor und eine Auslassöffnung in dem Rotor. Die Auslassöffnung steht mit der Einlassöffnung in Fluidverbindung. Eine verstellbare Blende ist in wenigstens einer von der Einlass- oder Auslassöffnung angeordnet.One embodiment of the present invention is a system for controlling flow through a rotor. The system includes an inlet port in the rotor and an outlet port in the rotor. The outlet port is in fluid communication with the inlet port. An adjustable orifice is disposed in at least one of the inlet or outlet ports.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Aufwärmen eines Rotors. Das System enthält einen Fluidkanal durch den Rotor. Ein Ventil ist in dem Fluidkanal angeordnet, um die Strömung eines Fluids durch den Fluidkanal zu steuern.Another embodiment of the present invention is a system for warming up a rotor. The system includes a fluid channel through the rotor. A valve is disposed in the fluid channel to control the flow of fluid through the fluid channel.
Die vorliegende Erfindung kann auch jedes Verfahren zum Steuern des Durchflusses durch einen Rotor beinhalten. Das Verfahren beinhaltet die Umleitung eines Prozessfluids und den Durchfluss des umgeleiteten Prozessfluids durch einen Fluidkanal in dem Rotor. Das Verfahren beinhaltet ferner die Verringerung des Durchflusses des umgeleiteten Prozessfluids durch den Fluidkanal in dem Rotor.The present invention may also include any method of controlling flow through a rotor. The method includes redirecting a process fluid and flowing the redirected process fluid through a fluid channel in the rotor. The method further includes reducing the flow of the redirected process fluid through the fluid channel in the rotor.
Der Fachmann wird die Merkmale und Aspekte derartiger Ausführungsformen sowie weitere nach einer Betrachtung der Patentschrift besser erkennen.Those skilled in the art will better appreciate the features and aspects of such embodiments, as well as others upon review of the specification.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Eine vollständige und grundlegende Offenlegung der vorliegenden Erfindung einschließlich ihrer besten Ausführungsart für den Fachmann wird nachstehend in dem Rest der Patentschrift unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:A complete and basic disclosure of the present invention, including its best mode for those skilled in the art, is described below in the remainder of the specification with reference to the accompanying drawings, in which:
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Es wird nun im Detail auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, wovon ein oder mehrere Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Die detaillierte Beschreibung nutzt Zahlen- und Buchstabenbezeichnungen zur Bezugnahme auf Merkmale in den Zeichnungen. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen und der Beschreibung wurden zum Verweis auf gleiche oder Teile der Erfindung verwendet.Reference will now be made in detail to embodiments of the invention, one or more examples of which are illustrated in the accompanying drawings. The detailed description uses numerical and letter designations to refer to features in the drawings. Like or similar terms in the drawings and the description have been used to refer to the same or to portions of the invention.
Jedes Beispiel wird im Rahmen einer Erläuterung der Erfindung und nicht einer Einschränkung der Erfindung gegeben. Tatsächlich wird es für den Fachmann ersichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Varianten in der vorliegenden Erfindung ohne Abweichung von dem Schutzumfang oder Erfindungsgedankens der Erfindung vorgenommen werden können. Beispielsweise können als Teil einer Ausführungsform dargestellte oder beschriebene Merkmale mit einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung zu ergeben. Somit soll die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Varianten umfassen, soweit sie in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente fallen.Each example is given in the context of an explanation of the invention and not a limitation of the invention. In fact, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the scope or spirit of the invention. For example, features illustrated or described as part of one embodiment can be used with another embodiment to yield yet a further embodiment of the invention. Thus, the present invention is intended to cover such modifications and variations as fall within the scope of the appended claims and their equivalents.
Ausführungsformen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung stellen ein System und ein Verfahren zum Verbessern der erwarteten Lebensdauer eines Rotors und zum Verbessern des Wirkungsgrades einer Gasturbine bereit. In verschiedenen Ausführungsformen kann die vorliegende Erfindung den Durchfluss eines Fluids durch den Rotor zum Aufwärmen des Rotors steuern, und dadurch die thermischen Belastungen über dem Rotorprofil vermindern. Die verminderten thermischen Belastungen verbessern die niederzyklischen Ermüdungsgrenzwerte des Rotors. Zusätzlich verbessern Ausführungen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung den Gasturbinenwirkungsgrad durch die Steuerung der Menge und/oder Dauer eines Fluiddurchflusses durch den Rotor.Embodiments within the scope of the present invention provide a system and method for improving the expected life of a rotor and improving the efficiency of a gas turbine. In various embodiments, the present invention may control the flow of fluid through the rotor to warm the rotor, thereby reducing thermal stresses across the rotor profile. The reduced thermal loads improve the low cycle fatigue limit of the rotor. Additionally, embodiments within the scope of the present invention improve gas turbine efficiency by controlling the amount and / or duration of fluid flow through the rotor.
Gemäß Darstellung in
Eine verstellbare Blende
Gemäß Darstellung in
Das von der Steuerung
Im Betrieb kann sich die verstellbare Blende
Die unter Bezugnahme auf die
Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschließlich ihrer besten Ausführungsart offenzulegen, und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.This description uses examples to disclose the invention, including its best mode, and also to enable any person skilled in the art to practice the invention, including making and using all of the elements and systems, and performing all of the methods involved. The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples that will be apparent to those skilled in the art. Such other examples are intended to be within the scope of the invention if they have structural elements that do not differ from the literal language of the claims, or if they include equivalent structural elements with insubstantial differences from the literal languages of the claims.
Ein System zum Steuern des Durchflusses durch einen Rotor
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Rotorrotor
- 1212
- Rotorradrotorwheel
- 1414
- Verbindungsstangeconnecting rod
- 1616
- Mittelliniecenter line
- 1818
- rotierende Laufschaufelrotating blade
- 2020
- stationärer Leitapparatstationary distributor
- 2222
- Hohlraumcavity
- 2424
- Einlassöffnunginlet port
- 2626
- Auslassöffnungoutlet
- 2828
- verstellbare Blendeadjustable aperture
- 3030
- VentilValve
- 3232
- Kolbenpiston
- 3434
- Membranemembrane
- 3636
- Steuerungcontrol
- 3838
- Signalsignal
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