DE102014110165A1

DE102014110165A1 - Wärmeübertragungsanordnung und Verfahren zur Montage derselben

Info

Publication number: DE102014110165A1
Application number: DE102014110165.0A
Authority: DE
Inventors: Corey Bourassa; William Dwight Gerstler
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2014-07-18
Publication date: 2015-02-05
Also published as: US9512780B2; JP2015031282A; US20150033761A1; CH708437A2

Abstract

Es wird eine Wärmeübertragungsanordnung zur Wärmeübertragungssteuerung einer Turbinenmaschine bereitgestellt. Die Turbinenmaschine enthält ein Gehäuse und enthält einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine, die in dem Gehäuse angeordnet sind. Die Wärmeübertragungsanordnung enthält eine Strömungssteuerungsvorrichtung mit einer mit der Turbine verbundenen Seitenwand, wobei die Strömungssteuerungsvorrichtung mit der Verdichterleitschaufel in Strömungssteuerungsvorrichtung steht. Die Seitenwand ist dafür eingerichtet, einen ersten Strömungspfad von der Verdichterleitschaufel zu einer Turbinenleitschaufel und einen zweiten Strömungspfad von der Verdichterleitschaufel zu einer Turbinenlaufschaufel zu definieren. Ein Wärmetauscher ist mit dem Gehäuse verbunden und befindet sich zwischen dem Verdichter und der Turbine, wobei der Wärmetauscher mit wenigstens einem von dem ersten Strömungspfad und dem zweiten Strömungspfad in Strömungsverbindung steht. Eine Fluidzuführungsvorrichtung ist mit dem Gehäuse verbunden und steht mit dem Wärmetauscher in Strömungsverbindung.

Description

HINTERGRUND
Die hier beschriebenen Ausführungsformen betreffen allgemein Gasturbinenmaschinen und speziell Verfahren und Systeme zum Kühlen von Turbinenkomponenten, um den Wirkungsgrad und/oder den Betrieb der Gasturbinenmaschine zu verbessern.
Typischerweise enthalten Gasturbinenmaschinen einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Der Verdichter und die Turbine können Reihen von Schaufeln enthalten, die in axialer Richtung in Stufen angeordnet sind. Jede Stufe enthält eine Reihe von in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Statorschaufeln, welche fixiert sind, und eine Reihe von Rotorschaufeln, welche um eine Mittenachse oder Welle herum rotieren. In Betrieb rotieren die Verdichterrotorschaufeln mit der Welle und verdichten im Zusammenwirken mit den Statorschaufeln einen Luftstrom. Die Zufuhr verdichteter Luft kann dann in der Brennkammer genutzt werden, um eine Brennstoffzufuhr zu verbrennen. Ferner wird der sich ergebende Strom heißer Gase aus der Verbrennung, d.h. das Arbeitsfluid, durch den Turbinenabschnitt der Maschine hindurch expandiert. Üblicherweise versetzt der Arbeitsfluidstrom durch die Turbine die Rotorschaufeln in Rotation. Die Rotorschaufeln sind mit einer mittigen Welle dergestalt verbunden, dass die Rotation der Rotorschaufeln die Welle zur Abgabe von Arbeit in Rotation versetzt.
Insbesondere kann die in dem Brennstoff enthaltene Energie in die mechanische Energie der rotierenden Welle umgewandelt werden, welche beispielsweise zur Rotation der Rotorschaufeln des Verdichters dergestalt, dass die für die Verbrennung erforderliche Zufuhr verdichteter Luft erzeugt wird, und für die Spulen eines Generators dergestalt, dass elektrischer Strom erzeugt wird, genutzt wird. Während des Betriebs können, aufgrund der extremen Temperaturen des Heißgaspfades, welche 1316 °C (2400 °F) überschreiten können, und wegen der hohen Drehgeschwindigkeiten die Turbinenschaufeln hoch mit extremen mechanischen und thermischen Belastungen beansprucht werden. Einige Turbinenmaschinen entnehmen Luft aus dem Verdichter, um Komponenten in dem Heißgaspfad während des Betriebs zu kühlen. Diese Luftentnahme geht jedoch auf Kosten des Wirkungsgrades, da die Nutzung von Verdichterluft in dieser Weise den Wirkungsgrad der Turbinenmaschine reduzieren kann.
Um den Gasturbinenwirkungsgrad zu verbessern und/oder den Brennstoffverbrauch zu reduzieren, sollte der aus dem Verdichter entnommene oder abgezapfte Luftanteil reduziert werden. Ein herkömmliches Verfahren zur Minimierung der Zapfluft kann die Reduzierung der Temperatur der Zapfluft beinhalten, da weniger Luft erforderlich ist, um dieselbe Kühlleistung zu erbringen. Einige Gasturbinen nutzen Wärmetauscher, die außerhalb des Gasturbinengebäudes positioniert sind. Externe Wärmetauscher können jedoch hunderte Meter von Rohrleitungen und zugeordneten Ventilen und Halterungen verwenden, welche die Herstellungs-, Betriebs- und/oder Wartungskosten erhöhen. Ferner können einige Gasturbinen Schaufelkühlungstechniken, wie z.B. Filmlöcher, Prallleitbleche und Serpentinenstrukturen verwenden. Diese Techniken können jedoch zu den Herstellungs-, Betriebs- und/oder Wartungskosten erhöhen.
KURZBESCHREIBUNG
In einem Aspekt wird eine Wärmeübertragungsanordnung zur Wärmeübertragungssteuerung einer Turbinenmaschine bereitgestellt. Die Turbinenmaschine enthält ein Gehäuse und enthält einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine, die in dem Gehäuse angeordnet sind. Der Verdichter enthält eine Verdichterleitschaufel und die Turbine enthält eine Turbinenleitschaufel und eine Turbinenlaufschaufel. Die Wärmeübertragungsanordnung enthält eine Strömungssteuerungsvorrichtung mit einer mit der Turbine verbundenen Seitenwand und in Strömungsverbindung mit der Verdichterleitschaufel. Die Seitenwand ist dafür eingerichtet, einen ersten Strömungspfad von der Verdichterleitschaufel zu der Turbinenleitschaufel und einen zweiten Strömungspfad von der Verdichterleitschaufel zu der Turbinenlaufschaufel zu definieren. Ein Wärmetauscher ist mit dem Gehäuse verbunden und zwischen dem Verdichter und der Turbine angeordnet, wobei der Wärmetauscher mit wenigstens einem von dem ersten Strömungspfad und dem zweiten Strömungspfad in Strömungsverbindung steht. Eine Fluidzuführungsvorrichtung ist mit dem Gehäuse verbunden und enthält einen Einlass und einen Auslass, wobei der Einlass und der Auslass mit dem Wärmetauscher in Strömungsverbindung verbunden und dafür eingerichtet sind, ein Kühlfluid durch den Wärmetauscher zu führen.
Der erste Strömungspfad kann mit der Verdichterleitschaufel in Strömungsverbindung stehen.
Der Strömungspfad jeder vorstehend erwähnten Wärmeübertragungsanordnung kann mit der Turbinenleitschaufel in Strömungsverbindung stehen.
Der zweite Strömungspfad jeder vorstehend erwähnten Wärmeübertragungsanordnung kann mit der Verdichterleitschaufel in Strömungsverbindung stehen.
Der zweite Strömungspfad jeder vorstehend erwähnten Wärmeübertragungsanordnung kann mit der Turbinenlaufschaufel in Strömungsverbindung stehen.
Der Wärmetauscher jeder vorstehend erwähnten Wärmetauscheranordnung kann in dem zweiten Strömungspfad angeordnet sein.
Der Wärmetauscher jeder vorstehend erwähnten Wärmetauscheranordnung kann mehrere in dem zweiten Strömungspfad positionierte Wärmelamellen aufweisen.
Der Wärmetauscher jeder vorstehend erwähnten Wärmetauscheranordnung kann mit dem Gehäuse verbunden und innerhalb der Brennkammer sein.
Der Wärmetauscher jeder vorstehend erwähnten Wärmetauscheranordnung kann mit der Verdichterleitschaufel in Strömungsverbindung verbunden sein.
Die Seitenwand jeder vorstehend erwähnten Wärmetauscheranordnung kann sich zwischen der Brennkammer und dem Wärmetauscher befinden.
In einem weiteren Aspekt wird eine Turbinenmaschine bereitgestellt. Die Turbinenmaschine enthält einen Verdichter mit einer Austrittsführungsleitschaufel. Die Austrittsleitschaufel enthält ein Einlassende und ein Auslassende und einen dazwischen angeordneten Mittenabschnitt. Eine Turbine ist mit dem Verdichter verbunden und enthält eine Turbinenleitschaufel und eine Turbinenlaufschaufel. Eine Brennkammer ist mit dem Verdichter und der Turbine verbunden. Eine Wärmeübertragungsanordnung ist mit dem Verdichter und der Turbine verbunden. Die Wärmeübertragungsanordnung enthält eine Strömungssteuerungsvorrichtung mit einer mit der Turbine verbundenen Seitenwand und in Strömungsverbindung mit der Verdichterleitschaufel. Die Seitenwand ist dafür eingerichtet, einen ersten Strömungspfad von einer Verdichterleitschaufel zu der Turbinenleitschaufel und einen zweiten Strömungspfad von der Verdichterleitschaufel zu der Turbinenlaufschaufel zu definieren. Ein Wärmetauscher ist mit dem Gehäuse verbunden und zwischen dem Verdichter und der Turbine angeordnet, wobei der Wärmetauscher mit der Austrittsführungsleitschaufel und wenigstens einem von dem ersten Strömungspfad und dem zweiten Strömungspfad in Strömungsverbindung steht.
Die Seitenwand der vorstehend erwähnten Turbinenmaschine kann sich zwischen der Brennkammer und dem Wärmetauscher befinden.
Der Wärmetauscher jeder vorstehend erwähnten Turbinenmaschine kann mit dem Verdichter und der Turbine und angrenzend an die Brennkammer verbunden sein.
Der erste Strömungspfad jeder vorstehend erwähnten Turbinenmaschine kann zum Führen einer Verdichterzapfluft aus dem Verdichter und in Strömungsverbindung mit der Turbinenleitschaufel eingerichtet sein.
Der zweite Strömungspfad jeder vorstehend erwähnten Turbinenmaschine kann zum Führen einer Verdichterzapfluft aus dem Wärmetauscher und in Strömungsverbindung mit der Turbinenlaufschaufel eingerichtet sein.
Die Turbinenmaschine jedes vorstehend erwähnten Typs kann ferner eine Fluidzuführungsvorrichtung aufweisen, die mit dem Wärmetauscher verbunden ist und einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei der Einlass und Auslass in Strömungsverbindung mit dem Wärmetauscher verbunden und zum Führen eines Kühlfluids durch den Wärmetauscher eingerichtet sind.
Der Auslass jeder vorstehend erwähnten Turbinenmaschine kann in Strömungsverbindung mit der Brennkammer verbunden sein.
In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Montage einer Wärmetauscheranordnung an einer Turbinenmaschine mit einem Verdichter und einer Turbine bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet die Verbindung einer Strömungssteuerungsvorrichtung mit der Turbine. Eine Seitenwand der Strömungssteuerungsvorrichtung ist in Strömungsverbindung mit einer Verdichterleitschaufel des Verdichters und mit einer Turbinenleitschaufel der Turbine verbunden. Das Verfahren beinhaltet ferner die Ausbildung eines ersten Strömungspfades zwischen der Brennkammer und der Seitenwand und die Ausbildung eines zweiten Strömungspfades zwischen der Seitenwand und dem Gehäuse. Das Verfahren beinhaltet die Verbindung eines Wärmetauschers mit dem Gehäuse, der zwischen dem Verdichter und der Turbine angeordnet ist.
Das Verfahren kann umfassen, dass die Verbindung des Wärmetauschers mit dem Gehäuse die Anordnung des Wärmetauschers in dem zweiten Strömungspfad beinhaltet.
Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann ferner die Verbindung einer Fluidzuführungsvorrichtung mit dem Wärmetauscher und der Brennkammer aufweisen.
ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, in welchen:
1 eine Seitenaufrissansicht einer exemplarischen Gasturbinenmaschine ist;
2 eine schematische Ansicht der in 1 dargestellten Gasturbinenmaschine und einer exemplarischen Wärmetauscheranordnung ist, die mit der Gasturbinenmaschine verbunden ist;
3 eine Seitenaufrissansicht einer exemplarischen Wärmeübertragungsanordnung ist, die mit der in 1 dargestellten Gasturbinenmaschine verbunden ist; und
4 ein exemplarisches Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zur Montage einer Wärmeübertragungsanordnung veranschaulicht.
Soweit hierin nicht anders angegeben, sind die hierin bereitgestellten Zeichnungen zur Veranschaulichung von Merkmalen von Ausführungsformen der Offenlegung gedacht. Diese Merkmale gelten als in einer großen Vielfalt von Systemen anwendbar, die eine oder mehrere Ausführungsformen der Offenlegung aufweisen. Als solche sind die Zeichnungen nicht dafür gedacht, dass sie alle herkömmlichen Merkmale enthalten, die dem Fachmann für die praktische Ausführung der hierin offengelegten Ausführungsformen als erforderlich bekannt sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen betreffen Gasturbinenmaschinen und Verfahren zur Montage von Wärmeübertragungsanordnungen an Gasturbinenmaschinen. Insbesondere betreffen die Ausführungsformen eine in der Gasturbinenmaschine angeordnete und mit einem Verdichter und einer Turbine der Gasturbinenmaschine verbundene Wärmeübertragungsanordnung. Die Ausführungsformen betreffen Verfahren, Systeme und/oder Einrichtungen zum Kühlen von Turbinenkomponenten während des Betriebs, um eine Verbesserung des Maschinenbetriebsverhaltens zu ermöglichen. Es dürfte sich verstehen, dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen eine Vielfalt von Gas- und/oder Verbrennungs- und/oder Rotationsmaschinen einschließlich Flugzeugtriebwerken und Stromerzeugungsmaschinen beinhalten und es dürfte sich ferner verstehen, dass die Beschreibungen und Figuren, die eine Luftströmung nutzen, lediglich exemplarisch sind.
1 ist eine Seitenaufrissansicht einer Gasturbinenmaschine 100. 2 ist eine schematische Ansicht der Gasturbinenmaschine 100 und einer mit der Gasturbinenmaschine 100 verbundenen Wärmeübertragungsanordnung 102. 3 ist eine Seitenaufrissansicht einer mit der Gasturbinenmaschine 100 verbundenen exemplarischen Wärmeübertragungsanordnung 102. Die Maschine 100 enthält ein Gehäuse 103 und einen mit der Turbine 106 über eine gemeinsame Welle 108 verbundenen Verdichter 104. Der Verdichter 104 und die Turbine 106 befinden sich in dem Gehäuse 103. Die Maschine 100 enthält ferner eine mit dem Verdichter 104 und der Turbine 106 verbundene Brennkammer 110. In der exemplarischen Ausführungsform enthält der Verdichter 104 mehrere Stufen 112. Jede Stufe 112 enthält eine Reihe von Verdichterrotorschaufeln 114, welche um eine Welle 108 rotieren, gefolgt von einer Reihe von Verdichterstatorschaufeln 116, welche während des Betriebs feststehend bleiben. Die Verdichterrotorschaufeln 114 sind so eingerichtet, dass die Verdichterrotorschaufeln 114, wenn sie um die Welle 108 rotieren, der durch den Verdichter 104 strömenden Luft kinetische Energie verleihen. Der Verdichter 104 kann eine beliebige Anzahl von Stufen 112 enthalten, um eine Funktion der Maschine 100 wie hierin beschrieben zu ermöglichen.
Der Verdichter 104 enthält ferner ein Verdichtergehäuse 118 und eine Verdichterleitschaufel 120, wie z.B., jedoch nicht darauf beschränkt, eine mit dem Verdichtergehäuse 118 verbundene Austrittsführungsleitschaufel. Die Austrittsführungsleitschaufel 120 enthält ein Einlassende 122 und einen dazwischen befindlichen Mittenabschnitt 126. Ferner enthält die Austrittsführungsleitschaufel 120 ein Paar gegenüberliegender Endwände 128 und 130, die mit dem Einlassende 122 und dem Auslassende 124 verbunden sind und sich dazwischen erstrecken. In der exemplarischen Ausführungsform befindet sich der Mittenabschnitt 126 zwischen den Endwänden 128 und 130. Die Austrittsführungsleitschaufel 120 ist in Strömungsverbindung mit den Verdichterschaufeln 114 und 116 eingerichtet und ist zur Aufnahme eines verdichteten Luftstroms 132 aus den Verdichterschaufeln 114, 116 eingerichtet.
Die Turbine 106 enthält ein Turbinengehäuse 134, welches eine erste Stufe 136 mit einer Laufschaufel 138 und einer Leitschaufel 140 enthält. Die Laufschaufel ist zur Rotation um die Welle 108 während des Betriebs eingerichtet, während die Leitschaufel 140 während des Betriebs feststehend bleibt. Die Laufschaufeln 136 sind in Umfangsrichtung in Abstand voneinander angeordnet und um eine Rotationsachse der Welle 108 herum befestigt. Die Laufschaufeln 136 sind mit einem (nicht dargestellten) Turbinenrad zur Rotation um die Welle 108 verbunden. In der exemplarischen Ausführungsform liegen die Laufschaufeln 136 und Leitschaufeln 140 in einem Heißgaspfad 142 der Maschine 100. Die Turbine 106 enthält ferner eine zweite Stufe 144. Die zweite Stufe 144 enthält in ähnlicher Weise mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Leitschaufeln 140, gefolgt von mehreren in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Laufschaufeln 138. Die Laufschaufeln 138 sind auf einem (nicht dargestellten) Turbinenrad zur Rotation montiert. Die Turbine 106 kann eine beliebige Anzahl von Stufen, Leitschaufeln und/oder Laufschaufeln enthalten, um eine Funktion der Maschine 100 wie hierin beschrieben zu ermöglichen.
Die Brennkammer 110 enthält ein mit dem Verdichtergehäuse 118 und dem Turbinengehäuse 134 verbundenes Brennkammergehäuse 146. Das Brennkammergehäuse 146 definiert eine Verbrennungskammer 148 in Strömungsverbindung mit dem Verdichter 104 und der Turbine 106. Eine Brennstoffquelle 150 führt einen Brennstoff 152 durch Zuführungsleitungen 154 einer Zündvorrichtung 156 zu. Die Zuführungsleitungen 154 sind dafür eingerichtet, Brennstoff 152 in die Kammer 148 dergestalt auszugeben, dass sich der Brennstoff 152 mit dem Verdichterluftstrom 132 vermischt. Die Zündvorrichtung 156 ist dafür eingerichtet, das Gemisch aus dem Luftstrom 132 und dem Brennstoff 152 zu verbrennen. In der Kammer 148 wird Energie freigesetzt, wenn der verdichtete Luftstrom 132 mit dem Brennstoff 152 vermischt und gezündet wird. Der sich ergebende Strom heißer Gase aus der Brennkammer 110, welcher als das (nicht dargestellte) Arbeitsfluid bezeichnet werden kann, wird dann über die Turbinenlaufschaufeln 138 geleitet, wobei der Arbeitsfluidstrom die Rotation der Turbinenlaufschaufeln 138 bewirkt. Dadurch wird die Energie des Arbeitsfluidstroms in die mechanische Energie der rotierenden Laufschaufeln 136 übertragen und führt aufgrund der Verbindung zwischen den Laufschaufeln 138 und der Welle 108 zu einer Wellendrehung. Die mechanische Energie der Welle 108 kann dann zum Antreiben der Rotation der Verdichterlaufschaufel 114 dergestalt, dass die erforderliche Zufuhr von verdichteter Luft 132 erzeugt wird, und beispielsweise auch eines (nicht dargestellten) Generators zum Erzeugen von Elektrizität genutzt werden.
In der exemplarischen Ausführungsform enthält die Wärmeübertragungsanordnung 102 eine Strömungssteuerungsvorrichtung 160 und einen Wärmetauscher 162. Die Strömungssteuerungsvorrichtung 160 enthält eine mit der Turbine 106 verbundene und in Strömungsverbindung mit der Austrittsführungsleitschaufel 120 stehende Seitenwand 164. Die Seitenwand 164 enthält ein erstes Ende 166, ein zweites Ende 168 und einen Körper 170, der mit dem ersten Ende 166 und dem zweiten Ende 168 verbunden ist und sich dazwischen erstreckt. Das erste Ende 166 ist mit dem Turbinengehäuse 134 verbunden und das zweite Ende 168 ist von dem Auslassende 124 der Austrittsführungsschaufel 120 in Abstand angeordnet. In der exemplarischen Ausführungsform befindet sich der Körper 170 in einem durch das Verdichtergehäuse 118, das Turbinengehäuse 134 und das Brennkammergehäuse 146 definierten Bereich. Die Seitenwand 164 ist dafür eingerichtet, einen ersten Strömungspfad 172 aus dem Verdichter 104 zu der Turbine 106 zu definieren. Insbesondere ist der erste Strömungspfad 172 von der Austrittsführungsleitschaufel 120 zur Turbinenleitschaufel 140 dergestalt definiert, dass der erste Strömungspfad 172 mit der Austrittsführungsleitschaufel 120 und der Turbinenleitschaufel 140 in Strömungsverbindung steht. In der exemplarischen Ausführungsform ist der Körper 160 dafür eingerichtet, die Führung des Luftstroms 132 aus dem Auslassende 124, entlang des ersten Strömungspfades 172 und in Strömungsverbindung mit der Turbinenleitschaufel 140 zu ermöglichen.
Die Seitenwand 164 ist dafür eingerichtet, einen zweiten Strömungspfad 174 aus dem Verdichter 104 zur Turbine 106 zu definieren. Insbesondere ist der zweite Strömungspfad 174 von der Austrittsführungsleitschaufel 120 zur Turbinenlaufschaufel 138 definiert. Der zweite Strömungspfad 174 steht mit der Austrittsführungsleitschaufel 120 und der Turbinenleitschaufel 138 in Strömungsverbindung. In der exemplarischen Ausführungsform ist der Körper 170 dafür eingerichtet, die Führung des Luftstroms 132 vom Auslassende 124, entlang des zweiten Strömungspfades 174 und in Strömungsverbindung mit der Turbinenlaufschaufel 138 zu ermöglichen. In der exemplarischen Ausführungsform ist die Seitenwand 164 dafür eingerichtet, den ersten Strömungspfad 172 von dem zweiten Strömungspfad 174 zu isolieren. Alternativ ist die Seitenwand 164 für eine Strömungsverbindung zwischen dem ersten Strömungspfad 172 und dem zweiten Strömungspfad 174 eingerichtet.
In der exemplarischen Ausführungsform ist der Wärmetauscher 162 mit dem Gehäuse 103 verbunden und befindet sich zwischen dem Verdichter 104 und der Turbine 106. Insbesondere ist der Wärmetauscher 162 mit dem Gehäuse 103 verbunden und innerhalb der Brennkammer 110, und die Seitenwand 164 befindet sich zwischen der Brennkammer 110 und dem Wärmetauscher 162. Der Wärmetauscher 162 ist mit dem Gehäuse verbunden und steht mit der Austrittsführungsleitschaufel 120 und wenigstens einem von dem ersten Strömungspfad 172 und zweiten Strömungspfad 174 in Strömungsverbindung. In der exemplarischen Ausführungsform befindet sich der Wärmetauscher 162 in dem zweiten Strömungspfad 174. Alternativ befindet sich der Wärmetauscher 162 in dem ersten Strömungspfad 172. Der Wärmetauscher 162 enthält eine kompakte Oberflächenkühlergestaltung, die so dimensioniert und geformt ist, dass sie eine Integration in der Gasturbinenmaschine 100 und innerhalb der Brennkammer 110 ermöglicht. Ferner ist der Wärmetauscher 162 so dimensioniert und geformt, dass er zusätzliche Verbindungsrohre und zugeordnete Komponenten zum Führen des Luftstroms vom Verdichter 110 zum Wärmetauscher 162 verringert und/oder eliminiert. Alternativ befindet sich der Wärmetauscher 162 in der Gasturbinenmaschine 100 außerhalb der Brennkammer 110. Der Wärmetauscher 162 kann sich in der Gasturbinenmaschine 100 an jeder Stelle befinden, um eine Funktion der Wärmeübertragungsanordnung 102 wie hierin beschrieben zu ermöglichen.
Der Wärmetauscher 162 enthält eine erste Platte 176 und eine zweite Platte 178 und wenigstens einen mit der ersten Platte 176 und der zweiten Platte 178 verbunden und dazwischen befindlichen Strömungskanal 180. Der Kanal 180 enthält ein Eintrittsende 184 und ein Austrittsende 186. In der exemplarischen Ausführungsform enthält der Strömungskanal 180 mehrere Wände 182, die sich in einer serpentinenartigen Ausgestaltung zwischen der ersten Platte 176 und der zweiten Platte 178 befinden. Alternativ kann der Strömungskanal 180 eine nicht-serpentinenartige Ausgestaltung enthalten. In einer alternativen Ausführungsform enthält der Strömungskanal 180 mehrere (nicht dargestellte) Rohre, die mit der ersten Platte 176 und zweiten Platte 178 verbunden sind. Der Strömungskanal 180 kann jede Ausgestaltung enthalten, um die Funktion des Wärmetauschers 162 wie hierin beschrieben zu ermöglichen.
Der Wärmetauscher 162 enthält ferner mehrere Lamellen 190, die mit der ersten Platte 176 verbunden sind und sich in den zweiten Strömungskanal 180 erstrecken. Die Wärmelamellen 190 sind so dimensioniert und geformt, dass sie die Oberfläche der in den zweiten Strömungskanal 180 exponierten ersten Platte 176 vergrößern. Alternativ können die mehreren Wärmelamellen 190 mit einer zweiten Platte 178 verbunden sein. Der Wärmetauscher enthält eine Materialzusammensetzung, um hohen Temperaturen, wie z.B. einer Temperatur von ca. 538 °C (1000 °F) zu widerstehen. In der exemplarischen Ausführungsform enthält der Wärmetauscher 162 eine Nickellegierung. Alternativ kann der Wärmetauscher 162 jede beliebige Materialzusammensetzung enthalten, um dem Wärmetauscher 162 zu ermöglichen, jeder Betriebstemperatur einer Gasturbinenmaschine 100 zu widerstehen.
Die Wärmeübertragungsanordnung 102 enthält ferner eine mit dem Gehäuse 103 verbundene Fluidzuführungsvorrichtung 200. Die Fluidzuführungsvorrichtung 200 enthält einen Einlass 202 und einen Auslass 204. Der Einlass 202 steht mit dem Eintrittsende 184 in Strömungsverbindung und der Auslass 204 steht mit dem Austrittsende 186 in Strömungsverbindung. Ferner steht der Auslass 204 mit der Brennkammer 110 in Strömungsverbindung. Die Fluidzuführungsvorrichtung 200 ist dafür eingerichtet, ein Kühlfluid 206 aus dem Einlass 202 durch einen Kanal 180 und über den Auslass 204 hinaus zu leiten. Das Austrittsende 186 ist dafür eingerichtet, das Kühlfluid 216 in die Brennkammer 110 wie hierin beschrieben zu leiten.
Die Anordnung des Wärmetauschers 162 enthält ferner eine mit der Wärmeübertragungsanordnung 102 verbundene Steuereinrichtung 208. Die Steuerungseinrichtung 208 ist dafür eingerichtet, die Sollwerte der Wärmeübertragungsanordnung 102 dergestalt zu steuern, dass diese Sollwerte von einem Systembetreiber für das gewünschte Betriebsverhalten der Turbinenmaschine 100 Einstellungen erreicht werden können. Die Steuerung 208 ist dafür eingerichtet, mehrere Funktionen, einschließlich beispielsweise einer Brennstoff-, Luft- und Emissionssteuerung, einer Ablaufsteuerung von Turbinenbrennstoff und Hilfsstoffen für Startvorgang, Abschaltvorgang und Abkühlvorgang, und für die Synchronisation und Spannungsanpassung der Maschine 100, zur Überwachung der gesamten Turbine, zur Steuerung und für Hilfsfunktionen, zur Überwachung aller Turbinenbetriebsparameter 210, zum Schutz gegenüber unsicheren und nachteiligen Betriebszuständen und/oder ähnlichen Funktionen auszuführen.
Die Steuerung 208 enthält einen Prozessor, wie z.B. eine Mehrzweckverarbeitungseinheit (CPU), eine Graphikverarbeitungseinheit (GPU), einen Mikrocontroller, einen Computerprozessor mit verringertem Instruktionssatz (RISC), eine Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung (ASIC), eine speicherprogrammierbare Steuerung (PLC) und/oder irgendeine beliebige andere Schaltung oder Prozessor, die in der Lage sind, die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen. Die hierin beschriebenen Verfahren können als ausführbare Instruktionen codiert sein, die in einem computerlesbaren Medium verkörpert sind, das ohne Einschränkung eine Datensicherungsvorrichtung und/oder eine Speichervorrichtung umfasst. Derartige Anweisungen bewirken, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, dass der Prozessor wenigstens einen Teil der hierin beschriebenen Verfahren durchführt. Die vorstehenden Beispiele sind lediglich exemplarisch und sollen somit in keiner Weise die Definition und/oder die Bedeutung des Begriffes "Prozessor" einschränken.
So wie hierin verwendet, ist der Begriff "Prozessor" nicht nur auf integrierte Schaltungen beschränkt, die im Fachgebiet als ein Computer bezeichnet werden, sondern bezieht sich breit gefasst auf eine Steuerung, einen Mikrocontroller, einen Mikrocomputer, eine speicherprogrammierbare Steuerung (PLC), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung und weitere programmierbare Schaltungen, und diese Begriffe werden hierin austauschbar verwendet. In den hierin beschriebenen Ausführungsformen kann der Speicher ohne Einschränkung ein computerlesbares Medium, wie z.B. einen Arbeitsspeicher (RAM), ein computerlesbares nicht-flüchtiges Medium, wie z.B. einen Flash-Speicher enthalten. Alternativ können eine Floppy Disk, ein Compact Disk Nur-Lese-Speicher (CD-ROM), eine magnetoptische Platte (MOD) und/oder eine Digital Versatile Disk (DVD) verwendet werden. Außerdem können in den hierin beschriebenen Ausführungsformen zusätzliche Eingangskanäle, jedoch nicht darauf beschränkt, einer Benutzerschnittstelle zugeordnete Computerperipheriegeräte, wie z.B. eine Maus und eine Tastatur sein. Alternativ können auch weitere Computerperipheriegeräte verwendet werden, die beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, einen Scanner beinhalten können. Ferner können in der exemplarischen Ausführungsform zusätzlich Ausgangskanäle ohne Beschränkung darauf einen Bedienerschnittstellen-Monitor enthalten.
Hierin beschriebene Prozessoren verarbeiten Information, die von mehreren elektrischen und elektronischen Vorrichtungen übertragen werden. (Nicht dargestellte) Speichervorrichtungen und (nicht dargestellte) Datensicherungsvorrichtungen speichern und übertragen Information und von den Prozessoren auszuführende Instruktionen. Speicher- und Datensicherungsvorrichtungen können auch zum Speichern und liefern temporärer Variablen, statischer (d.h., nicht-flüchtiger und sich nicht ändernder) Information und Instruktionen oder andere Zwischeninformation an den Prozessor während der Ausführung von Instruktionen durch die Prozessoren genutzt werden. Die Ausführung von Ablauffolgen von Instruktionen ist auf keinerlei spezifische Kombination von Hardwareschaltung oder Softwareinstruktionen beschränkt.
In der exemplarischen Ausführungsform beinhaltet die Steuerungseinrichtung 208 ein Standardpaket, wie z.B., jedoch ohne Einschränkung, ein digitales System zur Gasturbinenmaschinensteuerung (GT DEC) und/oder ein Prognose- und Zustandsüberwachungssystem (PHM). Die Steuerung 208 enthält ausreichend Speicher- und Verarbeitungsressourcen, um den Betrieb der Gasturbinenmaschine 100 wie hierin beschrieben zu ermöglichen, wobei derartige Speicher- und Verarbeitungsressourcen vorstehend beschrieben sind. Die Verarbeitungsressourcen und Speicherressourcen bilden eine integrierte einheitliche Architektur, die alle Algorithmen und die Steuerungslogik ausführt und alle an die Steuereinrichtung 208 ausgegebenen Daten erzeugt und überträgt. Daher sind in der exemplarischen Ausführungsform nur kleinere Modifikationen an der Architektur und der Programmierung der Steuerung 208 zur Anpassung des Prozessors und der daraus übertragenen Daten notwendig. Alternativ kann die Steuerungseinrichtung 208 die Architektur und die zur Ausführung der Funktionen der Prozessoren erforderlich Programmierung enthalten, um dadurch Prozessoren unnötig zu machen.
Die Steuerungseinrichtung 208 ist ferner dafür eingerichtet, eine aktive Modulation der Entnahme von Zapfluft und/oder Kühlfluid während des Betriebs der Wärmeübertragungssteuerungsanordnung 102 bereitzustellen. Insbesondere ist die Steuerungseinrichtung 208 dafür eingerichtet, die Wärmeübertragungsanordnung 102 in Reaktion auf einen oder mehrere gemessene oder berechnete Maschinenbetriebsparameter 210 in Bezug auf die verschiedenen Komponenten der Turbinenmaschine 100 zu steuern. In der exemplarischen Ausführungsform können einer oder mehrere Betriebsparameter 210 in Bezug auf die Turbinenmaschine 100 durch die Steuerungseinrichtung 208 mittels (nicht dargestellter) Sensoren gemessen werden, die an einer oder mehreren Stellen in der Turbinenmaschine 100 angeordnet sind. Die Sensoren können über die verschiedenen Komponenten und/oder Stufen der Turbinenmaschine 100 einschließlich des Verdichters, der Brennkammer, der Turbine und der Wärmeübertragungsanordnung 102 hinweg platziert sein und können Information an die Steuerungseinrichtung 208 nach Bedarf übertragene. Die Sensoren können Messungen bezüglich Ventilpositionen, Temperatur, Druck und andere derartige Messungen durchführen, wobei die Sensoren in Steuerungssystemen mit geschlossener Regelschleife verwendet werden können. Die Steuerungseinrichtung 208 ist dafür eingerichtet, die gemessene Information aus den Sensoren zu überwachen und aufzuzeichnen und die erhaltenen Daten aus den Sensoren zur Durchführung von Berechnungen bezüglich Betriebsparametern 210 zu nutzen, die nicht durch einen Sensor gemessen werden, wie z.B. die Brenntemperatur. Diese Berechnungen können auf herkömmlichen Modell-basierenden Steuerungssystemen oder anderen ähnlichen Verfahren beruhen.
In der exemplarischen Ausführungsform enthalten die durch die Steuerungseinrichtung 208 gemessenen, überwachten und aufgezeichneten Betriebsparameter 210, jedoch nicht beschränkt, die Turbinenabgastemperatur und/oder Druck, den Verdichterluftstrom, die Verdichtereinlasstemperatur, Verdichterauslasstemperatur, Verdichtereinlassdruck, Verdichterauslassdruck, Brennstoffstrom, Verbrennungsdynamik, Verteilungs- und Einlassluftstrom. Die Steuerungseinrichtung 208 ist dafür eingerichtet, einen oder mehrere Betriebsparameter 210 (z.B. Brennkammeraustrittstemperatur, Turbinenbezugstemperatur, Turbinenbrenntemperatur usw.) auf der Basis gemessener Maschinenbetriebsparameter 210 zu berechnen, zu überwachen und aufzuzeichnen. Die Steuerungseinrichtung 208 ermöglicht die Einstellung der Wärmeübertragungsanordnung 102 gemäß jedem einzelnen dieser gemessenen, überwachten, aufgezeichneten und/ oder berechneten Maschinenbetriebsparameter 210 (d.h., der Daten bezüglich des Betriebs der Maschine 100 und der Umstände, unter welchen sie arbeitet).
Während eines exemplarischen Betriebs wird in den Verdichter 104 gesaugte Umgebungsluft verdichtet und stromabwärts zur Brennkammer 110 geleitet. Die Luft wird mit Brennstoff 152 vermischt und das Gemisch wird durch die Brennkammer 110 gezündet, um Hochtemperaturverbrennungsgase zu erzeugen. Die Verbrennungsgase werden aus der Brennkammer 110 zum Antrieb der Turbine 106 geleitet. Die Austrittsführungsleitschaufel 120 ist dafür eingerichtet, einen verdichteten Luftstrom 132 von den Verdichterschaufeln 114 (in 1 dargestellt) zu entnehmen und/oder abzuzapfen. Insbesondere verdichtet die Rotation der (in 1 dargestellten) Verdichterschaufeln 114 in dem Verdichter 104 den Luftstrom 132 und gibt den Luftstrom 132 an die Austrittsführungsschaufel 120 aus. Das Einlassende 122 ist dafür eingerichtet, den verdichteten Luftstrom 132 aufzunehmen und ihn zu dem Mittenabschnitt 126 zu leiten. Der Luftstrom 132 strömt durch den Mittenabschnitt 126 und tritt aus dem Auslassende 124 aus. Die Wärmeübertragungsanordnung 102 ist dafür eingerichtet, den Luftstrom 132 aufzunehmen, um die Kühlung wenigstens einer von der Turbinenlaufschaufel 138 und Turbinenleitschaufel 140 zu ermöglichen. Insbesondere ist die Seitenwand 164 dafür eingerichtet, einen ersten Luftstrom 212 des Luftstroms 132 in den ersten Strömungspfad 172 zu führen. Ferner ist die Seitenwand 164 dafür eingerichtet, einen zweiten Luftstrom 214 des Luftstroms 132 in den zweiten Strömungspfad 174 zu leiten. Der erste Strömungspfad 172 ist dafür eingerichtet, den ersten Luftstrom 212 zwischen das Brennkammergehäuse 146 und die Seitenwand 164 in Strömungsverbindung mit der Turbinenleitschaufel 140 zu führen. Der erste Luftstrom 212 ist dafür eingerichtet, eine Kühlung der Turbinenleitschaufel 140 zu ermöglichen. In der exemplarischen Ausführungsform ist der erste Strömungspfad 172 so dimensioniert und geformt, dass er den ersten Luftstrom 212 lokal diffundiert, um eine Erhöhung des lokalen statischen Druckes jenseits der Austrittsführungsleitschaufel 120 zu erhöhen, um genügend Druck in dem ersten Strömungspfad 172 zum Kühlen der Turbinenleitschaufel 140 bereitzustellen. Insbesondere hat der erste Luftstrom 212 einen höheren Druck als der Heißgaspfad 142.
Der zweite Strömungspfad 174 ist dafür eingerichtet, den zweiten Luftstrom 214 in Strömungsverbindung mit dem Wärmetauscher 162 zu führen. Insbesondere wird der zweite Luftstrom 214 in Strömungsverbindung mit den mehreren Wärmelamellen 190 geführt. Die Fluidzuführungsvorrichtung 200 ist dafür eingerichtet, das Kühlfluid 206 aus dem Einlass 202 und in den Kanal 180 auszugeben. Das Kühlfluid 206 strömt durch den Kanal 180, um die aus dem zweiten Luftströmungspfad 174 entzogene Energie zu entziehen. Insbesondere wird in der exemplarischen Ausführungsform das Kühlfluid 206 durch ein serpentinenartiges Muster des Kanals 180 geführt. In einer Ausführungsform ist das Kühlfluid 206 Luft und der Wärmetauscher 162 ist ein Luft/Luft-Wärmetauscher 162. In einer weiteren Ausführungsform ist das Kühlfluid 206 Wasser und der Wärmetauscher 162 ist ein Luft/Wasser-Wärmetauscher 162. Der Wärmetauscher 162 entzieht Wärmeenergie aus dem verdichteten zweiten Luftstrom 214 und überträgt die Wärmeenergie an das Kühlfluid 206. Die Wärme wird aus dem zweiten Luftstrom 214 durch die Wände 182 an das Kühlfluid 206 übertragen. Die Wärmelamellen 190 sind dafür eingerichtet, die Oberfläche des zweiten Luftstroms 214 innerhalb des zweiten Strömungspfades 174 zu vergrößern, um die Verbesserung der Wärmeübertragung aus dem zweiten Luftstrom 214 auf das Kühlfluid 206 zu ermöglichen. Demzufolge ermöglicht der Wärmetauscher 162 eine Abführung von Wärme zwischen dem Verdichter 104 und der Turbine 106, während der Kühlluftstrom 214 in den zweiten Strömungspfad 174 und außerhalb des Wärmetauschers 162 strömt.
Der zweite Strömungspfad ist dafür eingerichtet, den zweiten Luftstrom 214 außerhalb des Wärmetauschers 162 und in Strömungsverbindung mit der Turbinenlaufschaufel 138 zu führen. Der zweite Luftstrom 214 ist dafür eingerichtet, eine Kühlung der Turbinenlaufschaufel 138 zu ermöglichen. In der exemplarischen Ausführungsform ist der zweite Strömungspfad 174 so dimensioniert und geformt, dass er den zweiten Luftstrom 214 lokal diffundiert, um eine Erhöhung des lokalen statischen Druckes außerhalb der Führungsleitschaufel 120 zu ermöglichen, um ausreichend Druck in dem zweiten Strömungspfad 174 zum Kühlen der Turbinenlaufschaufel 138 bereitzustellen. Insbesondere hat der zweite Luftstrom 214 einen höheren Druck als der Heißgaspfad 142.
In der exemplarischen Ausführungsform führt der Auslass 204 erwärmtes Kühlfluid 206 in die Brennkammer 110. In einer exemplarischen Ausführungsform enthält das Kühlfluid 206 Wasser, welches, wenn es in die Brennkammer 110 eingespritzt wird, eine Reduzierung von Stickstoffoxid-(NO_x)-Emissionen ermöglicht, die von der Gasturbinenmaschine 100 emittiert werden. In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform enthält das Kühlfluid 206 einen durch den Wärmetauscher 162 strömenden Brennstoff, um aus dem zweiten Strömungspfad 174 entzogene Energie zu abzuführen. Der Brennstoff 206 wird bei Umgebungstemperatur von dem Einlass 202 dem Wärmetauscher 162 zugeführt. Der heiße zweite Luftstrom 214 wird über den Wärmetauscher 162 geführt, um dadurch den zweiten Luftstrom 214 zu kühlen und den Brennstoff 206 auf eine Temperatur zu erwärmen, die höher als die Umgebungstemperatur ist. Der erhitzte Brennstoff 206 wird dann aus dem Auslass 202 geführt und in die Brennkammer 110 eingespritzt. Die durch die Wärmeübertragung zwischen dem zweiten Strömungspfad 174 und dem Brennstoff 206 absorbierte Energie ermöglicht eine Reduzierung des Brennstoffverbrauchs der Gasturbine durch Erhöhung des Wirkungsgrades des Brennstoffs 206 vor der Einspritzung des Brennstoffs 206 in die ringförmige Brennkammer 110, um dadurch einen höheren Nettobetriebswirkungsgrad der Gasturbinenmaschine 100 zu ergeben.
4 ist ein exemplarisches Flussdiagramm, das ein Verfahren 400 zur Montage einer Wärmeübertragungsanordnung wie z.B. der (in 2 dargestellten) Wärmeübertragungsanordnung 102 an eine Turbinenmaschine, beispielsweise die (in 1 dargestellte) Turbinenmaschine 100, veranschaulicht. Die Turbinenmaschine enthält ein Gehäuse, beispielsweise das (in 1 dargestellte) Gehäuse 103 und einen Verdichter, wie z.B. den (in 1 dargestellten) Verdichter 104, eine Turbine, wie z.B. die (in 1 dargestellte) Turbine 106, und eine Brennkammer, wie z.B. die (in 1 dargestellte) Brennkammer 110, die in dem Gehäuse angeordnet sind. Das Verfahren 400 beinhaltet den Schritt 402 der Verbindung einer Strömungssteuerungsvorrichtung, wie z.B. der (in 1 dargestellten) Strömungssteuerungsvorrichtung 106 mit der Turbine. Insbesondere beinhaltet das Verfahren 400 den Schritt 404 der die Verbindung einer Seitenwand, beispielsweise der (in 1 dargestellten) Seitenwand 164 der Strömungssteuerungsvorrichtung mit einer Verdichterleitschaufel, wie z.B. der (in 2 dargestellten) Verdichterleitschaufel 120 und einer Turbinenleitschaufel, wie z.B. der (in 2 dargestellten) Turbinenleitschaufel 140 der Turbine.
Das Verfahren 400 beinhaltet ferner den Schritt 406 der Ausbildung eines ersten Strömungspfades, beispielsweise des (in 3 dargestellten) Strömungspfades 172 zwischen der Brennkammer und der Seitenwand. Ein zweiter Strömungspfad, wie z.B. der (in 3 dargestellte) zweite Strömungspfad 174 wird zwischen der Seitenwand und dem Gehäuse ausgebildet, 408. Das Verfahren 400 beinhaltet ferner den Schritt 410 der Verbindung eines Wärmetauschers, wie z.B. des (in 3 dargestellten) Wärmetauschers 162 mit dem Gehäuse und in Anordnung zwischen dem Verdichter und der Turbine. In dem exemplarischen Verfahren 400 beinhaltet der Schritt der Verbindung des Wärmetauschers mit dem Gehäuse den Schritt der Anordnung des Wärmetauschers in dem zweiten Strömungspfad. Das Verfahren 400 beinhaltet ferner den Schritt der Verbindung einer Fluidzuführungsvorrichtung, wie z.B. der (in 3 dargestellten) Fluidzuführungsvorrichtung 200 mit dem Wärmetauscher und der Brennkammer.
Eine technische Auswirkung der hierin beschriebenen Systeme und Verfahren beinhaltet wenigstens eines von: (a) Entziehen eines Luftstroms aus einer Verdichterleitschaufel einer Gasturbinenmaschine; (b) Verringern von erforderlichem Platz und Geräten, Einbau-, Wartungs- und/oder Betriebskosten der Gasturbinenmaschine, durch Anordnen eines Wärmetauschers in dem Gehäuse der Gasturbinenmaschine, um (c) die entzogene Luft durch den Wärmetauscher zu leiten; (d) Kühlen der Turbinenlaufschaufeln mit der entzogenen Luft; (e) Einhalten gewünschter Temperaturen der Turbinenlaufschaufel; und (f) Erhöhen des Wirkungsgrades und Verringern des Brennstoffverbrauchs einer Gasturbinenmaschine.
Die hierin beschriebenen exemplarischen Ausführungsformen ermöglichen eine Erhöhung des Wirkungsgrades und eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs für eine Gasturbinenmaschine. Insbesondere sind die exemplarischen Ausführungsformen dafür eingerichtet, Zapfluft zu nutzen, die dem Verdichter entzogen und zu Turbinenkomponenten zur Kühlung zugeführt wird. Ferner verwenden die hierin beschriebenen Ausführungsformen eine geringere Menge an Zapfluft zum Kühlen von Turbinenkomponenten, was eine Brenntemperatur der Brennkammer erhöht. Des Weiteren erhöhen die exemplarischen Ausführungsformen den Wirkungsgrad und verringern dadurch Betriebs- und Wartungskosten in Verbindung mit der Turbinenmaschine.
Der Entzug aus dem Verdichter kann in jeder Verdichterstufe eines Turbinensystems vorgesehen sein. Der entzogene Strom kann dem Turbinenabschnitt der Maschine zum Kühlen von Teilen zugeführt werden und/oder um Teile auf geeigneten Temperaturen während des Betriebs zu halten. Für die hierin beschriebenen Ausführungsformen enthält der entzogene Strom ein Fluidmedium, wie z.B. Luft, die aus dem Verdichter entzogen oder abgezapft und dem Turbinenabschnitt der Maschine zum Kühlen von Teilen, Spülen von Hohlräumen oder andere ähnliche Anwendungen zugeführt wird. Ein Wärmetauscher befindet sich innerhalb des Gehäuses der Gasturbinenmaschine, um erforderliche Raum- und Geräte-, Einbau-, Wartungs- und/oder Betriebskosten einzusparen. In den hierin beschriebenen Ausführungsformen ist die Steuerung dafür eingerichtet, die Entzugsströme für ein bestehendes Multiparameter-Turbinenmaschinensteuerungssystem (z.B. ein bestehendes Modell-basierendes Steuerungssystem oder für Steuerungssysteme mit korrigierten Parametern) und/oder für neue Turbinenmaschinensteuerungssysteme zu steuern und zu manipulieren.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen nutzen eine variable Verdichterentnahmesteuerung und eine Modell-basierende Steuerung zur Verbesserung des Betriebs einer Verbrennung einer Gasturbinenmaschine. Eine variable Verdichterentnahme beinhaltet die Fähigkeit, die Menge der aus dem Verdichterabschnitt einer Gasturbine entnommenen Luftströmung zu steuern. Die Modell-basierende Steuerung beinhaltet ein Verfahren zum Steuern einer Turbinenmaschine auf der Basis eines Modells des Maschinenbetriebs. Somit kann eine Turbinenmaschine nicht nur auf der Basis gemessener Betriebsparameter gesteuert werden, sondern auch auf der Basis von Betriebsparametern, die bei dem vorgegebenen Turbinenmaschinenmodell und den gemessenen Betriebsparametern berechnet werden können. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen verbessern den Betriebswirkungsgrad unter anderem durch die Integration der variablen Verdichterentnahme und der Modell-basierenden Steuerung.
Exemplarische Ausführungsformen einer Wärmeübertragungsanordnung und eine Turbinenmaschine und Verfahren zum Montieren der Strömungssteuerungsvorrichtung sind vorstehend im Detail beschrieben. Die Verfahren und Systeme sind nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern es können stattdessen Komponenten von System und/oder Schritte der Verfahren unabhängig und getrennt von anderen hierin beschriebenen Komponenten und/oder Schritten genutzt werden. Beispielsweise können die Verfahren in Kombination mit anderen Herstellungssystemen und Verfahren genutzt werden, und sind nicht auf die praktische Ausführung nur mit den hierin beschriebenen Systemen und Verfahren beschränkt. Stattdessen kann die exemplarische Ausführungsform in Verbindung mit vielen anderen Maschinenanwendungen implementiert werden.
Obwohl spezifische Merkmale verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in einigen Zeichnungen dargestellt sein können und in anderen nicht, dient dieses nur der Vereinfachung. Gemäß den Prinzipien der Erfindung kann auf jedes Merkmal einer Zeichnung Bezug genommen werden und/oder dieses in Kombination mit jedem Merkmal jeder anderen Zeichnung beansprucht werden.
Einige Ausführungsformen beinhalten die Nutzung einer oder mehrerer elektronischer oder berechnender Vorrichtungen. Derartige Vorrichtungen beinhalten typischerweise einen Prozessor oder Steuereinrichtung, wie z.B. eine Mehrzweckverarbeitungseinheit (CPU), eine Graphikverarbeitungseinheit (GPU), einen Mikrocontroller, einen Computerprozessor mit verringertem Instruktionssatz (RISC), eine Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung (ASIC), eine speicherprogrammierbare Steuerung (PLC) und/oder irgendeine beliebige andere Schaltung oder Prozessor, die in der Lage sind, die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen. Die hierin beschriebenen Verfahren können als ausführbare Instruktionen codiert sein, die in einem computerlesbaren Medium verkörpert sind, das ohne Einschränkung eine Datensicherungsvorrichtung und/oder eine Speichervorrichtung umfasst. Derartige Anweisungen bewirken, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, dass der Prozessor wenigstens einen Teil der hierin beschriebenen Verfahren durchführt. Die vorstehenden Beispiele sind lediglich exemplarisch und sollen somit in keiner Weise die Definition und/oder die Bedeutung des Begriffes "Prozessor" einschränken.
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.
Es wird eine Wärmeübertragungsanordnung zur Wärmeübertragungssteuerung einer Turbinenmaschine bereitgestellt. Die Turbinenmaschine enthält ein Gehäuse und enthält einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine, die in dem Gehäuse angeordnet sind. Die Wärmeübertragungsanordnung enthält eine Strömungssteuerungsvorrichtung mit einer mit der Turbine verbundenen Seitenwand, wobei die Strömungssteuerungsvorrichtung mit der Verdichterleitschaufel in Strömungssteuerungsvorrichtung steht. Die Seitenwand ist dafür eingerichtet, einen ersten Strömungspfad von der Verdichterleitschaufel zu einer Turbinenleitschaufel und einen zweiten Strömungspfad von der Verdichterleitschaufel zu einer Turbinenlaufschaufel zu definieren. Ein Wärmetauscher ist mit dem Gehäuse verbunden und zwischen dem Verdichter und der Turbine angeordnet, wobei der Wärmetauscher mit wenigstens einem von dem ersten Strömungspfad und dem zweiten Strömungspfad in Strömungsverbindung steht. Eine Fluidzuführungsvorrichtung ist mit dem Gehäuse verbunden und steht mit dem Wärmetauscher in Strömungsverbindung.
Bezugszeichenliste

100: Gasturbinenmaschine
102: Wärmeübertragungsanordnung
103: Gehäuse
104: Verdichter
106: Antriebsturbine
108: Welle
110: Brennkammer
112: Stufen
114: Verdichterlaufschaufeln
114: Verdichterrotorlaufschaufeln
116: Verdichterstatorschaufeln
118: Verdichtergehäuse
120: Verdichterleitschaufel oder Austrittsführungsschaufel
122: Einlassende
124: Auslassende
126: Mittenabschnitt
128: Endwände
130: Endwände
132: Luftströmung
134: Turbinengehäuse
136: Schaufeln
136: erste Stufe
138: Turbinenlaufschaufel
140: Turbinenleitschaufel
142: Heißgaspfad
144: zweite Stufe
146: Brennkammergehäuse
148: Kammer
150: Brennstoffquelle
152: Brennstoff
154: Zuführungsleitungen
156: Zündvorrichtung
160: Strömungssteuerungsvorrichtung
162: Wärmetauscher
164: Seitenwand
166: erstes Ende
168: zweites Ende
170: Körper
172: erster Strömungspfad
174: zweiter Strömungspfad
176: erste Platte
178: zweite Platte
180: Strömungskanal
182: Wände
184: Eintrittsänderung
186: Steuerungseinrichtung
188: Austrittsende
190: Wärmelamellen
200: Fluidzuführungsvorrichtung
202: Einlass
204: Auslass
206: Kühlfluid oder Brennstoff
208: Steuerungseinrichtung
210: Motorbetriebsparameter
212: erster Luftstrom
214: zweiter Luftstrom
400: Verfahren
402: Verbinden einer Strömungssteuerungsvorrichtung mit dem Verdichter
404: Verbinden einer Seitenwand der Strömungssteuerungsvorrichtung in Strömungsverbindung mit einer Verdichterleitschaufel des Verdichters und einer Turbinenleitschaufel der Turbine
406: Erzeugen eines ersten Strömungspfades zwischen der Brennkammer und der Seitenwand
408: Erzeugen eines zweiten Strömungspfades zwischen der Seitenwand und dem Gehäuse
410: Verbinden eines Wärmetauschers mit dem Gehäuse, der zwischen dem Verdichter und der Turbine angeordnet ist

Claims

Wärmeübertragungsanordnung zur Wärmeübertragungssteuerung einer Turbinenmaschine, die ein Gehäuse hat und einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine hat, die in dem Gehäuse angeordnet sind, wobei der Verdichter eine Verdichterleitschaufel hat und die Turbine eine Turbinenleitschaufel und eine Turbinenlaufschaufel hat, wobei die Wärmeübertragungsanordnung aufweist: eine Strömungssteuerungsvorrichtung, die eine mit der Turbine verbundene und in Strömungsverbindung mit der Verdichterleitschaufel stehende Seitenwand aufweist, wobei die Seitenwand dafür eingerichtet ist, einen ersten Strömungspfad von der Verdichterleitschaufel zu der Turbinenleitschaufel und einen zweiten Strömungspfad von der Verdichterleitschaufel zu der Turbinenlaufschaufel zu definieren; einen Wärmetauscher, der mit dem Gehäuse verbunden ist und sich zwischen dem Verdichter und der Turbine befindet, wobei der Wärmetauscher mit wenigstens einem von dem ersten Strömungspfad und dem zweiten Strömungspfad in Strömungsverbindung steht; und eine Fluidzuführungsvorrichtung, die mit dem Gehäuse verbunden ist und einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei der Einlass und der Auslass mit dem Wärmetauscher in Strömungsverbindung verbunden und dafür eingerichtet sind, ein Kühlfluid durch den Wärmetauscher zu führen.
Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der erste Strömungspfad mit der Verdichterleitschaufel in Strömungsverbindung steht; und/oder wobei der erste Strömungspfad mit der Turbinenleitschaufel in Strömungsverbindung stehen.
Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der zweite Strömungspfad mit der Verdichterleitschaufel in Strömungsverbindung steht; und/oder wobei der zweite Strömungspfad mit der Turbinenlaufschaufel in Strömungsverbindung steht.
Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1, wobei sich der Wärmetauscher in dem zweiten Strömungspfad befindet; und/oder wobei der Wärmetauscher mehrere in dem zweiten Strömungspfad positionierte Wärmelamellen aufweist; und/oder wobei der Wärmetauscher mit dem Gehäuse verbunden und innerhalb der Brennkammer ist; und/oder wobei der Wärmetauscher mit der Verdichterleitschaufel in Strömungsverbindung verbunden ist.
Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1, wobei sich die Seitenwand zwischen der Brennkammer und dem Wärmetauscher befindet.
Turbinenmaschine, aufweisend: einen Verdichter mit einer Austrittsführungsleitschaufel, die ein Einlassende und ein Auslassende und einen dazwischen befindlichen Mittenabschnitt aufweist; eine Turbine, die mit dem Verdichter verbunden ist und eine Turbinenleitschaufel und eine Turbinenlaufschaufel aufweist; eine Brennkammer, die mit dem Verdichter und der Turbine verbunden ist; und eine Wärmeübertragungsanordnung, die mit dem Verdichter und der Turbine verbunden ist, wobei die Wärmeübertragungsanordnung aufweist: eine Strömungssteuerungsvorrichtung, die eine mit der Turbine verbundene und in Strömungsverbindung mit der Verdichterleitschaufel stehende Seitenwand aufweit, wobei die Seitenwand dafür eingerichtet ist, einen ersten Strömungspfad von der Austrittsführungsleitschaufel zu der Turbinenleitschaufel und einen zweiten Strömungspfad von der Verdichterleitschaufel zu der Turbinenlaufschaufel zu definieren; und einen Wärmetauscher, der mit dem Gehäuse verbunden und sich zwischen dem Verdichter und der Turbine befindet, wobei der Wärmetauscher mit der Austrittsführungsleitschaufel und wenigstens einem von dem ersten Strömungspfad und dem zweiten Strömungspfad in Strömungsverbindung steht.
Turbinenmaschine nach Anspruch 6, wobei sich die Seitenwand zwischen der Brennkammer und dem Wärmetauscher befindet.
Turbinenmaschine nach Anspruch 6, wobei der Wärmetauscher mit dem Verdichter und der Turbine verbunden ist und an die Brennkammer angrenzt.
Turbinenmaschine nach Anspruch 6, wobei der erste Strömungspfad zum Führen von Verdichterzapfluft aus dem Verdichter und in Strömungsverbindung mit der Turbinenleitschaufel eingerichtet ist; und/oder wobei der zweite Strömungspfad zum Führen einer Verdichterzapfluft aus dem Wärmetauscher und in Strömungsverbindung mit der Turbinenlaufschaufel eingerichtet ist.
Verfahren zur Montage einer Wärmetauscheranordnung an einer Turbinenmaschine mit einem Verdichter und einer Turbine wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Verbinden einer Strömungssteuerungsvorrichtung mit der Turbine; Verbinden einer Seitenwand der Strömungssteuerungsvorrichtung in Strömungsverbindung mit einer Verdichterleitschaufel des Verdichters und mit einer Turbinenleitschaufel der Turbine; Ausbilden eines ersten Strömungspfades zwischen der Brennkammer und der Seitenwand; Ausbilden eines zweiten Strömungspfades zwischen der Seitenwand und dem Gehäuse; und Verbinden eines Wärmetauschers mit dem Gehäuse, der sich zwischen dem Verdichter und der Turbine befindet.