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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abstandssteuerung in einer Turbine, beispielsweise einer Gasturbine.
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Abstand bezeichnet bei einer Turbine typischerweise die Abmessung von Lücken zwischen dem Rotor und dem Statorgehäuse, welches den Rotor umgibt. Der Rotor ist typischerweise eine axiale Turbine mit Reihen aus Laufschaufeln, die jeweils an einem Turbinenrad angebracht sind. Die Räder sind auf einer Welle der Turbine angebracht. Das Statorgehäuse beherbergt den Rotor und weist Reihen stationärer Leitschaufeln auf, die zwischen den Reihen aus Laufschaufeln angeordnet sind. Abstand bezeichnet häufig die ringförmige Lücke zwischen der Spitze bzw. dem vorderen Rand der Laufschaufeln und dem Statorgehäuse.
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Abstand ist nötig, damit die Laufschaufeln sich drehen können, ohne am Statorgehäuse zu reiben. Falls der Abstand zu groß ist, können Verbrennungsgase über die Laufschaufelspitzen austreten, ohne die Drehung der Turbine anzutreiben. Falls der Abstand zu klein ist, können die Spitzen am Statorgehäuse reiben und können Vibrationen verursachen, welche die Turbine beschädigen.
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Der Abstand variiert, wenn sich die Turbine während ihrer verschiedenen Betriebsphasen aufwärmt und abkühlt. Die Variationen des Abstands gehen auf eine thermisch bedingte Ausdehnung und Kontraktion der Komponenten einer Turbine zurück. Eine Turbine besteht typischerweise aus Metallkomponenten mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungsraten. Die Turbinenräder, die Laufschaufeln auf den Rädern und ringförmige Schalen um die Laufschaufeln dehnen sich unterschiedlich schnell aus und ziehen sich unterschiedlich schnell zusammen. Aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungsraten könnte ein Abstand wachsen oder schrumpfen, während sich die Gasturbine erwärmt und abkühlt.
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Abstand ist immer dann nötig, wenn sich die Turbinenlaufschaufeln drehen, unter anderem: während sich die Turbine beim Anfahren erwärmt, wenn die Gasturbine von voller Drehzahl und Nulllast (full speed no load, FSNL) auf volle Drehzahl und Volllast (full speed full load, FSFL) übergeht, und wenn die Turbine heruntergefahren wird. Die Aufrechterhaltung eines angemessenen Abstands während jeder einzelnen Betriebsphase einer Gasturbine wird durch ein Abstandssteuersystem erreicht.
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Abstandssteuersysteme und -verfahren sorgen für einen angemessenen Abstand während aller Phasen eines Gasturbinenbetriebs. Herkömmliche Abstandssteuersysteme und -verfahren beinhalten Kühlsysteme, die an externen, an die Gasturbine angrenzenden Gleitflächen angebracht sind, komplexe Sensor- und Stellantriebssysteme zum Regulieren eines Kühlmittelstroms, der aus dem Verdichter abgelassen und zum Kühlen der Turbine verwendet wird, und externe Wärmeübertragungssysteme, um die Kühlluft zu erwärmen oder abzukühlen, bevor sie in die Turbine eintritt. Herkömmliche Abstandssteuersysteme und -verfahren sind tendenziell aktiv, da sie die Menge an Kühlfluid, das durch die Schale oder die Laufschaufeln strömt, regulieren. Einige aktive, herkömmliche Abstandssysteme werden als Reaktion auf bestimmte Betriebsbedingungen betätigt, beispielsweise bei sogenannten Pinch Points, die sich ergeben, wenn der Abstand am geringsten ist. Zum Beispiel kann eine Erwärmung von Kühlluft am Turbinengehäuse hinzugefügt werden, um die Wärmeausdehnung des Gehäuse zu erhöhen und somit den Abstand bei einem Pinch Point zu vergrößern.
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Aktive Abstandssteuersysteme sind häufig mechanisch komplex, teuer und benötigen Computer oder hydraulische Steuereinrichtungen. Passive Abstandssteuersysteme brauchen keine Steuereinrichtungen und sind tendenziell von relativ einfacher Mechanik und preiswert. Jedoch sind passive Steuereinrichtungen typischerweise nicht in der Lage, die Kühlleistung des Kühlgases, das der Turbine zugeführt wird, anzupassen. Auch was die herkömmlichen Abstandssteuersysteme betrifft, besteht nach wie vor ein dringender Bedarf an Abstandssteuersystemen und -verfahren, die robust und erschwinglich sind, in allen Phasen des Gasturbinenbetriebs einen angemessenen Abstand gewährleisten und zu große Abstände insbesondere bei Stetigbetriebphasen wie FSFL zu vermeiden.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es wurde ein Ansatz zur Abstandssteuerung erfunden, bei dem Brennstoff verwendet wird, um das Kühlmittel zu kühlen, das für die Abstandssteuerung verwendet wird. Wenn das Kühlmittel durch die Turbine strömt, beispielsweise durch das Statorgehäuse und die Leitschaufeln, beeinflusst das Kühlmittel eine wärmebedingte Ausdehnung oder Kontraktion der Turbine. Das Maß an wärmebedingter Ausdehnung oder Kontraktion hängt von der Temperatur des Kühlmittels und insbesondere vom Unterschied zwischen der Kühlmitteltemperatur und der Temperatur der Turbine ab. Eine Abstandssteuerung kann zumindest zum Teil durch Anpassen der Temperatur des Kühlmittels erreicht werden. Der neu erfundene Ansatz besteht darin, die Temperatur des Kühlmittels durch Übertragen von Wärme zwischen dem Kühlmittel und dem Brennstoff, der zu den Brennkammern der Gasturbine strömt, anzupassen.
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Der neu erfundene Ansatz kann mit einem Wärmetauscher ausgeführt werden, durch den das Kühlmittel und ein Teil des Brennstoffs strömen. Das Kühlmittel wird im Allgemeinen durch den Brennstoffstrom gekühlt, da der Brennstoff eine niedrigere Temperatur aufweist als das Kühlmittel – bei dem es sich um verdichtete Luft handeln kann, die aus einer oder mehreren Stufen des Verdichters in der Gasturbine geholt werden kann. Die Geschwindigkeit bzw. die Rate, mit welcher der Brennstoff durch den Wärmetauscher strömt, hat Einfluss darauf, wie stark das Kühlmittel gekühlt wird, das durch den Wärmetauscher zur Turbine strömt. Je größer der Brennstoffstrom ist, desto niedriger ist die Temperatur des Kühlmittels, das zur Turbine strömt.
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Eine Strömungsrate des Brennstoffs steigt, um die Gasturbine von voller Drehzahl und Nulllast (FSNL) auf volle Drehzahl und Volllast (FSFL) zu überführen. Wenn die Strömungsrate des Brennstoffs steigt, findet eine ähnliche Zunahme der Kühlung, z.B. eine Temperatursenkung, des Kühlmittels statt. Die verstärkte Kühlung verringert die Kapazität des Kühlmittels, das Turbinengehäuse während eines FSFL-Betriebs zu erwärmen und wärmebedingt auszudehnen. Die verringerte Kapazität führt zu einer Verkleinerung des Abstands bei FSFL, der sich ansonsten ergeben würde, wenn das Kühlmittel nicht durch den Brennstoff gekühlt werden würde.
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Wenn der Brennstoffstrom relativ gering ist, wird das Kühlmittel in einem wesentlich geringeren Maß gekühlt als dann, wenn der Brennstoffstrom groß ist. Während eines geringen Brennstoffstroms bleibt das Kühlmittel relativ heiß und bewirkt somit, dass sich das Turbinengehäuse in einem größeren Maß wärmebedingt ausdehnt als wenn das Kühlmittel durch einen größeren Brennstoffstrom abgekühlt worden wäre. Das Zulassen einer Wärmeausdehnung des Turbinengehäuses während eines geringen Brennstoffstroms kann verwendet werden, um den Abstand zu vergrößern, während der Brennstoffstrom gering ist, beispielsweise während FSNL.
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Durch die Verwendung des Brennstoffstroms zum Kühlen des Kühlmittels, das zum Turbinengehäuse strömt, kann ein passives Abstandssteuersystem gestaltet werden, das einen vergrößerten Abstand während Betriebszuständen mit geringem Brennstoffstrom und einen verkleinerten Abstand während Betriebszuständen mit großem Brennstoffstrom ermöglicht. Diese Fähigkeit kann für Gasturbinen nützlich sein, die während Betriebszuständen mit geringem Brennstoffstrom Pinch Points aufweisen.
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Das Abstandssteuersystem kann durch Bereitstellen eines Wärmetauschers ausgebildet werden, durch den der verdichtete Kühlmittelstrom, der aus dem Verdichter geholt wird, und ein Teil des Brennstoffstroms geleitet werden. Das Abstandssteuersystem beruht auf Variationen des Brennstoffstroms, um das Maß der Kühlung des Kühlmittelstroms zu ändern. Das Abstandssteuersystem kann ohne Ventile, Stellantriebe oder andere aktive Steuervorrichtungen ausgeführt werden.
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Es wurde eine Vorrichtung zur Abstandssteuerung erfunden, um verdichtete Kühlluft für ein Turbinengehäuse in einer Gasturbine bereitzustellen, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Kühlgaskanal, der durch eine ringförmige Innenschale des Turbinengehäuses verläuft; eine Kühlgasleitung, die mit einem Verdichter der Gasturbine und mit dem Turbinengehäuse verbunden ist, wobei die Kühlgasleitung verdichtete Luft vom Verdichter aufnimmt und die verdichtete Luft zum Turbinengehäuse liefert, und wobei die Kühlgasleitung mit dem Kühlgaskanal in Fluidverbindung steht, und einen Wärmetauscher, der mit der Kühlgasleitung und mit einer Brennstoffleitung, die Brennstoff zu einer Brennkammer der Gasturbine liefert, verbunden ist, wobei der Wärmetauscher Wärme vom Kühlgas auf den Brennstoff überträgt.
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In jeder Ausführungsform der Vorrichtung kann es von Vorteil sein, dass die Brennstoffleitung eine Hauptleitung und eine Umgehungsleitung beinhaltet, wobei die Umgehungsleitung mit dem Wärmetauscher gekoppelt ist und einen Kanal für den durch den Wärmetauscher strömenden Brennstoff bildet und die Umgehungsleitung einen Einlass und einen Auslass für den Brennstoff aufweist, die beide mit der Hauptleitung verbunden sind.
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In jeder Ausführungsform der Vorrichtung kann es von Vorteil sein, dass der Wärmetauscher ein Doppelrohr-Wärmetauscher ist, der ein erstes Rohr, das mit der Brennstoffleitung verbunden ist und einen Kanal für den durch den Wärmetauscher strömenden Brennstoff bildet, und ein zweites Rohr aufweist, das mit der Kühlgasleitung verbunden ist und einen Kanal für das durch den Wärmetauscher strömende Kühlgas bildet.
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In jeder Ausführungsform der Vorrichtung kann es von Vorteil sein, dass der Wärmetauscher ein doppelwandiger Wärmetauscher ist, der eine erste und eine zweite Wand aufweist, die den Brennstoff, der durch den Wärmetauscher strömt, vom Kühlgas trennen, das durch den Wärmetauscher strömt.
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In jeder Ausführungsform der Vorrichtung kann es von Vorteil sein, dass die Gasturbine einen Einlassschacht mit einem Auslass, der so gestaltet ist, dass er Luft in den Verdichter lenkt, und eine Einlasswärmeabzapfungs-(IBH)-Leitung aufweist, die mit dem Verdichter und dem Einlassschacht verbunden ist, wobei die IBH-Leitung so gestaltet ist, dass sie verdichtete Luft vom Verdichter zum Einlassschacht lenkt.
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In jeder Ausführungsform der Vorrichtung kann es von Vorteil sein, dass sich der Kühlgaskanal über mindestens eine halbe Länge der ringförmigen Innenschale erstreckt.
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Es wurde eine Gasturbine erfunden, die aufweist: ein Turbinengehäuse, das eine rotierende Turbine in der Gasturbine umschließt; eine Brennstoffleitung, die mit einer Brennstoffquelle und mit einer Brennkammer der Gasturbine verbindbar ist, wobei Brennstoff von der Brennstoffquelle durch die Brennstoffleitung zur Brennkammer strömt; eine Kühlgasleitung, die mit einem Verdichter der Gasturbine und mit dem Turbinengehäuse verbunden ist, wobei die Kühlgasleitung verdichtete Luft vom Verdichter aufnimmt und die verdichtete Luft zu einem inneren Kanal im Turbinengehäuse liefert, und einen Wärmetauscher, der mit der Brennstoffleitung und mit der Kühlgasleitung verbunden ist, wobei der Wärmetauscher Wärme vom Kühlgas auf den Brennstoff überträgt.
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In jeder Ausführungsform der Gasturbine kann es von Vorteil sein, dass die Brennstoffleitung eine Hauptleitung und eine Umgehungsleitung beinhaltet, wobei die Umgehungsleitung mit dem Wärmetauscher gekoppelt ist und einen Kanal für den Brennstoff bildet, der durch den Wärmetauscher strömt, und die Umgehungsleitung einen Einlass und einen Auslass für den Brennstoff aufweist, die beide mit der Hauptleitung verbunden sind.
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In jeder Ausführungsform der Gasturbine kann es von Vorteil sein, dass der Wärmetauscher ein Doppelrohr-Wärmetauscher ist, der ein erstes Rohr, das mit der Brennstoffleitung verbunden ist und einen Kanal für den durch den Wärmetauscher strömenden Brennstoff bildet, und ein zweites Rohr aufweist, das mit der Kühlgasleitung verbunden ist und einen Kanal für das durch den Wärmetauscher strömende Kühlgas bildet.
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In jeder Ausführungsform der Gasturbine kann es von Vorteil sein, dass der Wärmetauscher ein doppelwandiger Wärmetauscher ist, der eine erste und eine zweite Wand aufweist, die den Brennstoff, der durch den Wärmetauscher strömt, vom Kühlgas trennen, das durch den Wärmetauscher strömt.
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In jeder Ausführungsform kann es von Vorteil sein, dass die Gasturbine ferner einen Einlassschacht mit einem Auslass, der so gestaltet ist, dass er Luft in den Verdichter lenkt, und eine Einlasswärmeabzapfungs-(IBH)-Leitung aufweist, die mit dem Verdichter und dem Einlassschacht verbunden ist, wobei die IBH-Leitung so gestaltet ist, dass sie verdichtete Luft vom Verdichter zum Einlassschacht lenkt.
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In jeder Ausführungsform der Gasturbine kann es von Vorteil sein, dass der innere Kanal ein Kanal in einer ringförmigen Innenschale des Turbinengehäuses ist.
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In jeder Ausführungsform der Gasturbine kann es von Vorteil sein, dass sich der innere Kanal über mindestens eine halbe Länge der ringförmigen Innenschale erstreckt.
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Es wurde ein Verfahren für eine Abstandssteuerung in einer Gasturbine erfunden, die einen Verdichter, eine Brennkammer, eine Turbine und ein Turbinengehäuse, in dem die Turbine untergebracht ist, aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Holen von verdichteter Luft aus dem Verdichter; Kühlen der verdichteten Luft im Wärmetauscher, wobei Wärme aus der verdichteten Luft auf Brennstoff übertragen wird, der zur Brennkammer strömt, und Modulieren einer Lücke zwischen dem Turbinengehäuse und einem rotierenden Abschnitt der Turbine durch Leiten der gekühlten verdichteten Luft durch einen Kanal im Turbinengehäuse.
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In jeder Ausführungsform des Verfahrens kann es von Vorteil sein, dass der Kanal im Turbinengehäuse ein Kanal durch eine ringförmige Innenschale ist und dass sich der Kanal mindestens über eine halbe Länge der ringförmigen Innenschale erstreckt.
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In jeder Ausführungsform des Verfahrens kann es von Vorteil sein, die Gasturbine ferner von einer Bedingung einer vollen Drehzahl bei Nulllast in eine Bedingung einer vollen Drehzahl bei Volllast zu überführen, während die Schritte des Holens, Kühlens und Modulierens durchgeführt werden.
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In jeder Ausführungsform kann es von Vorteil sein, dass das Verfahren ferner umfasst, dass verdichtete Luft, die vom Verdichter ausgegeben wird, unter einer Bedingung einer vollen Drehzahl bei Nulllast von der Brennkammer in einen Einlassschacht für den Verdichter umgeleitet wird und die verdichtete Luft während des Übergangs bzw. der Überführung nicht zum Einlassschacht umgeleitet wird.
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In jeder Ausführungsform des Verfahrens kann es von Vorteil sein, dass der Brennstoff, der durch den Wärmetauscher strömt, mit einer höheren Rate mehr wird als die verdichtete Luft, die aus dem Verdichter geholt wird und durch den Wärmetauscher strömt.
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In jeder Ausführungsform des Verfahrens kann es von Vorteil sein, dass das Kühlen der verdichteten Luft mit einem Teil des Brennstoffs durchgeführt wird, der zur Brennkammer strömt, und dass das Verfahren ferner das Umleiten dieses Teils des Brennstoffs aus einer Hauptbrennstoffleitung in eine Umgehungsleitung umfasst, wobei die Umgehungsleitung mit dem Wärmetauscher gekoppelt ist und einen Kanal für den Brennstoff bildet, der durch den Wärmetauscher strömt.
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In jeder Ausführungsform des Verfahrens kann es von Vorteil sein, dass der relative Anteil des Brennstoffs, der zum Wärmetauscher umgeleitet wird, während des Betriebs der Gasturbine konstant bleibt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Skizze einer Gasturbine, die eine aufgeschnittene Ansicht der Turbine und der Turbinenschale zeigt.
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2 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Beispiels für eine ringförmige Innenschale eines Turbinengehäuses.
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3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für einen Übergang von voller Drehzahl bei Nulllast (FSNL) zu voller Drehzahl bei Volllast (FSFL) in einer industriellen Gasturbine zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt eine Gasturbine 10 mit einem Verdichter 12, einer Brennkammer 14 und einer Turbine 16. Ein Einlassschacht 17 stellt einen Kanal bereit, durch den Luft in die Gasturbine eintreten und zum Einlass des Verdichters gelenkt werden kann.
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Gasturbinen erzeugen Leistung durch Verdichten von Luft, Mischen der verdichteten Luft mit Brennstoff 15, Verbrennen der Mischung und Antreiben einer Turbine mit Verbrennungsgasen. Die Turbine weist ein ringförmiges Gehäuse 18 auf, in dem Reihen von Turbinenlaufschaufeln 20 (auch als Blätter bezeichnet) untergebracht sind, die sich um eine Welle 23 drehen. Die Laufschaufeln in jeder Reihe sind an einem Turbinenrad 22 angebracht. Zwischen den Laufschaufelreihen befinden sich Reihen stationärer Leitschaufeln 24 (auch als Leitbleche bezeichnet). Heiße Verbrennungsgase 27 (siehe den Pfeil) strömen in einem ringförmigen Heißgaskanal 28 durch die Reihen aus Laufschaufeln 20 und Leitschaufeln 24. Das Turbinengehäuse 18 bildet die Außenfläche des Heißgaskanals 28. Die Innenwand des Kanals 28 liegt in der Nähe des Außenrands der Räder 22.
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Eine Leitung 23 für verdichtete Luft, die aus dem Verdichter geholt wird, lenkt Luft vom Auslass (der letzten Stufe) des Verdichters zum Einlassschacht 17. Die Leitung 23 ist Teil eines Einlasswärmeabzapfungs-(IBH)-Systems, das verwendet wird, während die Gasturbine unter einer Nulllast- oder Niederlastbedingung arbeitet. Durch Umleiten von verdichteter Luft aus der Brennkammer und zum Einlass des Verdichters verringert das IBH-System den Wirkungsgrad des Verdichters, so dass die Gasturbine ohne eine Last oder mit einer minimalen Last auf selbsterhaltende Weise arbeitet. Eine Gasturbine erhält sich selbst, wenn die Turbine nur durch die heißen Verbrennungsgase angetrieben wird, die in der Brennkammer entstehen. Würde der Wirkungsgrad des Verdichters nicht gesenkt, müsste eine viel größere Last an die selbsterhaltende Gasturbine angelegt werden, um unerwünschte Drehzahlsteigerungen der Turbine zu vermeiden. Durch die Hinzufügung der verdichteten Luft zur Einlassluft erwärmt das IBH-System (die Leitung 23) die verdichtete Luft, die in den Verdichter eintritt.
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Das Turbinengehäuse 18 weist eine ringförmige Außenschale 32 auf, in der eine ringförmige Innenschale 26 untergebracht und gelagert ist. Die ringförmige Innenschale umgibt die Reihen aus Laufschaufeln und Leitschaufeln. Die Leitschaufeln 24 sind an der ringförmigen Innenschale 26 angebracht. Ringförmige Reihen von Deckbändern 30 sind an der Innenschale 26 der Turbine angebracht und an den vorderen Enden der Laufschaufeln ausgerichtet. Die Lücke zwischen den Deckbändern 30 und den vorderen Enden der Laufschaufeln 20 wird als „Abstand“ oder „Abstandsbreite“ der Gasturbine bezeichnet.
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Ein kleiner Abstand gewährleistet, dass nur minimale Mengen an heißen Verbrennungsgasen über die vorderen Enden der Laufschaufeln entweichen. Wenn der Abstand zu klein wird, scheuern die vorderen Enden der Laufschaufel an den Deckbändern, was einen Abrieb der Laufschaufeln und Deckbänder bewirkt und Vibrationen in der Turbine erzeugen kann. Ein Abrieb ist im Allgemeinen unerwünscht, da er die Abstandsbreite vergrößert und zu einer Beschädigung der Laufschaufeln und Deckbänder führen kann. Vibrationen sind im Allgemeinen unerwünscht, da sie die Turbine beschädigen können.
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Ringförmige Lufträume 34, 36 sind zwischen den Außen- und Innenschalen 32, 26 des Turbinengehäuses 18 ausgebildet. Diese Lufträume 34, 36 verteilen verdichtete Luft, die von einer Druckluftleitung 37 geliefert wird, auf Kühlkanäle 40 in der ringförmigen Innenschale 26 und verlaufen durch die Leitschaufeln 24. Die verdichtete Luft wird aus einer oder mehreren Stufen des Verdichters 12 geholt und strömt durch die Leitung 37. Der Luftraum 34 um die Laufschaufeln an einer weiter vorne liegenden Stufe nimmt Luft auf, die in einem höheren Maß verdichtet ist und von einer weiter hinten liegenden Stufe des Verdichters kommt als die verdichtete Luft, die von dem Luftraum 36 aufgenommen wird, der eine weiter hinten liegende Stufe der Turbine umgibt. Die Entscheidung über die Anordnung und die Anzahl der Lufträume in der Turbinenschale 18 und die Auswahl der Verdichterstufen, die mit den einzelnen Lufträumen verbunden werden sollen, liegt beim Konstrukteur.
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2 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der ringförmigen Innenschale 26. Die ringförmige Innenschale ist typischerweise aus einem metallischen Werkstoff gebildet. Die Außenfläche der Schale weist ringförmige Vorsprünge und Leisten auf, die an der ringförmigen Außenschale 32 angreifen. Die Außenfläche der ringförmigen Innenschale bildet eine Außenwand der Lufträume 34, 36 (1). Eine Innenwand der Lufträume wird von der ringförmigen Innenschale 26 gebildet. Radial einwärts liegende Oberflächen der ringförmigen Innenschale weisen Reihen aus Spalten 38 auf, um Haken der Deckbänder 30 aufzunehmen.
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Innere Kühlkanäle 40 (siehe die gepunkteten Lnien) sind innerhalb der Innenschale der Turbine angeordnet. Verdichtete Luft aus einem der ringförmigen Lufträume 34, 36 tritt in den Einlass 42 eines Kühlkanals ein, beispielsweise der Kühlkanäle 40. Luft strömt durch die Kanäle (siehe den gebogenen Pfeil 44) und tritt 45 in einen Spalt 38 aus. Die Kühlkanäle 40 können so angeordnet sein, dass sie sich in der Längsrichtung entlang der Drehachse der Gasturbine erstrecken. Die Kühlkanäle können einen serpentinenförmigen, z.B. einen hin und her wechselnden Verlauf haben, indem sie ihre Richtung an einer Kreuzungs-Taschenkammer 46 in der Nähe eines axialen Endes der ringförmigen Innenschale wechseln. Mehrere Kühlkanäle 40 können symmetrisch um den Umfang der Turbinenschale angeordnet sein. Die Kreuzungs-Taschenkammer kann durch eine Platte 47 (4) auf der Vorderfläche der ringförmigen Innenschale verschlossen sein. Die Entscheidung über die Anordnung der Kühlkanäle in der Schale liegt beim Konstrukteur und bei einem Ingenieur mit Erfahrung auf dem Gebiet der Konstruktion von Turbinenschalen.
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Eine Wärmeübertragung findet zwischen der Innenschale 26 der Turbine und der verdichteten Luft statt, wenn die Luft durch die Kühlkanäle 40 strömt. Die verdichtete Luft kühlt die Innenschale der Turbine, wenn die Schale eine höhere Temperatur aufweist als die verdichtete Luft. Die Turbinenschale ist typischerweise wärmer als die verdichtete Luft, da das heiße Verbrennungsgas durch den Heißgaskanal 28 strömt und die Innenschale der Turbine erwärmt.
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Die verdichtete Luft aus der Leitung 37 strömt aus dem Verdichter 13 [kann] durch ein Verdichterabluft-Modulationsventil 48, das den Strom der verdichteten Luft reguliert, die aus dem Verdichter geholt und zum Turbinengehäuse gelenkt wird. Das Modulationsventil kann eine herkömmliche parallele Anordnung eines verstellbaren Ventils und einer feststehenden Öffnung sein. Das verstellbare Ventil kann während des Betriebs der Gasturbine auf einen festen Wert eingestellt sein. Oder das verstellbare Ventil 48 kann während des Betriebs der Gasturbine so gesteuert werden, dass es mehr oder weniger Kühlluft zum Turbinengehäuse liefert. Verdichterabluft-Modulationsventile sind üblich.
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Die verdichtete Luft in der Leitung 37 durchläuft einen Wärmetauscher 50, während die Luft zum Turbinengehäuse strömt. Brennstoff 15 strömt ebenfalls durch den Wärmetauscher. Wärme wird durch den Wärmetauscher von der verdichteten Luft 37 auf den Brennstoff übertragen. Eine Erwärmung von Brennstoff, insbesondere Brenngas, ist üblich und wird angewendet, um durch Senken der Brennstoffmenge, die nötig ist, um eine gewünschte Verbrennungstemperatur in der Brennkammer zu erreichen, den Wirkungsgrad einer Gasturbine zu verbessern. Eine Erwärmung von Brennstoff mit verdichteter Luft, die für eine Abstandssteuerung in einer Turbine verwendet wird, ist nicht üblich.
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Der Wärmetauscher 50 kann ein Doppelrohr-Wärmetauscher sein, wodurch sichergestellt ist, dass es im Falle des Austretens von Brennstoff nicht zu einer Vermischung von Brennstoff und Luft und einer möglichen Entzündung mit der durch den Wärmetauscher strömenden verdichteten Luft kommen kann. Doppelrohr-Wärmetauscher sind üblich und eignen sich gut für die Übertragung von Wärme zwischen einem Brennstoff für eine Gasturbine und verdichteter Luft. In einem Doppelrohr-Wärmetauscher können der Brennstoff und verdichtete Luft durch getrennte Rohre 52, 54 innerhalb des Wärmetauschers strömen. Ein leitendes Material, beispielsweise ein Fluid oder ein Metall, innerhalb des Wärmetauschers überträgt Wärme zwischen den Rohren. Zum Beispiel kann ein kondensierendes Fluid im Wärmetauscher durch die verdichtete Luft verdampft werden und vom Brennstoff kondensiert werden. Ein kondensierendes Fluid stellt ein wirksames und leistungsfähiges Medium für die Übertragung von Wärme zwischen der verdichteten Luft und dem Brennstoff bereit.
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Ein doppelwandiger Wärmetauscher kann ebenfalls als Wärmetauscher 50 verwendet werden. Ein doppelwandiger Wärmetauscher weist zwei Wände auf, die den Brennstoff von der verdichteten Luft trennen. Aufgrund der doppelten Wände führt eine Undichtigkeit in einer der Wände nicht dazu, dass sich die verdichtete Luft und der Brennstoff im Wärmetauscher mischen. Das Volumen des Wärmetauschers zwischen den Wänden kann mit einem Feststoff, einer Flüssigkeit oder einem Gas gefüllt sein, durch die Wärme zwischen den Rohren mit dem Brennstoff und den Rohren mit der verdichteten Luft geleitet wird.
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Ein Teil des Brennstoffs 15 wird durch den Wärmetauscher 50 gelenkt. Brennstoff strömt von der Brennstoffquelle 15 durch eine Leitung 55 zur Brennkammer 14 der Gasturbine. Ein Teil des Brennstoffs wird von einem Stromumleiter 56, beispielsweise einem Ventil mit einem Einlass und zwei Auslässen, umgeleitet. Der Stromumleiter kann auf eine feste Betriebsstellung eingestellt sein, so dass während aller Betriebsphasen der Gasturbine ein konstanter Teil des Brennstoffs durch den Wärmetauscher umgeleitet wird. Ein zweiter Stromumleiter 58 liegt stromabwärts vom Wärmetauscher und vereinigt den Brennstoff, der durch den Wärmetauscher strömt, mit dem Brennstoff, der durch die Leitung 52 strömt. Der erste und der zweite Stromumleiter 56, 58 leiten einen Teil des Brennstoffstroms durch eine Brennstoffleitung 60 um, die von der Brennstoffleitung 55 ausgehend durch den Wärmetauscher 50 und zurück zur Brennstoffleitung 55 verläuft.
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3 ist ein Diagramm, das zeigt, mit welcher Rate Brennstoff in einer als Beispiel dienenden industriellen Gasturbine von voller Drehzahl bei Nulllast (FSNL) auf volle Drehzahl bei Volllast (FSFL) übergeht. Dieser Übergang ist typischerweise Teil des Betriebs einer Gasturbine. Der Übergang findet statt, nachdem die Gasturbine angefahren wurde und sich durch die Verbrennung von Brennstoff selbst erhält. In einem Beispiel für diesen Übergang wird die Drehzahl 60 der Gasturbine von etwa 20 Prozent (20 %) auf einhundert Prozent (100 %) des Betriebs mit voller Drehzahl erhöht. Am Beginn des Übergangs wird keine Last 62 an die Gasturbine angelegt. Die Last 62 kann von einem Stromgenerator angelegt werden, der mit der Antriebswelle verkoppelt ist. Der Stromgenerator legt ein Drehmoment an die Antriebswelle an, das von dem Drehmoment überwunden wird, das von der Gasturbine erzeugt wird. Kurz nachdem die Gasturbine die volle Drehzahl 64 erreicht hat, kann die Last 62 allmählich steigen, bis die Last 100 Prozent 66 erreicht. Unmittelbar vor 67 oder während die Last an angelegt wird, beschleunigt die Gasturbine, verringert oder blockiert das Einlasswärmeabzapfungs-(IBH)-System den Luftstrom vom Verdichter durch die Leitung 37 (1) zum Einlass der Gasturbine.
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Die Erhöhung der Drehzahl des Motors 60 ist eine Folge der Erhöhung der Strömungsrate 68 des Brennstoffs. Die Brennstoffströmungsrate 68 nimmt auch zu, wenn die Last 62 an die Gasturbine angelegt wird. Die Brennstoffströmungsrate erreicht ein Maximum in Verbindung mit dem Erreichen einer FSFL-Bedingung durch die Gasturbine. Die Rate 70 eines Kühlmittelstroms steigt auch mit der Erhöhung der Brennstoffströmungsrate 68. Der Kühlmittelstrom wird aus dem Verdichter geholt. Wenn die Drehzahl des Verdichters steigt und die Last der Gasturbine steigt, wird die Menge an Arbeitsfluid, z.B. Luft, das vom Verdichter in die Brennkammer strömt, größer, wodurch bewirkt wird, dass die Turbine mehr Arbeit erzeugt, um die Last anzutreiben. Wenn bei FSFL keine Last angelegt wird, wird ein Teil der verdichteten Abluft als Einlasswärmeabzapfung (IBH) zur Vorderseite des Verdichters umgeleitet. Wenn die IBH abgestellt wird (Punkt 67), steigt die Rate 70, mit der das Kühlmittel aus dem Verdichter geholt wird. In diesem Beispiel steigt die Kühlmittelströmungsrate 70 mit ungefähr der halben Rate 68, mit welcher der Brennstoffstrom größer wird. Dieser Unterschied der Raten wirkt sich auf das Maß der Kühlung des Kühlmittels im Wärmetauscher 50 aus. Das Maß der Kühlung des Kühlmittels nimmt zu, wenn die Rate des Brennstoffstroms schneller zunimmt als die Rate des Kühlmittels.
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Die Turbine kann während des Übergangs von FSNL auf FSFL einen „Pinch Point“ 72 aufweisen. Ein Pinch Point ist, wo der Abstand zwischen den Wärmeausdehnungen der rotierenden und der stationären Komponenten während eines Betriebs der Gasturbine am kleinsten wird. Die Verwendung von Brennstoff zum Kühlen des Kühlmittels ist eine wirksame und einfache Technik, um während des Übergangs von FSNL auf FSFL bei einem Pinch Point für eine Steuerung des Abstands zu sorgen und den Abstand bei FSFL zu verringern.
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Eine Gasturbine ist dafür ausgelegt, bei einem bei einem Pinch Point eine geeignete Abstandsbreite bereitzustellen, auch wenn der Pinch Point während eines kurzen Zeitraums während eines Übergangs von FSNL auf FSFL auftritt. Die Design-Anforderung nach einem geeigneten Abstand beim Pinch Point kann dazu führen, dass unter Betriebsbedingungen ein Abstand außer am Pinch Point größer ist als gewünscht. Zum Beispiel kann der Abstand bei FSFL größer sein als gewünscht, damit der Abstand bei einem Pinch Point ausreichend groß ist. Ein Abstand, der während FSFL oder einem anderen stetigen Betriebszustand größer ist als nötig, könnte den Wirkungsgrad der Gasturbine für längere Betriebszeiträume herabsetzen.
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Die höhere Brennstoffströmungsrate 68 bei FSFL sorgt für eine stärke Kühlung des Kühlmittels bei FSFL im Vergleich zur Kühlung bei FSNL und beim Pinch Point 72. Der Abstand bei FSFL und unter anderen Betriebsbedingungen kann durch Kühlen der verdichteten Luft 37 mit Brennstoff verringert werden, um den Abstand zwischen den stationären und den rotierenden Komponenten der Gasturbine zu verkleinern. Das Kühlen der verdichteten Luft 37, die in den Kühlkanal 40 strömt, führt zu einer stärkeren Kühlung der ringförmigen Innenschale. Die stärkere Kühlung verringert die Wärmeausdehnung der ringförmigen Schale und verkleinert den Abstand zwischen der ringförmigen Schale und den rotierenden Komponenten der Turbine.
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Das Maß der Kühlung der verdichteten Luft hängt von der Menge des Brennstoffs ab, der durch den Wärmetauscher strömt. Je größer der Brennstoffstrom ist, desto höher ist das Maß der Kühlung der verdichteten Luft. Die Beziehung zwischen dem Brennstoffstrom und dem Maß der Kühlung der verdichteten Luft kann mit Vorteil für die Abstandssteuerung genutzt werden. Diese Nutzung kann durch Kühlen des Kühlmittels mit dem Brennstoffstrom verwirklicht werden, um die Abstandsbreite zwischen den vorderen Enden der Laufschaufeln und den Deckbändern, die an der ringförmigen Innenschale angebracht sind, zu modulieren. Die Modulation kann das Minimieren der Kühlung des Kühlmittels, während der Brennstoffstrom relativ gering ist, beispielsweise während FSNL, beinhalten. Die Minimierung der Kühlung des Kühlmittels während FSNL kann verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Lücke an einem Pinch Point nicht zu schmal wird. Die Modulation kann auch die Verstärkung der Kühlung des Kühlmittels beinhalten, während der Brennstoffstrom vergrößerte wird, um sicherzustellen, dass die Lücke während FSFL nicht zu groß wird.
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Zum Beispiel steigt die Brennstoffströmungsrate dramatisch an, wenn die Gasturbine von voller Drehzahl bei Nulllast (FSNL) auf volle Drehzahl bei Volllast (FSFL) übergeht. Die Kühlung der verdichteten Luft im Wärmetauscher nimmt in Verbindung mit der Vergrößerung des Brennstoffstroms zu. Die Verstärkung der Kühlung wird angewendet, wenn die Gasturbine sich FSFL nähert und damit läuft, um für eine Kühlung der ringförmigen Innenschale zu sorgen, die im Vergleich zur Kühlung der ringförmigen Innenschale während die Gasturbine mit und nahe FSNL läuft, stärker ist.
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Die verstärkte Kühlung der ringförmigen Innenschale aufgrund einer Vergrößerung des Brennstoffstroms kann angewendet werden, um einen gewünschten Abstand bei und nahe FSFL aufrechtzuerhalten, während am Pinch Point oder nahe an FSNL für einen ausreichenden Abstand gesorgt wird. Bei FSNL ist die Brennstoffströmungsrate relativ niedrig und das Maß der Kühlung der verdichteten Luft im Wärmetauscher ist gering. Das geringe Maß an Kühlung der verdichteten Luft ist erwünscht, wenn die Gasturbine einen Pinch Point bei oder nahe bei FSNL hat. Um für einen ausreichenden Abstand beim Pinch Point zu sorgen, ist es hilfreich, eine Wärmeausdehnung der ringförmigen Innenschale zuzulassen, während die Gasturbine am Pinch Point ist. Während die Gasturbine den Pinch Point überwindet, führt die Vergrößerung des Brennstoffstroms zu einer stärkeren Abkühlung der verdichteten Luft, welche die ringförmige Innenschale kühlt. Die stärkere Kühlung verlangsamt die Wärmeausdehnung der ringförmigen Innenschale und minimiert den Abstand während die Gasturbine FSFL erreicht.
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Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit dem beschrieben wurde, was derzeit als die praxistauglichste und am stärksten bevorzugte Ausführungsform betrachtet wird, sei klargestellt, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt ist, sondern im Gegensatz dazu soll sie verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen abdecken, die im Gedanken und Bereich der beigefügten Ansprüche liegen.
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Eine Vorrichtung zur Abstandssteuerung, die verdichtete Kühlluft für ein Turbinengehäuse in einer Gasturbine bereitstellt, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Kühlgaskanal, der durch eine ringförmige Innenschale des Turbinengehäuses verläuft; eine Kühlgasleitung, die mit einem Verdichter der Gasturbine und mit dem Turbinengehäuse verbunden ist, wobei die Kühlgasleitung verdichtete Luft vom Verdichter aufnimmt und die verdichtete Luft zum Turbinengehäuse liefert, und wobei die Kühlgasleitung mit dem Kühlgaskanal in Fluidverbindung steht, und einen Wärmetauscher, der mit der Kühlgasleitung und mit einer Brennstoffleitung verbunden ist, die Brennstoff zu einer Brennkammer der Gasturbine liefert, wobei der Wärmetauscher Wärme vom Kühlgas auf den Brennstoff überträgt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gasturbine
- 12
- Verdichter
- 14
- Brennkammer
- 15
- Brennstoff
- 16
- Turbine
- 17
- Einlass des Verdichters
- 18
- ringförmiges Turbinengehäuse
- 20
- Laufschaufeln
- 22
- Turbinenrad
- 23
- IBH-Einlasswärmeabzapfung
- 24
- Leitschaufeln
- 26
- ringförmige Innenschale
- 27
- Verbrennungsgase
- 28
- Gaskanal
- 30
- Deckbänder
- 32
- ringförmige Außenschale
- 34
- Luftraum
- 36
- Luftraum
- 37
- Druckluftleitung
- 38
- Spalte
- 40
- Kühlkanal
- 42
- Einlass zum Kanal
- 44
- Luftstrom durch den Kanal
- 45
- Auslass zum Kanal
- 46
- Taschenkammer
- 47
- Platte zum Verschließen der Taschenkammer
- 48
- Verdichterabluft-Modulationsventil
- 50
- Wärmetauscher
- 52
- Rohr für Brennstoff im Wärmetauscher
- 54
- Rohr für verdichtete Luft im Wärmetauscher
- 55
- Leitung zur Brennkammer
- 56
- Stromumleiter
- 58
- Stromumleiter
- 60
- Drehzahl
- 62
- Last
- 64
- volle Drehzahl
- 66
- Volllast
- 67
- IBH abgestellt
- 68
- Brennstoffrate
- 70
- Kühlmittelströmungsrate
- 72
- Pinch Point
