DE102018112667A1

DE102018112667A1 - System und Verfahren zur Verwendung eines durch einen Zwischenkühler gekühlten Fluids als Lagerdruckbeaufschlagungsfluidquelle

Info

Publication number: DE102018112667A1
Application number: DE102018112667.0A
Authority: DE
Inventors: Dariusz Andrzej FALKUS; Tho Vankhanh Nguyen; Tuy Cam Huynh; Radu Ioan Danescu; Richard Michael Watkins; Kheun CHIA; Mariusz SEREDYN
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2017-06-01
Filing date: 2018-05-28
Publication date: 2018-12-06
Also published as: JP2019011754A; EP3409903B1; US20180347398A1; EP3409903A1

Abstract

Ein System umfasst eine Gasturbine mit einem Verdichter (12), einer Brennkammer (28) und einer Turbine (32). Das System umfasst einen Zwischenkühler (46), der dazu eingerichtet ist, Auslassluft aus dem Verdichter (12) zu empfangen und die Auslassluft auf eine Temperatur zu kühlen, die niedriger als eine Ölverkokungstemperatur ist. Das System umfasst eine erste Leitung (68), um einen Teil der gekühlten Auslassluft aus dem Zwischenkühler (46) oder von einem Ort stromabwärts vom Zwischenkühler zu einem Lager umzuleiten, das sich im Innern der Turbine (32) befindet, um das Lager mit Druck zu beaufschlagen, sodass ein Austreten von Fluid aus dem Lager verhindert wird.

Description

Hintergrund
Der hier offenbarte Sachgegenstand betrifft Gasturbinen und im engeren Sinne ein System und Verfahren zur Verwendung eines Zwischenkühlers zum Kühlen von Fluid im Hauptströmungsweg der Gasturbine zur Verwendung als Lagerdruckbeaufschlagungsquelle für eine Lagerbaugruppe.
Gasturbinen umfassen im Allgemeinen einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Üblicherweise umfassen die Gasturbinen Lagerbaugruppen zum Lagern des Rotors (der Rotoren). Die Lagerbaugruppen sind üblicherweise um die Welle herum mit dynamischen Dichtungen abgedichtet.
Lager können Dichtsysteme aufweisen, die ein Austreten von Schmieröl aus dem Lagerbereich verhindern. Wenn die Lager von heißen Gasen umgeben sind, kann das Dichtsystem außerdem ein Eindringen der heißen Gase in das Lager verhindern. Zum Abdichten gegen ein Austreten von Schmieröl und Eindringen von heißen Gasen kann angrenzend an die Lagerdichtungen saubere, kühle Druckluft zugeführt werden. Die Quelle der Sperrluft kann ein separater externer Verdichter oder Bläser oder ein Verdichterauslass im Hauptströmungsweg sein. Die Nutzung einer externen Quelle zur Bereitstellung der Sperrluft kann den Leistungsbedarf und die Kosten erhöhen, da die Luft einer zusätzlichen Behandlung (z. B. Kühlung, Filterung, Trocknung) unterzogen wird, bevor sie an das (die) Lager abgegeben wird. Die Verwendung eines Verdichterauslasses als Sperrluftquelle kann die konstruktive Ausführung des Verdichters kompliziert machen, da sie die Betriebsfähigkeit des Verdichters beeinträchtigt. Folglich besteht ein Bedarf an einer verbesserten Luftquelle, die weniger aufwändigere Einrichtungen benötigt und/oder einen geringeren Leistungsbedarf hat.
Kurzdarstellung
Nachstehend sind einige Ausführungsformen zusammengestellt, die für den Schutzbereich des ursprünglich beanspruchten Sachgegenstandes angemessen sind. Diese Ausführungsformen sind nicht als den Schutzbereich des beanspruchten Sachgegenstandes einschränkend aufzufassen, vielmehr sollen diese Ausführungsformen lediglich eine kurze zusammenfassende Darstellung möglicher Formen des beanspruchten Sachgegenstandes liefern. Der beanspruchte Gegenstand kann in der Tat eine Vielzahl von Formen umfassen, die den nachstehend dargelegten Ausführungsformen ähnlich oder davon verschieden sein können.
Unter einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein System eine Gasturbine mit einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine. Das System umfasst einen Zwischenkühler, der dazu eingerichtet ist, Auslassluft aus dem Verdichter zu empfangen und den Auslass zu kühlen. Das System umfasst eine erste Leitung, um einen Teil der gekühlten Auslassluft aus dem Zwischenkühler oder von einem Ort stromabwärts vom Zwischenkühler zu einem Lager umzuleiten, das sich im Innern der Turbine befindet, um das Lager mit Druck zu beaufschlagen, sodass ein Austreten von Fluid aus dem Lager verhindert wird.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Systems kann es vorteilhaft sein, dass der Verdichter einen Hochdruckverdichter-(HDV) Teil und einen Niederdruckverdichter- (NDV) Teil umfasst und der Zwischenkühler dazu eingerichtet ist, die Auslassluft aus dem NDV-Teil zu empfangen.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Systems kann es vorteilhaft sein, dass die Turbine eine Hochdruck-Teilturbine (HDT), eine Mitteldruck-Teilturbine (MDT) und eine Niederdruck-Teilturbine (NDT) umfasst und das Lager sich im Innern der Niederdruck-Teilturbine (NDT) befindet.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Systems kann es vorteilhaft sein, dass das System ein Ventil umfasst, das entlang der ersten Leitung angeordnet ist, und eine mit dem Ventil verbundene Steuerung, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, die Betätigung des Ventils zu steuern, um die Menge der gekühlten Auslassluft, die dem Lager zugeführt wird, zu regulieren.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Systems kann es vorteilhaft sein, dass das System eine Sekundärluftquelle und eine zweite Leitung, die mit der Sekundärquelle verbunden ist, umfasst, wobei die Sekundärquelle dazu eingerichtet ist, Luft aus der Sekundärquelle zu empfangen und die Luft dem Lager zuzuführen, um das Lager mit Druck zu beaufschlagen, und wobei das Ventil entlang der zweiten Leitung angeordnet ist und die Steuerung dazu eingerichtet ist, die Betätigung des Ventils zu steuern, um die Menge der Luft, die dem Lager zugeführt wird, zu regulieren.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Systems kann es vorteilhaft sein, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, beim Anfahren der Gasturbine die Betätigung des Ventils zu steuern, um zu verhindern, dass dem Lager die gekühlte Auslassluft zugeführt wird, und zu ermöglichen, dass dem Lager Luft aus der Sekundärquelle zugeführt wird.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Systems kann es vorteilhaft sein, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, während des stationären Betriebs der Gasturbine die Betätigung des Ventils zu steuern, um zu verhindern, dass dem Lager Luft aus der Sekundärquelle zugeführt wird, und zu ermöglichen, dass dem Lager die gekühlte Auslassluft zugeführt wird.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Systems kann es vorteilhaft sein, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, beim Herunterfahren der Gasturbine die Betätigung des Ventils zu steuern, um zu verhindern, dass dem Lager die gekühlte Auslassluft zugeführt wird, und zu ermöglichen, dass dem Lager Luft aus der Sekundärquelle zugeführt wird.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Systems kann es vorteilhaft sein, dass die Sekundärluftquelle einen Bläser oder ein Gebläse umfasst.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Systems kann es vorteilhaft sein, dass die Temperatur der Auslassluft niedriger als 121 °C ist.
Unter einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst ein System eine Gasturbine mit einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine. Das System umfasst einen Zwischenkühler, der dazu eingerichtet ist, Auslassluft aus dem Verdichter zu empfangen und den Auslass zu kühlen. Das System umfasst eine erste Leitung, die dazu eingerichtet ist, einen Teil der gekühlten Auslassluft aus dem Zwischenkühler oder von einem Ort stromabwärts vom Zwischenkühler zu einem Lager umzuleiten, das sich im Innern der Turbine befindet, um das Lager mit Druck zu beaufschlagen, sodass ein Austreten von Fluid aus dem Lager verhindert wird. Das System umfasst eine Sekundärluftquelle und eine zweite Leitung, die mit der Sekundärquelle verbunden ist und dazu eingerichtet ist, Luft aus der Sekundärquelle zu empfangen und die Luft dem Lager zuzuführen, um das Lager mit Druck zu beaufschlagen, sodass ein Austreten von Fluid aus dem Lager verhindert wird. Das System umfasst ein Ventil, das entlang sowohl der ersten als auch der zweiten Leitung angeordnet ist, und eine mit dem Ventil verbundene Steuerung. Die Steuerung bestimmt basierend auf dem Betriebszustand der Gasturbine, ob dem Lager die gekühlte Auslassluft aus der ersten Leitung oder die Luft aus der zweiten Leitung zuzuführen ist.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Systems kann es vorteilhaft sein, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, beim Anfahren der Gasturbine die Betätigung des Ventils zu steuern, um zu verhindern, dass dem Lager die gekühlte Auslassluft zugeführt wird, und zu ermöglichen, dass dem Lager Luft aus der Sekundärquelle zugeführt wird.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Systems kann es vorteilhaft sein, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, während des stationären Betriebs der Gasturbine die Betätigung des Ventils zu steuern, um zu verhindern, dass dem Lager Luft aus der Sekundärquelle zugeführt wird, und zu ermöglichen, dass dem Lager die gekühlte Auslassluft zugeführt wird.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Systems kann es vorteilhaft sein, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, beim Herunterfahren der Gasturbine die Betätigung des Ventils zu steuern, um zu verhindern, dass dem Lager die gekühlte Auslassluft zugeführt wird, und zu ermöglichen, dass dem Lager Luft aus der Sekundärquelle zugeführt wird.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Systems kann es vorteilhaft sein, dass der Verdichter einen Hochdruckverdichter-(HDV) Teil und einen Niederdruckverdichter- (NDV) Teil umfasst und der Zwischenkühler dazu eingerichtet ist, die Auslassluft aus dem NDV-Teil zu empfangen.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Systems kann es vorteilhaft sein, dass die Turbine eine Hochdruck-Teilturbine (HDT), eine Mitteldruck-Teilturbine (MDT) und eine Niederdruck-Teilturbine (NDT) umfasst und das Lager sich im Innern der Niederdruck-Teilturbine (NDT) befindet.
Unter einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt. Vorzugsweise kann das Verfahren mittels einer Gasturbinensteuerung ausgeführt werden. Die Gasturbinensteuerung umfasst einen Speicher, der eine oder mehrere prozessorausführbare Routinen codiert, und einen Prozessor, der dafür programmiert ist, auf die eine oder die mehreren vom Speicher codierten Routinen zuzugreifen und diese auszuführen. Wenn die Routinen ausgeführt werden, veranlassen sie den Prozessor, basierend auf dem Betriebszustand der Gasturbine zu bestimmen, ob einem Lager, das sich im Innern einer Turbine der Gasturbine befindet, gekühlte Auslassluft aus einer ersten Leitung oder Luft aus einer zweiten Leitung zuzuführen ist, um das Lager mit Druck zu beaufschlagen, sodass ein Austreten von Fluid aus dem Lager verhindert wird. Die erste Leitung ist mit einem Zwischenkühler oder einen Ort stromabwärts des Zwischenkühlers verbunden, und die zweite Leitung ist mit einer Sekundärluftquelle verbunden. Wenn die Routinen ausgeführt werden, veranlassen sie den Prozessor, die Betätigung eines Ventils, das entlang sowohl der ersten als auch der Leitung angeordnet ist, zu steuern, um dem Lager nur die gekühlte Auslassluft oder nur die Luft zuzuführen. Alternativ kann das Verfahren mittels anderer geeigneter Hardware-Mittel ausgeführt werden.
Bei irgendeiner Ausführungsform der Gasturbinensteuerung kann es vorteilhaft sein, dass der Prozessor dafür programmiert ist, auf die eine oder die mehreren Routinen zuzugreifen und diese auszuführen, um die Betätigung des Ventils zu steuern, um beim Anfahren der Gasturbine zu verhindern, dass dem Lager die gekühlte Auslassluft zugeführt wird, und zu ermöglichen, dass dem Lager Luft aus der Sekundärquelle zugeführt wird.
Bei irgendeiner Ausführungsform der Gasturbinensteuerung kann es vorteilhaft sein, dass der Prozessor dafür programmiert ist, auf die eine oder die mehreren Routinen zuzugreifen und diese auszuführen, um die Betätigung des Ventils zu steuern, um während des stationären Betriebs der Gasturbine zu verhindern, dass dem Lager Luft aus der Sekundärquelle zugeführt wird, und zu ermöglichen, dass dem Lager die gekühlte Auslassluft zugeführt wird.
Bei irgendeiner Ausführungsform der Gasturbinensteuerung kann es vorteilhaft sein, dass der Prozessor dafür programmiert ist, auf die eine oder die mehreren Routinen zuzugreifen und diese auszuführen, um die Betätigung des Ventils zu steuern, um beim Herunterfahren der Gasturbine zu verhindern, dass dem Lager die gekühlte Auslassluft zugeführt wird, und zu ermöglichen, dass dem Lager Luft aus der Sekundärquelle zugeführt wird.
Figurenliste
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile des hier beanspruchten Gegenstandes werden verständlicher, wenn die folgende ausführliche Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, wobei gleiche Bezugszeichen überall in den Zeichnungen gleiche Teile bezeichnen, wobei

1 eine Blockdarstellung einer Ausführungsform einer Gasturbinenanlage und einer Lagerbaugruppe, die zwischengekühlte Luft nutzt, ist;
2 eine Blockdarstellung einer Ausführungsform der Gasturbinenanlage ist, wobei die Luftquellen und eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, ein Fluid-Steuerventil zu steuern, bildlich dargestellt sind;
3 eine Blockdarstellung einer anderen Ausführungsform der Gasturbinenanlage ist, wobei die Luftquellen und eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, ein Fluid-Steuerventil zu steuern, bildlich dargestellt sind;
4 eine Querschnittsansicht der Lagerbaugruppe entlang der Linie 4-4 von 2 ist; und
5 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines computerimplementierten Verfahrens zum Steuern einer Menge von der Luftquelle ist, das teilweise auf einem Betriebsmodus der Gasturbinenanlage basiert,

Ausführliche Beschreibung
Nachstehend werden eine oder mehrere besondere Ausführungsformen des hier beanspruchten Sachgegenstandes beschrieben. In dem Bestreben, diese Ausführungsformen kurz und prägnant zu beschreiben, werden in der Beschreibung ggf. nicht alle Merkmale einer konkreten Implementierung beschrieben. Es sollte nachvollziehbar sein, dass bei der Entwicklung einer solchen tatsächlichen Implementierung wie bei jedem Engineering- oder Designprojekt zahlreiche implementierungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele der Entwickler zu erreichen, etwa systembedingte und betriebswirtschaftliche Randbedingungen zu beachten sind, die sich von einer Implementierung zur anderen unterscheiden können. Darüber hinaus sollte nachvollziehbar sein, dass solch eine Entwicklungstätigkeit zwar komplex und zeitaufwendig sein könnte, aber dennoch für den Durchschnittsfachmann, dem diese Offenbarung zum Vorteil gereicht, eine routinemäßige Ausführung von Entwurf, Fertigung und Herstellung darstellt.
Bei der Einführung von Elementen verschiedener Ausführungsformen des hier beanspruchten Gegenstandes sollen die Artikel „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ usw. bedeuten, dass es eines oder mehrere der Elemente gibt. Die Ausdrücke „umfassend“, „einschließend“ und „aufweisend“ haben eine inkludierende Bedeutung und geben an, dass es neben den aufgeführten Elementen weitere Elemente geben kann.
Die offenbarten Ausführungsformen zielen darauf ab, saubere, kühle Luft bereitzustellen, die zu einer Lagerbaugruppe gepresst wird. Durch die Nutzung der Luftquellen gemäß den Ausführungsformen, die hier offenbart sind, wird die Verwendung teurer Instrumentenluft, die herkömmlich eingesetzt wird, vermieden. Darüber hinaus wird durch die Nutzung der Luftquellen gemäß den Ausführungsformen, die hier offenbart sind, der Leistungsbedarf einer Gasturbinenanlage durch Reduzieren des Bedarfs für Drucklufteinrichtungen und dazugehörendem Zubehör verringert. Die offenbarten Ausführungsformen umfassen eine erste und eine zweite Quelle. Die erste Luftquelle kann genutzt werden, wenn die Gasturbinenanlage im normalen Betriebsmodus (z. B. unter Last) ist. Die zweite Luftquelle kann benutzt werden, wenn die Gasturbine im Anfahrmodus oder Modus zum Herunterfahren läuft. Eine Steuerung ist mit einem oder mehreren Steuerventilen kommunikationsverbunden, die der ersten Luftquelle und der zweiten Luftquelle zugeordnet sind. Die Steuerung steuert die Betätigung des Steuerventils (der Steuerventile), um Luft aus der ersten Luftquelle und/oder der zweiten Luftquelle in Abhängigkeit, zumindest teilweise, vom Betriebszustand der Gasturbinenanlage bereitzustellen. Die Steuerung kann auf der Grundlage von Gasturbinenparametern und/oder Eingaben, die von einer Benutzerschnittstelle und/oder in der gesamten Anlage angeordneten Sensoren empfangen werden, zwischen der ersten Luftquelle und der zweiten Luftquelle wechseln.
Bei Verwendung der ersten Luftquelle wird die Luftquelle via eine erste Leitung zur Lagerbaugruppe geleitet. Die erste Luftquelle umfasst Auslassluft, die aus einem Niederdruckteil des Verdichters ausströmt und in einem Zwischenkühler gekühlt wird. Nachdem sie gekühlt worden ist, strömt die Auslassluft in einen Hochdruckteil des Verdichters zurück. Ein Teil der gekühlten Auslassluft, der sich in einer Spirale angesammelt hat, wird via eine erste Leitung zur Lagerbaugruppe geleitet. Die Lagerbaugruppe benutzt die Auslassluft zur Druckbeaufschlagung des Lagers, um die Migration von Öl aus einem Schmierölsystem zu reduzieren.
Bei Verwendung der zweiten Luftquelle kann die Luft von einer Quelle, wie etwa einem in der Gasturbinenanlage angeordneten Bläser oder Gebläse, bereitgestellt werden. Die zweite Luftquelle wird beim Anfahren und/oder Herunterfahren der Gasturbinenanlage genutzt. Es versteht sich, dass die zweite Luftquelle abgesehen von der Abdichtung des Lagers auch für andere Zwecke im Gasturbinensystem verwendet werden kann. Die zweite Luftquelle wird via eine zweite Leitung zur Lagerbaugruppe geleitet. Die erste und die zweite Leitung können zu einer gemeinsamen Leitung vereint sein, die die gekühlte Luft zur Lagerbaugruppe leitet. Alternativ können die erste und die zweite Leitung völlig getrennt sein und jeweils die Luft (z. B. die Auslassluft, die Bläser- bzw. Gebläseluft) zur Lagerbaugruppe leiten. Ein oder mehrere Steuerventile sind dafür konzipiert, den Luftstrom zum Lager zu regulieren. Die Betätigung des einen oder der mehreren Steuerventile kann mittels einer Steuerung gesteuert werden, um den Luftstrom in das Lager zu regulieren. Die Temperatur der Luft wird unter die Verkokungstemperatur des im Schmierölsystem verwendeten Öls abgesenkt, um das Auftreten von Ölverkokungen zu reduzieren.
Nun zu den Zeichnungen: 1 zeigt eine Blockdarstellung einer Ausführungsform einer Gasturbinenanlage 10, die eine von einem Verdichter erzeugte Luftquelle empfängt. Ein Verdichter 12 saugt Umgebungsluft 14 via einen Lufteinlass 16 in die Gasturbinenanlage 10 ein. Die Umgebungsluft 14 wird mittels eines geeigneten Mechanismus, wie etwa eine Kaltluftansaugung, über den Lufteinlass 16 in die Gasturbine eingesaugt 10, um anschließend als Einlassluft 18 in den Verdichter 12 einzuströmen. Der Verdichter 12 verdichtet die Einlassluft 18 und bildet mithilfe rotierender Schaufeln im Innern des Verdichters 12 Druckluft 20. Beim Verdichten der Einlassluft 18 bringt der Verdichter 12 Energie in die Einlassluft 18 ein und erhöht dadurch den Druck und die Temperatur, sodass die Druckluft 20 wärmer und auf einem höheren Druck als die Umgebungsluft 14 ist. Die Druckluft 20 kann in eine oder mehrere Einspritzdüsen 22 ausgespeist werden, die die Druckluft 20 und einen Kraftstoff 24 (z. B. einen Flüssigkraftstoff und/oder Gaskraftstoff, wie etwa Erdgas) mischen, um ein für die Verbrennung geeignetes Luft/KraftstoffGemisch 26 zu erzeugen.
Wie bildlich dargestellt ist, strömt die Druckluft 20 in eine Einspritzdüse 22 ein und mischt sich mit dem Kraftstoff 24. Die Einspritzdüse 22 leitet das Brenngemisch 26 in eine Brennkammer 28. Die Brennkammer 28 zündet und verbrennt das Brenngemisch 26, sodass Verbrennungsprodukte 30 gebildet werden. Die Verbrennungsprodukte 30 werden zu einer Gasturbine 32 geleitet, wo sich die Verbrennungsprodukte 30 ausdehnen und die Schaufeln der Gasturbine 32 um eine Welle 34 antreiben. Die Welle 34 wird von einer oder mehreren Lagerbaugruppen 50 gelagert, die im Innern der Gasturbine 32 angeordnet sind.
Die Gasturbine 32 ist über die gemeinsame Welle 34 mit dem Verdichter 12 verbunden. Als Bauteile eines Verdichters 12 sind auch Verdichterflügel oder -schaufeln beteiligt. Die Schaufeln im Innern des Verdichters 12 sind mit einer Welle 34 verbunden, die von der Gasturbine 32 angetrieben wird. Die Welle 34 ist mit verschiedenen Bauteilen (z. B. Verdichter 12, Gasturbine 32 in der gesamten Gasturbinenanlage 10 verbunden. Schließlich verlassen die Verbrennungsprodukte 30 die Gasturbine 32 als Abgase 38, die dann die Gasturbinenanlage 10 über einen Abgasauslass 40 verlassen. Bei einigen Ausführungsformen können die Abgase 38 (z. B. erneut druckbeaufschlagt) zum Antreiben einer Last 48 genutzt werden. Die Last 48 kann einen Stromgenerator, eine Pumpe, andere wellengetriebene Einrichtungen usw. umfassen.
Wie hier erörtert, kann eine stromabwärts vom Verdichter 12 angeordnete Lagerbaugruppe 50 Luftquellen 54 zur Druckbeaufschlagung des Lagers nutzen. Das System 10 kann eine erste Luftquelle 56 (z. B. einen Teil der Auslassluft 52) aus dem Verdichterteil verwenden, sobald sie mittels des Zwischenkühlers 46 gekühlt und zur Lagerbaugruppe 50 geleitet worden ist, um eine Dichtung zu bilden, sodass aus einer Schmierölkammer 42 kein Öl austritt. Darüber hinaus kann durch Nutzen gekühlter Luft in der Lagerbaugruppe 50 eine Migration heißer Gase (z. B. eines Arbeitsfluids) in eine Schmierölkammer reduziert werden. Die Auslassluft 52 aus dem Verdichter 12 kann aus dem Verdichter 12 durch eine Spirale 44 (z. B. einen Sammler) geleitet werden, nachdem sie in einem Zwischenkühler 46 oder einer anderen Struktur mit großem Durchmesser gekühlt wurde, wie mit Bezug auf 2 ausführlicher erläutert. Bei einigen Ausführungsformen kann die Luft, die dem Lager 50 zugeführt wird, von einer Sekundärquelle 58 zugeführt werden.
2 bis 3 zeigen Blockdarstellungen von Ausführungsformen der Gasturbinenanlage 10, wobei die Luftquellen 54 und eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, ein Fluid-Steuerventil zu steuern, bildlich dargestellt sind. Es versteht sich, dass die Luftquellen 54, die auf die Lagerbaugruppe 50 abzielen, via die erste Luftquelle 56 (z. B. aus dem Verdichter 12) oder die zweite Luftquelle 58 bereitgestellt werden können. Die zweite Luftquelle 58 kann Luft umfassen, die von einem Bläser, einem Gebläse oder anderen Betriebseinrichtungen, die an anderer Stelle in der Gasturbinenanlage 10 benutzt werden, bereitgestellt wird. Ganz gleich, ob die Luft von der ersten Luftquelle 56 oder der zweiten Luftquelle 58 bereitgestellt wird, die Temperatur der Luft wird durch Kühlen herabgesetzt. Bei einigen Ausführungsformen kann die Temperatur der Luft durch Kühlen so weit herabgesetzt werden, dass sie niedriger als die Verkokungstemperatur des Öls in einer Schmieröl-Lagerkammer ist, wie unter Bezugnahme auf 4 bis 5 genauer erörtert wird.
Die erste Luftquelle 56 kann via eine erste Leitung 68 zur Lagerbaugruppe 50 geleitet werden. Die erste Luftquelle 56 wird mittels eines Zwischenkühlers 46 oder einer anderen geeigneten Kühleinrichtung gekühlt. Der Zwischenkühler 46 empfängt Auslassluft 52 aus einem Niederdruckteil 70 des Verdichters 12. Die Auslassluft 52 aus dem Niederdruckteil 70 des Verdichters 12 wird im Zwischenkühler 46 bei einem Wärmeabfuhrprozess gekühlt. Nachdem die Auslassluft 52 den Zwischenkühler 46 passiert hat, wird die Auslassluft 52 wieder in einen Hochdruckteil 72 des Verdichters 12 geleitet. Die gekühlte Auslassluft 52 wird dann weiter verdichtet, bevor sie als Druckluft 20 ausgestoßen wird. Ein Teil 74 der gekühlten Auslassluft 52 wird aus dem Zwischenkühler 46 via die erste Leitung 68 zur Lagerbaugruppe 50 geleitet. Der Strom der gekühlten Auslassluft 52 wird mittels eines ersten Luftventils 76 gesteuert, das mit der ersten Leitung 68 fluidisch verbunden ist. Wie nachstehend ausführlich erläutert, ist das erste Luftventil 76 mit einer Steuerung 78 kommunikationsverbunden. Die Turbine 32 kann eine Hochdruck-Teilturbine 80, eine Mitteldruck-Teilturbine 82 und eine Niederdruck-Teilturbine 84 umfassen. In der Turbine 32 können eine oder mehrere Lagerbaugruppen 50 verwendet werden, und die erste Leitung 68 kann verwendet werden, um die erste Luftquelle 56 zur Lagerbaugruppe 50 zu leiten, die in einer der Teilturbinen (z. B. in der Niederdruck-Teilturbine 84, der Mitteldruck-Teilturbine 82, der Hochdruck-Teilturbine 80) angeordnet ist, zu leiten.
Die zweite Luftquelle 58 kann von einem Bläser, einem Gebläse oder einer anderen geeigneten Luftquelle in der Gasturbinenanlage 10 bereitgestellt werden. Alles oder ein Teil von der Sekundärluftquelle 58 kann via eine zweite Leitung 86 zur Lagerbaugruppe 50 geleitet werden. Die zweite Leitung 86 kann die Sekundärluftquelle 58 in einen beliebigen Abschnitt der Turbine 32 leiten. Es versteht sich, dass die zweite Leitung 86 die zweite Luftquelle 58 in eine beliebige Lagerbaugruppe 50 leiten kann, die sich in einer beliebigen der Teilturbinen 80, 82, 84 befindet, wie vorstehend mit Bezug auf die erste Luftquelle 56 beschrieben.
Die zweite Leitung 86 weist ein zweites Luftventil 88 auf, das mit der zweiten Leitung 86 fluidisch verbunden ist. Obwohl die zweite Leitung 86 getrennt von der ersten Leitung 68 dargestellt ist, versteht sich, dass bei einigen Ausführungsformen die erste Leitung 68 und die zweite Leitung 86 vereint sein können, um eine einzige Leitung zu bilden, und mittels eines einzigen Ventils 75 gesteuert werden, wie in 3 dargestellt. Das erste Luftventil 76 und das zweite Luftventil 88 sind mit der Steuerung 78 kommunikationsverbunden. Obwohl eine einzige Steuerung als sowohl das erste Luftventil 76 als auch das zweite Luftventil 88 steuernd gezeigt ist, kann zur Steuerung der Luftventile mehr als eine Steuerung verwendet werden. Zudem kann zur Steuerung des ersten Luftventils 76 und des zweiten Luftventils 88 eine Steuerung verwendet werden, mit der auch andere Einrichtungen in der Anlage 10 gesteuert werden.
Die Steuerung 78 umfasst einen Speicher 90 und einen Prozessor 92. Die Steuerung 78 wird verwendet, um das erste Luftventil 76, das zweite Luftventil 88 oder eine Kombination davon zu betätigen, um den Strom der Luftquellen 54 zu steuern. Die Steuerung 78 umfasst nichtflüchtigen Code oder Befehle, die in einem maschinenlesbaren Medium (z. B. Speicher 90) gespeichert sind und vom Prozessor (z. B. Prozessor 92) verwendet werden, um die hier offenbarten Techniken zu implementieren. Bei einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 78 zum Speichern von Befehlen (z. B. Code, Routinen) den Speicher 90 benutzen und zum Ausführen der Befehle oder Routinen den Prozessor 92 (z. B. mehrere Mikroprozessoren, einen oder mehrere „Universal“-Mikroprozessoren, einen oder mehrere Spezial-Mikroprozessoren und/oder eine andere Prozessorkonfiguration) benutzen. Die Steuerung 78 empfängt ein oder mehrere Eingangssignale von Sensoren, darunter Gasturbineneingangsgrößen, und von anderen Bauteilen (z. B. von der Benutzerschnittstelle 66) der Anlage 10. Die verschiedenen Eingangssignale können Gasturbinenausgangsgrößen (z. B. Temperatur, Volumenstrom), Betriebsbedingungen oder Betriebsmodi der Anlage 10 umfassen. Die Steuerung kann eine oder mehrere Arten von Steuerungsschemata benutzen, die auf den Betriebsmodi der Anlage basieren, wie mit Bezug auf 4 ausführlicher erläutert. Die Steuerung 78 wird benutzt, um das Strömen der Luftquellen 54 (z. B. der ersten Luftquelle 56, der Sekundärluftquelle 58) zu steuern, um das Lager 50 mit Druck zu beaufschlagen, sodass, wie mit Bezug auf 3 ausführlicher erläutert, ein Austreten eines Fluids aus dem Lager 50 reduziert wird.
4 ist eine Querschnittsansicht der Lagerbaugruppe 50 entlang der Linie 4-4 von 2. Die Lagerbaugruppe 50 umfasst ein Lager, das in einem Lagergehäuse 94 angeordnet ist. Die Lagerbaugruppe 50 umfasst einen oder mehrere Sensoren 96, die in der gesamten Lagerbaugruppe 50 angeordnet sind. Die Sensoren 96 können dazu eingerichtet sein, unter anderem die Lufttemperatur, die Öltemperatur, den Luftdruck, den Energieverbrauch, die Drehzahl rotierender Einrichtungen und den Freiraum zwischen rotierenden und unbeweglichen Bauteilen zu überwachen. Die Sensoren 96 können Daten ausgeben, die für die überwachten Bedingungen repräsentativ sind. Für ein Steuern von Volumenstrom, Temperatur und/oder Druck der Luftquellen 54 (z. B. der ersten Luftquelle 56, der zweiten Luftquelle 58) kann die Steuerung 78 Signale von den Sensoren 96 empfangen.
Das Lager 50 weist einen vorderen Puffer-Hohlraum 98 und einen hinteren Puffer-Hohlraum 100 auf. Die Puffer-Hohlräume 98, 100 sind benachbart zur Schmieröl-Lagerkammer angeordnet. Es versteht sich, dass die Temperatur der Luftquellen 54 so weit abgekühlt wird, dass sie unter einer Temperatur liegt, die dazu führen kann, dass das im Schmierölsystem 42 enthaltene Öl verkokt (z. B. zusammengepresste Feststoffe bildet). Eine Verkokung kann auftreten, wenn die Temperatur des Öls höher als die Temperatur ist, bei der das Öl stabil bleibt. Das Öl kann beispielsweise bei rund 190 bis 250 Grad Celsius, 200 bis 230 Grad Celsius, 210 bis 220 Grad Celsius und allen Temperaturen dazwischen beginnen zu verkoken. Bei diesem Beispiel ist es vorteilhaft, die Temperatur der Luftquellen durch Kühlen auf weniger als 190 Grad Celsius herabzusetzen. Die Luftquellen 54 können beispielsweise auf ungefähr 100 bis 160 Grad Celsius, 115 bis 150 Grad Celsius, 120 bis 140 Grad Celsius und alle Temperaturen dazwischen gekühlt werden. Der Volumenstrom der Luftquellen 54 durch die Lagerbaugruppe 50 kann im Bereich von ungefähr 150 Normalkubikfuß pro Minute (scfm) bis 400 scfm, 200 bis 300 scfm, 220 bis 280 scfm liegen, und alle Volumenströme dazwischen umfassen.
Die gekühlte Luft kann via eine Leitung, eine Öffnung, eine Düse oder auf andere geeignete Weise in den vorderen Puffer-Hohlraum 98 und/oder den hinteren Puffer-Hohlraum 100 eingebracht werden. Da dabei eine Abdichtung gebildet wird, hilft ein Einspeisen der Druckluftquellen 54 in das Lager 50 sicherzustellen, dass das Öl nicht aus der Schmierölkammer 42 austritt. Darüber hinaus wird durch die Nutzung der Luftquellen 54 in der Lagerbaugruppe 50 die Migration heißer Luft (z. B. Arbeitsfluid) in das Lager 50 reduziert. Die Luftquelle 54, die in der Lagerbaugruppe 50 benutzt wird, kann in Abhängigkeit vom Betriebsmodus der Gasturbinenanlage 10 variieren, wie mit Bezug auf 4 ausführlicher erläutert.
5 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines computerimplementierten Verfahrens 110 zum Steuern einer Menge von der Luftquelle, das teilweise auf einem Betriebsmodus der Gasturbinenanlage 10 basiert. Das Verfahren umfasst ein Empfangen (Block 112) von Eingaben, die für Gasturbinenparameter repräsentativ sind, und/oder Eingaben von einer Benutzerschnittstelle. Das Verfahren umfasst ein Benutzen der Gasturbineneingaben, um den Betriebsmodus der Gasturbine zu bestimmen (Block 114). Das Verfahren umfasst ein Empfangen (Block 116) eines Hinweises auf einen Anfahrmodus, ein Empfangen (Block 118) eines Hinweises auf einen Betriebsmodus oder ein Empfangen (Block 120) eines Hinweises auf einen Modus zum Herunterfahren. Das Verfahren umfasst ein Zuführen (Block 122) gekühlter Luft via die zweite Luftquelle (z. B. von einem Bläser) zur Lagerbaugruppe via die zweite Leitung, wenn die Anlage 10 im Anfahrmodus läuft, wenn der Verdichter in Betrieb genommen wird. Das Verfahren umfasst ein Zuführen (Block 124) gekühlter Luft via die erste Luftquelle (z. B. via gekühlte Auslassluft aus dem Verdichter) zur Lagerbaugruppe, wenn die Anlage 10 im (z. B. normalen, unter Last erfolgenden) Betriebsmodus ist. Das Verfahren umfasst ein Zuführen (Block 126) gekühlter Luft via die zweite Luftquelle (z. B. von einem Bläser) zur Lagerbaugruppe via die zweite Leitung, wenn die Anlage 10 im Modus zum Herunterfahren läuft. Das Verfahren umfasst ein Steuern (Block 128) der Betätigung des Ventils, um basierend auf dem Betriebsmodus zwischen den Luftquellen (z. B. der ersten Luftquelle, der zweiten Luftquelle) zu wechseln. Es versteht sich, dass die erste Leitung und die zweite Leitung separate Steuerventile nutzen können, die zum Steuern der Luftströme betätigt werden. Bei anderen Ausführungsformen können die erste und zweite Leitung vereint sein und mittels desselben Ventils gesteuert werden.
Die technischen Wirkungen des beanspruchten Gegenstandes umfassen die Verwendung einer ersten und einer zweiten Luftquelle, um eine Lagerbaugruppe mit Druckluft zu versorgen. Die erste Luftquelle kann benutzt werden, wenn die Gasturbinenanlage im normalen Betriebsmodus (z. B. unter Last) läuft. Die zweite Luftquelle kann benutzt werden, wenn die Gasturbine im Anfahrmodus oder Modus zum Herunterfahren läuft. Die Steuerung ist mit einem oder mehreren Steuerventilen kommunikationsverbunden, die der ersten Luftquelle und der zweiten Luftquelle zugeordnet sind, um eine Betätigung des Steuerventils (der Steuerventile) zu steuern, um Luft aus der ersten Luftquelle und/oder der zweiten Luftquelle in Abhängigkeit, zumindest teilweise, vom Betriebszustand der Gasturbinenanlage bereitzustellen. Die erste Luftquelle wird via eine erste Leitung zur Lagerbaugruppe geleitet. Die erste Luftquelle umfasst Auslassluft, die aus einem Niederdruckteil des Verdichters ausströmt und in einem Zwischenkühler gekühlt wird. Nachdem sie gekühlt worden ist, strömt die Auslassluft in einen Hochdruckteil des Verdichters zurück. Ein Teil der gekühlten Auslassluft, der sich in einer Spirale angesammelt hat, wird via eine erste Leitung zur Lagerbaugruppe geleitet. Die zweite Luftquelle wird via eine zweite Leitung zur Lagerbaugruppe geleitet. Die Temperatur der Luft wird unter die Verkokungstemperatur des im Schmierölsystem verwendeten Öls abgesenkt, um das Auftreten von Ölverkokungen zu reduzieren. Die Lagerbaugruppe benutzt die Auslassluft zur Druckbeaufschlagung des Lagers, um die Migration von Öl aus einem Schmierölsystem zu reduzieren.
Diese Beschreibung in Schriftform verwendet Beispiele, um den beanspruchten Gegenstand zu offenbaren, darunter die beste Ausführungsform, und außerdem einem Fachmann zu ermöglichen, den beanspruchten Gegenstand auszuüben, die Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und die Durchführung der damit verbundenen Verfahren eingeschlossen. Der patentierbare Umfang des beanspruchten Gegenstandes ist durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele umfassen, die dem Fachmann in den Sinn kommen. Solche anderen Beispiele sollen als in den Schutzbereich der Ansprüche fallend aufgefasst werden, wenn sie Bausteine aufweisen, die nicht vom Wortlaut der Ansprüche abweichen, oder wenn sie äquivalente Bausteine mit unwesentlichen Abweichungen vom Wortlaut der Ansprüche aufweisen.
Ein System umfasst eine Gasturbine mit einem Verdichter 12, einer Brennkammer 28 und einer Turbine 32. Das System umfasst einen Zwischenkühler 46, der dazu eingerichtet ist, Auslassluft aus dem Verdichter 12 zu empfangen und die Auslassluft auf eine Temperatur zu kühlen, die niedriger als eine Ölverkokungstemperatur ist. Das System umfasst eine erste Leitung 68, um einen Teil der gekühlten Auslassluft aus dem Zwischenkühler 46 oder von einem Ort stromabwärts vom Zwischenkühler zu einem Lager umzuleiten, das sich im Innern der Turbine 32 befindet, um das Lager mit Druck zu beaufschlagen, sodass ein Austreten von Fluid aus dem Lager verhindert wird.

Claims

System, aufweisend: eine Gasturbine mit einem Verdichter (12); einer Brennkammer (28) und einer Turbine (32); einen Zwischenkühler (46), der dazu eingerichtet ist, Auslassluft aus dem Verdichter (12) zu empfangen und die Auslassluft zu kühlen; und eine erste Leitung (68), die dazu eingerichtet ist, einen Teil der gekühlten Auslassluft aus dem Zwischenkühler (46) oder von einem Ort stromabwärts des Zwischenkühlers (46) zu einem Lager umzuleiten, das sich im Innern der Turbine (32) befindet, um das Lager mit Druck zu beaufschlagen, sodass ein Austreten von Fluid aus dem Lager (50) verhindert wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Verdichter (12) einen Hochdruckverdichter- (HDV) Teil und einen Niederdruckverdichter-(NDV) Teil aufweist und der Zwischenkühler (46) dazu eingerichtet ist, die Auslassluft aus dem NDV-Teil zu empfangen.
System nach Anspruch 2, wobei die Turbine (32) eine Hochdruck-Teilturbine (HDT), eine Mitteldruck-Teilturbine (MDT) und eine Niederdruck-Teilturbine (NDT) aufweist und das Lager sich im Innern der Niederdruck-Teilturbine (NDT) befindet.
System nach Anspruch 1, umfassend ein Ventil, das entlang der ersten Leitung (68) angeordnet ist, und eine mit dem Ventil (76) verbundene Steuerung (78), wobei die Steuerung (78) dazu eingerichtet ist, die Betätigung des Ventils (76) zu steuern, um die Menge der gekühlten Auslassluft, die dem Lager (50) zugeführt wird, zu regulieren.
System nach Anspruch 4, umfassend eine Sekundärluftquelle (58) und eine zweite Leitung (86), die mit der Sekundärquelle (58) verbunden ist, wobei die Sekundärquelle (58) dazu eingerichtet ist, Luft aus der Sekundärquelle (58) zu empfangen und die Luft dem Lager zuzuführen, um das Lager (50) mit Druck zu beaufschlagen, und wobei das Ventil (88) entlang der zweiten Leitung (86) angeordnet ist und die Steuerung (78) dazu eingerichtet ist, die Betätigung des Ventils (88) zu steuern, um die Menge Luft, die dem Lager (50) zugeführt wird, zu regulieren.
System nach Anspruch 5, wobei die Steuerung (78) dazu eingerichtet ist, beim Anfahren der Gasturbine die Betätigung des Ventils (88) zu steuern, um zu verhindern, dass dem Lager (50) die gekühlte Auslassluft zugeführt wird, und zu ermöglichen, dass dem Lager (50) Luft aus der Sekundärquelle (58) zugeführt wird.
System nach Anspruch 6, wobei die Steuerung (78) dazu eingerichtet ist, während des stationären Betriebs der Gasturbine die Betätigung des Ventils (76) zu steuern, um zu verhindern, dass dem Lager (50) Luft aus der Sekundärquelle (58) zugeführt wird, und zu ermöglichen, dass dem Lager (50) die gekühlte Auslassluft zugeführt wird.
System nach Anspruch 7, wobei die Steuerung (78) dazu eingerichtet ist, beim Herunterfahren der Gasturbine die Betätigung des Ventils (76) zu steuern, um zu verhindern, dass dem Lager die gekühlte Auslassluft zugeführt wird, und zu ermöglichen, dass dem Lager (50) Luft aus der Sekundärquelle zugeführt wird.
System, aufweisend: eine Gasturbine mit einem Verdichter (12); einer Brennkammer (28) und einer Turbine (32); einen Zwischenkühler (46), der dazu eingerichtet ist, Auslassluft aus dem Verdichter zu empfangen und die Auslassluft zu kühlen; eine erste Leitung (68), die dazu eingerichtet ist, einen Teil der gekühlten Auslassluft aus dem Zwischenkühler (46) oder von einem Ort stromabwärts des Zwischenkühlers (46) zu einem Lager (50) umzuleiten, das sich im Innern der Turbine (32) befindet, um das Lager (50) mit Druck zu beaufschlagen, sodass ein Austreten von Fluid aus dem Lager (50) verhindert wird; eine Sekundärluftquelle (58); eine zweite Leitung (86), die mit der Sekundärquelle (58) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, Luft aus der Sekundärquelle (58) zu empfangen und die Luft dem Lager (50) zuzuführen, um das Lager (50) mit Druck zu beaufschlagen, sodass ein Austreten von Fluid aus dem Lager (50) verhindert wird; ein Ventil (88), das entlang sowohl der ersten als auch der zweiten Leitung (68, 86) angeordnet ist; und eine Steuerung (78), die mit dem Ventil (88) verbunden ist, wobei die Steuerung (78) dazu eingerichtet ist, basierend auf dem Betriebszustand der Gasturbine zu bestimmen, ob dem Lager (50) die gekühlte Auslassluft aus der ersten Leitung (68) oder die Luft aus der zweiten Leitung (86) zuzuführen ist.
Gasturbinensteuerung (78), aufweisend: einen Speicher (90), der eine oder mehrere prozessorausführbare Routinen codiert; und einen Prozessor (92), der dafür programmiert ist, auf die eine oder die mehreren vom Speicher (90) codierten Routinen zuzugreifen und diese auszuführen, wobei die Routinen, wenn sie ausgeführt werden, den Prozessor (92) veranlassen: basierend auf dem Betriebszustand der Gasturbine zu bestimmen, ob einem Lager (50), das sich im Innern einer Turbine (32) der Gasturbine befindet, gekühlte Auslassluft (52) aus einer ersten Leitung (68) oder Luft aus einer zweiten Leitung (86) zuzuführen ist, um das Lager (50) mit Druck zu beaufschlagen, sodass ein Austreten von Fluid aus dem Lager (50) verhindert wird, wobei die erste Leitung (68) an einen Zwischenkühler (46) oder einen Ort stromabwärts des Zwischenkühlers (46) verbunden ist und die zweite Leitung (86) an eine Sekundärluftquelle (58) verbunden ist; und die Betätigung eines Ventils (88), das entlang sowohl der ersten als auch der Leitung (68, 86) angeordnet ist, zu steuern, um dem Lager (50) nur die gekühlte Auslassluft oder nur die Luft zuzuführen.