DE4335598A1 - Verfahren und Beschaufelung zur Verhinderung von Fouling in Gasturbinenanlagen - Google Patents
Verfahren und Beschaufelung zur Verhinderung von Fouling in GasturbinenanlagenInfo
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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- F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
- F01D25/007—Preventing corrosion
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- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
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- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Beschaufelung zur
Verhinderung von Fouling und zur Leistungssteigerung durch Kühlung
bis unter 0°C der Ansaugluft mittels eines Turbokühlaggregates,
bestehend aus Kompressor, Kühler und Expansionsturbine, vorge
schaltet der Gasturbine.
Fouling in Gasturbinen wird durch Luftverschmutzung verursacht.
Partikel, welche das Filter passieren, werden in die Beschaufelung
zentrifugiert, setzen sich auf der Schaufeloberfläche fest und
vermindern auf diese Weise sowohl die Leistung als auch die Le
bensdauer der Turbinenanlage. Diese Erscheinung tritt hauptsäch
lich im Kompressor der Gasturbine auf.
Zur Vermeidung bzw. Entfernung der genannten Oberflächenschicht
wurden einige Reinigungsverfahren entwickelt, welche im
zusammengebauten Zustand der Maschine angewendet werden sollen.
Der Nachteil dieser Systeme besteht darin, daß sie einerseits
hochkompliziert und somit störungsanfällig, anderseits in ihrer
Wirkung wenig überzeugend sind.
Beispielsweise wird in der Zeitschrift "Diesel & Gas Turbine
Worldwide", Ausgabe 1990, Seite 30 f., ein System zum Reinigen von
Gasturbinen-Kompressoren vorgestellt. Die Hauptbestandteile sind
hierbei ein justierbares Einspritzsystem im Einströmraum zur
Schaufelreinigung ohne Betriebsunterbrechung. Es werden Lösungs
mittel oder wasserlösliche Reinigungsfluida eingespritzt.
Eine weitere Publikation (1991 ASME COGEN-TURBO, IGTI-Vol. 6) be
richtet auf Seite 497 über ein ebenfalls während des Betriebes an
wendbares Kompressor-Reinigungssytem. Hierbei ist eine Anordnung
vorgesehen, welche aus einer Zerstäubungs- und Strahlvorrichtung
im Lufteinströmraum besteht. Eine Mischung von enthärtetem Wasser
und einem Reinigungsmittel wird durch eine Vielfachanordnung von
Spraydüsen eingespritzt, so daß ganz feiner Nebel entsteht, wel
cher den angesammelten Schmutz von den Schaufeln wäscht.
Die beiden vorerwähnten Systemen besteht größte Gefahr, daß wäh
rend des Waschvorganges die Schaufeln vereisen oder erodieren.
Die bisher wirksamste Methode zum Entfernen des Foulings besteht
somit nach wie vor in einer Betriebsunterbrechung und Waschung der
Teile.
Diese Methode ist selbstverständlich unbefriedigend, weil Be
triebsunterbrechungen üblicherweise mit groben Kosten verbunden
sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein effizientes und kostengünstiges
Reinigungsverfahren zu konzipieren, mit welchem Fouling an der Be
schaufelung des Gasturbinen-Kompressors und der Expansionsturbine
sicher verhindert und gleichzeitig eine Erhöhung der Leistung er
zielt wird.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch ge
kennzeichnet, daß ein geringer Anteil Wärmeenergie in Form eines
Luftstromes vor dem Kühler abgezweigt und als Heißluftstrom über
im Festgehäuse vorgesehene erste Zuführungskanäle durch das Innere
von hohlen Leitschaufeln, und über in der Welle vorgesehene zweite
Zuführungskanäle durch das Innere von hohlen Laufschaufeln der Ex
pansionsturbine geleitet wird.
Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, ohne Betriebsunterbre
chung sowohl Fouling als auch Erosion der Leitschaufeln und der
Laufschaufeln der Gasturbine sicher zu unterbinden. Dadurch er
folgt eine beträchtliche Erhöhung der Lebensdauer der Anlage, zu
dem wird die Anzahl notwendiger Betriebsunterbrechungen drastisch
reduziert. Ein weiterer grober Vorteil besteht darin, daß damit
auch eine Vereisung der Schaufeln der Expansionsturbine verhindert
wird. Damit ist es möglich, Leistung, Wirkungsgrad und Betriebssi
cherheit zu verbessern sowie die Lebensdauer der Turbinenanlage zu
erhöhen. Konkret entsteht durch die Heizung der Vorteil, daß Ver
eisung verhindert wird und daß die auf die Oberfläche der Schau
feln auszentrifugierten Eispartikel bzw. unterkühlten Wassertröpf
chen einen Wasserfilm bilden, der die Schmutzpartikel bzw. die or
ganischen Partikel, die das Fouling hervorruft, wegschwemmt und
somit Ablagerungen, also das Fouling, von der Entstehung her völ
lig ausschließt. Der damit kombinierte Vorteil besteht in einer
beträchtlichen Leistungssteigerung (innerhalb der zulässigen, vom
jeweiligen Turbinenhersteller angegeben Grenzen).
Mit der Abwärme des Kühlers kann der vorgeschaltete äußere Luft
filter eisfrei gehalten werden bzw. kann diese Wärme in einer kom
binierten Gas-Dampfanlage durch Zufuhr an den Niedertemperaturbe
reich des Dampfteiles zu einer weiteren Leistungssteigerung und
Wirkungsgradverbesserung benützt werden. Dann erfolgt die Kühlung
durch den Kondensat der Dampfanlage.
Im Rahmen der Erfindung ist jede Leitschaufel der Expansionstur
bine des Turbinenaggregates mit einem Hohlraum in axialer
Richtung ausgebildet, und als Heißluft-Zuführungsöffnung ist eine
Bohrung vom Hohlraum radial durch den Schaufelfuß vorgesehen, und
als Heißluft-Austrittsöffnungen sind Querbohrungen zum Hohlraum
vorgesehen.
Die Einbindung dieser Leitschaufeln in das erfindungsgemäße
Verfahren gewährleistet die Verhinderung von Fouling und Vereisung
an diesen Schaufeln.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist jede Laufschaufel mit
einem Hohlraum in axialer Richtung ausgebildet, und als Heiß
luft-Zuführungsöffnung ist eine Bohrung vom Hohlraum radial durch
den Schaufelfuß und durch die Nabe vorgesehen, und als Heißluft-
Austrittsöffnungen sind Querbohrungen zum Hohlraum vorgesehen.
Die Einbindung dieser Laufschaufeln in das erfindungsgemäße
Verfahren gewährleistet die Verhinderung von Fouling und Vereisung
an diesen Schaufeln.
Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläu
tert werden. Zu diesem Zweck ist in Fig. 1 das Prinzip des Gastur
binenkreislaufes einer kombinierten Gas-Dampfturbinenanlage sche
matisch, sowie in Fig. 2 eine Expansionsturbine ausschnittweise im
Schnitt dargestellt.
Der Gasturbinenkreislauf lt. Fig. 1 ist jener Teil einer kombi
nierten Gas-Dampfkraftturbinenanlage, für welchen das erfindungs
gemäße Prinzip konzipiert wurde. Konkret werden die Schaufeln der
Expansionsturbine 1 gegen Fouling und Vereisung geschützt. Für die
Vorverdichtung (innerhalb der für einen sicheren Betrieb vom Tur
binenhersteller vorgegebenen Grenzen ) sind ein Kompressor 34, ein
Luftkühler 36 sowie die Expansionsturbine 1 angeordnet. Weiters
sind für die eigentliche Gasturbine ein Gasturbinenkompressor 31,
eine Brennkammer 32 sowie eine Gasturbine 33 nötig. Ein Generator
39 und ein Motor/Generator 40 vervollständigen diesen für die
erfindungsgemäße Anwendung geeigneten Anlagenteil. Die Frischluft
zufuhr zum Kompressor 34 erfolgt mittels einer Frischluftleitung
38, welche über ein Filter 41 geführt ist. Als Kühlmedium dient
Speisewasser, welches durch die Speisewasserleitungen 37a bzw. 37b
zum bzw. vom Luftkühler fließt. Vor dem Luftkühler 36 wird ein
geringer Anteil Wärmeenergie in Form eines Luftstromes abgezweigt
und als Heißluftstrom über eine Leitung 35 der Expansionsturbine 1
zur Schaufelreinigung zugeleitet.
Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, ist eine Leitschaufel 2 des
Leitrades der Expansionsturbine 1 mit dem Festgehäuse 10 starr
verbunden. Eine Laufschaufel 3 des Laufrades sitzt mit der Nabe 7
auf der Welle 4 auf. Es sind Heißluft-Austrittsöffnungen 6 bzw. 17
in Form von Querbohrungen zum Hohlraum 5 bzw. 8 der Leitschaufel 2
bzw. der Laufschaufel 3 vorgesehen.
Ein in Form eines Luftstromes vor dem Kühler abgezweigter geringer
Anteil Wärmeenergie wird als Heißluftstrom durch einen im Festge
häuse 10 vorgesehenen ersten Zuführungskanal 11 über eine Zufüh
rungsöffnung 13 dem Hohlraum 5 der Leitschaufel 2 zugeführt. Ein
zweiter Zuführungskanal 12 für die Heißluft wird durch die Welle 4
geführt und reicht bis zu einer Zuführungsöffnung 14, welche ra
dial durch die Nabe 7 und den Schaufelfuß 16 bis zum Hohlraum 8
der Laufschaufel 3 des Laufrades führt. Wie bei der Leitschaufel
2 sind auch bei der Laufschaufel 3 Heißluft-Austrittsöffnungen 17
vorgesehen.
Durch den ersten bzw. zweiten Zuführungskanal 11 bzw. 12 wird Heiß
luft in die Hohlräume 5 bzw. 8 der Leitschaufel 2 bzw. der Lauf
schaufel 3 eingeleitet. Durch die Austrittsöffnungen 6 bzw. 17
tritt die Heißluft wieder aus der Leitschaufel bzw. der Laufschau
fel aus. Wesentlich dabei ist, daß diese Heißluft-Einleitung
während des Betriebes der Turbinenanlage durchgeführt werden kann.
Die erfindungsgemäße Wirkung tritt dadurch auf, daß in den Hohl
räumen 5 bzw. 8 der Leitschaufel 2 bzw. der Laufschaufel 3 die
Heißluft umgelenkt und infolge der Fliehkraft auf die Innenwandung
des Hohlraumes 5 bzw. 8 auftrifft und danach beidseitig in Rich
tung der Welle durch die Austrittsöffnungen 6 bzw. 17 austritt.
Dadurch kommt es zum einen zur Abschmelzung und Zertrümmerung von
all fällig vorhandenen Eisschichten, zum anderen zum Ablösen und
Mitreißen von Foulingpartikeln von den Schaufeloberflächen.
Durch die Erfindung ist es möglich, die immensen Materialschäden,
die durch Fouling verursacht werden, sicher zu hintanzuhalten. Zu
dem werden durch die Verhinderung von Eisbeschichtungen Leistung
und Wirkungsgrad der Turbinenanlage erhöht. Insgesamt ergibt sich
bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Verwen
dung der erfindungsgemäßen Leit- und Laufschaufeln für die Expan
sionsturbine eine Leistungserhöhung von etwa von etwa 30% und
eine Verbesserung des Wirkungsgrades zwischen 1 und 3%. Durch die
Beheizung der hohlen Schaufeln kann die Anlage bis ungefähr minus
20°C gefahren werden.
Claims (3)
1. Verfahren zur Verhinderung von Fouling und zur Leistungsstei
gerung durch Kühlung bis unter 0°C der Ansaugluft mittels eines
Turbokühlaggregates, bestehend aus Kompressor, Kühler und Expan
sionsturbine, vorgeschaltet der Gasturbine, dadurch gekennzeich
net, daß ein geringer Anteil Wärmeenergie in Form eines Luftstro
mes vor dem Kühler (36) abgezweigt und als Heißluftstrom über im
Festgehäuse (10) vorgesehene erste Zuführungskanäle (11) durch das
Innere (5) von hohlen Leitschaufeln (2), und über in der Welle (4)
vorgesehene zweite Zuführungskanäle (12) durch das Innere (8) von
hohlen Laufschaufeln (3) der Expansionsturbine (1) geleitet wird.
2. Leitrad zur Einbindung in das Verfahren nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß jede Leitschaufel (2) der Expansionstur
bine (1) des Turbinenaggregates mit einem Hohlraum (5) in axialer
Richtung ausgebildet ist, und daß als Heißluft-Zuführungsöff
nung (13) eine Bohrung vom Hohlraum (5) radial durch den Schaufel
fuß (15) vorgesehen ist, und daß als Heißluft- Austrittsöffnungen
(6) Querbohrungen zum Hohlraum (5) vorgesehen sind.
3. Laufrad zur Einbindung in das Verfahren nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß jede Laufschaufel (3) mit einem Hohl
raum (8) in axialer Richtung ausgebildet ist, und daß als Heiß
luft-Zuführungsöffnung (14) eine Bohrung vom Hohlraum (8) radial
durch den Schaufelfuß (16) und durch die Nabe (7) vorgesehen ist,
und daß als Heißluft-Austrittsöffnungen (17) Querbohrungen zum
Hohlraum (8) vorgesehen sind.
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
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WO1997034075A1 (de) * | 1996-03-14 | 1997-09-18 | Siemens Aktiengesellschaft | Vermeidung von verkrustung einer dampfturbinenschaufel durch reindampfeinspritzung |
DE19501471B4 (de) * | 1994-01-25 | 2005-07-21 | Hoshino, Kenzo, Hiratsuka | Turbine, insbesondere Gasturbine |
DE102010035393A1 (de) * | 2010-08-25 | 2012-03-01 | Siemens Aktiengesellschaft | Turbine und Verfahren zum Betrieb einer Turbine für ein CAES-System |
CN103362647A (zh) * | 2012-03-29 | 2013-10-23 | 株式会社日立制作所 | 燃气轮机及燃气轮机发电设备 |
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-
1993
- 1993-10-19 HU HU9302952A patent/HUT66008A/hu unknown
- 1993-10-19 DE DE19934335598 patent/DE4335598A1/de not_active Withdrawn
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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HU9302952D0 (en) | 1994-01-28 |
HUT66008A (en) | 1994-08-29 |
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