DE60114950T2

DE60114950T2 - Betriebsverfahren einer Turbine

Info

Publication number: DE60114950T2
Application number: DE60114950T
Authority: DE
Inventors: Mark Christopher Niskayuna Schmidt
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-08-08
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2021-04-10
Also published as: EP1180577B1; DE60114950D1; JP4740467B2; JP2002054458A; KR100603077B1; EP1180577A3; US6379108B1; KR20020013371A; CZ2001546A3; ATE310154T1; EP1180577A2

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Turbinen, wie beispielsweise stationäre Gasturbinen zur Energieerzeugung und insbesondere ein Verfahren, um den Abgasmassenstrom unter Kontrolle zu bringen und die Spannung einer Stoßfalz-Verbindung aufrecht zu erhalten, wobei ein Lagerfeuer in Folge einer hohen Luft/Öl-Dichtungstemperatur verhindert wird.
Bei einer typischen Gasturbine wird der Turbinenrotor durch einen Stapel von Rotorrädern und Abstandshaltern gebildet, wobei die gestapelten vielen Räder und Abstandshalter miteinander verschraubt sind. Zwischen den Abstandshaltern und Rädern sind typischerweise Stoßfugen vorgesehen.
Bei einer standardmäßigen Brennerabschaltung kann eine Stoßfalzfuge zwischen dem Rad der vierten Stufe und der Ausgangswelle in Folge der hohen Kühlrate entlastet werden, die sich aus dem fortgesetzten Betrieb des Auslasslagergebläses ergibt, was zu einem Spalt führt. Eine offene oder unbelastete Stoßfalzfuge könnte die Teile veranlassen, sich in Bezug aufeinander zu bewegen, so dass der Rotor seine Auswuchtung verliert, was möglicherweise zu hohen Vibrationen führt und teure und zeitraubende Neuauswuchtung oder einen Rotorersatz erfordert. Für den Betrieb ist eine Rotorunwucht inakzeptabel und typischerweise scheuen Entwicklungsingenieure keine Mühe sicherzustellen, dass eine solche Unwucht nicht auftritt. Wenn jedoch das Lagerauslassgebläse während einer Abschaltung abgeschaltet wird, kann die vordere Luft/Öl-Dichtungstemperatur die maximalen Auslegungsgrenzen in Folge eines Rücksaugphänomens überschreiten. Wenn die Luft/Öl-Dichtungstemperatur über den gegebenen maximalen Auslegungsgrenzen liegt, kann dies zu einem Lagerbrand mit katastrophalen Folgen für die Maschine führen.
Die EP-A-1 013 892 offenbart eine Turbine und ein Verfahren für ihren Betrieb, bei dem die passive Kontrolle des Kühlmediumsflusses durch ein ringförmiges Dichtungselement erzielt wird, das sich in den Kühlmittelflussweg hinein erstreckt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer Turbine geschaffen, das die Aufrechterhaltung einer Stoßfalzvorspannung beinhaltet während eine Luft/Öl-Dichtungstemperatur akzeptabel niedrig gehalten wird, indem ein thermischer Parameter der Turbine an einer existierenden Turbinenkomponente unter Kontrolle gebracht wird, wobei das Verfahren durch einen Einflussnahmeschritt charakterisiert ist, zu dem die Beeinflussung eines Luftmassenflusses durch einen Turbinenauslass gehört, wobei zu der existierenden Turbinenkomponente ein Auslassgebläse gehört und wobei der Schritt der Beeinflussung eines Luftmassenflusses die Beeinflussung der Drehzahl des Auslassgebläses beinhaltet.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform dieser Erfindung beinhaltet das Verfahren zum Betrieb einer Turbine die Aufrechterhaltung einer Stoßfugenspannung während eine Luft/Öl-Dichtungstemperatur akzeptabel niedrig gehalten wird, indem ein thermischer Parameter der Turbine an einer existierenden Turbinenkomponente unter Kontrolle gebracht wird. Dieser Schritt wird ausgeführt, indem ein Luftmassenfluss durch einen Turbinenauslass unter Kontrolle gebracht wird. In diesem Zusammenhang ist die Turbinenkomponente ein Auslassgeblä se und der Luftmassenfluss wird durch Beeinflussung der Drehzahl des Auslassgebläses beeinflusst.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung enthält die Turbine ein Turbinenrad und eine Ausgangswelle, die aneinander über eine dazwischen ausgebildete Stoßfuge in axialer Ausrichtung gesichert sind. Das Turbinenrad und die Ausgangswelle reagieren unterschiedlich auf angelegte Temperaturen, was zu einer vorübergehenden thermischen Fehlanpassung führt. Ein Verfahren zum Betrieb der Turbine beinhaltet ein thermodynamisches Modell von Turbinenkomponenten gemäß Komponentencharakteristika und die Beeinflussung des Luftmassenflusses an einem Turbinenauslass gemäß dem thermodynamischen Modell. Beispiele der Komponentencharakteristika beinhalten die Betriebstemperatur, die Masse, die Dichte, die Relativposition, die Drehzahl und ähnliches.
Bei einer anderen exemplarischen Ausführungsform der Erfindung gehört zu einem Verfahren zum Betrieb einer Turbine mit vier einer Ausgangswelle benachbarten Rädern, dass die Drehzahl eines Turbinengebläses in der Nachbarschaft einer Stoßfalzfuge zwischen dem Rad der vierten Stufe und der Ausgangswelle beeinflusst wird, um dadurch die Abkühlgeschwindigkeit der Stoßfuge unter Kontrolle zu bringen.
Es wird nun eine Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung einer Turbine ist und
2 eine exemplarische Veranschaulichung einer Turbine ist, die die Größen eines thermodynamischen Modells veranschaulicht.
In 1 ist ein Teil einer Turbine mit einem Turbinenrotor, der im Ganzen mit 10 bezeichnet ist, veranschaulicht, der aus gestapelten Elementen, beispielsweise den Rotorrädern 12, 14, 16 und 18 besteht, die beispielhaft einen vierstufigen Turbinenrotor bilden, wobei zwischen den Rädern abwechselnd Abstandshalter 20, 22 und 24 angeordnet sind. Es ist zu sehen, dass die Räder und Abstandshalterelemente in dem Rotor durch eine Anzahl länglicher, in Umfangsrichtung beabstandeter Bolzen zusammengehalten sind, von denen lediglich einer bei 26 veranschaulicht ist. Die Räder 12, 14, 16, 18 halten eine Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Turbinenschaufeln 12a, 14a, 16a bzw. 18a. Düsen 30, 32, 34, 36 bilden mit den Schaufeln 12a, 14a, 16a bzw. 18a Turbinenstufen. Die Räder und Abstandshalter liegen zueinander in axialer Ausrichtung, wobei zwischen den Rädern und Abstandshaltern gefalzte Stoßfugen vorgesehen sind. Eine exemplarische gefalzte Stoßfuge 40 ist zwischen dem letztstufigen Rad 18 und einer Ausgangswelle 42 veranschaulicht, die einen Teil der Welle 44 bildet. Die gefalzte Stoßfuge wird über alle Bereiche des Betriebs der Turbine zusammengehalten. Wie veranschaulicht, ist die Ausgangswelle 44 mit dem Rotor 10 in einem hinteren Lager 46 drehbar gelagert.
Während des Betriebs der Turbine, insbesondere beim Abschalten und beim Turbinenstart, treten thermische Fehlanpassungen zwischen den verschiedenen Elementen des Rotors auf. Die Maschine enthält typischerweise ein fortwährend laufendes Auspufflagergebläse 48. Beim stationären Turbinenbetrieb liegt die Temperaturverteilung über verschiedene Elemente der Turbine in einem vorbestimmten Bereich thermischer Unterschiede, die den Betrieb der Turbine nicht schädlich beeinflussen. Bei Übergangsvorgängen (z.B. Abschalten und Starten) sind die thermischen Unterschiede jedoch in Folge der von dem Auslassgebläse 48 verursachten hohen Kühlrate wesentlich größer, was zu beachten ist. Beispielsweise weist die gefalzte Stoßfuge 40 zwischen dem Ausgangswellenrad 42 und der Welle 18 der letzten, d.h. vierten Stufe eine signifikante thermische Fehlanpassung auf, die weit über einer akzeptablen thermischen Fehlanpassung liegt. Eine solche große thermische Fehlanpassung kann in Folge unterschiedlicher Geschwindigkeiten thermischer Expansion und Kontraktion eine offene oder unbelastete Stoßfuge verursachen, was eine Bewegung der Elemente relativ zueinander verursachen und somit dazu führen kann, dass der Rotor seine Auswuchtung verliert, was zu hohen Vibrationen führt und ein kostenträchtiges Neuauswuchten oder den Ersatz des Rotors erfordert.
Spezieller fließen beim Abschalten heiße Gase durch den Heißgasweg der verschiedenen Turbinenstufen und der Dampfstrom durch den Bohrungsrohrkühlkreis wird abgeschaltet. Weil das Rad 18 eine sehr große Masse aufweist und beim stationären Betrieb der Turbine auf eine hohe Temperatur aufgeheizt worden ist, verliert das Rad 18 seine Hitze im Vergleich zu der Wärmeabführung an dem Rad 42 der hinteren Welle sehr langsam, was eine große thermische Fehlanpassung an der Stoßfuge 40 verursacht.
Ein Versuch zur Bewältigung dieses Problems könnte sein, das Auslassgebläse 48 beim Abschalten der Turbine abzuschalten, um die thermische Fehlanpassung der gefalzten Stoßfuge 40 zu bekämpfen. In diesem Zusammenhang kann jedoch, wenn das Auslassgebläse 48 bei dem Herunterfahren abgeschaltet wird, eine Temperatur einer vorderen Luft/Öl-Dichtung 50 in Folge des „Rücksaugens" ein maximales Auslegungskriterium ohne weiteres überschreiten. Eine Temperatur der Luft/Öl-Dichtung 50 oberhalb der festgelegten Auslegungsgrenzen könnte zu einem Lagerfeuer mit katastrophalen Konsequenzen für die Maschine führen.
Somit kann die Stoßfugenspannung durch Beeinflussung des Auslassluftmassenstroms, der in einem Übergangsvorgang von dem Lagergebläse abgegeben wird, bei einer akzeptablen Grenzegehalten werden und die Luft/Öl-Dichtungstemperatur kann unter festgelegten Grenzen gehalten werden. Die Beeinflussung des Luftmassenstroms an dem Turbinenausgang wird erreicht, indem die Drehzahl des Auslassgebläses 48 beeinflusst wird. Die Gebläsedrehzahl wird mit der Zeit entsprechend eines Profils variiert, das auf Basis thermodynamischer Charakteristika der Maschine bestimmt worden ist, wobei Eigenschaften der physikalischen und mechanischen Aspekte der Maschinenkomponente berücksichtigt werden. Unter Nutzung eines entwickelten detaillierten, den gesamten Fluss darstellenden physikalischen Modells, wie es in 2 veranschaulicht ist, kann ein grundlegender heißer Abschaltübervorgang sowohl thermisch als auch mechanisch analysiert werden, um zu bestimmen, welches Schema für das Lagergebläse 48 die gewünschten Resultate erbringt. 2 ist eine Veranschaulichung eines exemplarischen thermodynamischen Modells einer Gasturbine, General Electric Modell 7H. Dieses Modell umfasst eine detaillierte thermodynamische Strukturanalyse der Maschine Teil für Teil einschließlich von beispielsweise 650 vollständigen (zum stationären und rotierenden Teil gehörigen) flüssigen physikalischen Elementen, 25.000 zweidimensionalen thermischen festen Elementen, 40.000 Knoten, 7.000 Oberflä chenelementen mit 1.200 Randbedingungen, 1.000 wärmeübertragenden Verbindungen und 3.000 wärmestrahlungsübertragenden Verbindungen mit 100 Sekunden pro Iteration. Thermodynamische Modelle, wie das in 2 veranschaulichte, werden natürlich von Maschine zu Maschine variieren und, wie angemerkt, ist das in 2 veranschaulichte Modell exemplarischer Natur.
Unter Nutzung des thermodynamischen Modells, wie des exemplarischen thermodynamischen Modells gemäß 2, kann ein akzeptables Bereichsprofil für die Steuerung des Auslassgebläses bestimmt/optimiert werden, um die Designkriterien hinsichtlich der Aufrechterhaltung der Stoßfugenlast und eines geschlossenen Stoßfugenspalts zu erfüllen während die Luft/Öl-Dichtung 50 bei einer akzeptabel niedrigen Temperatur gehalten wird. In diesem Kontext können mittels des Modells Profile durchgespielt und optimiert werden, wobei ein statischer Prozess genutzt wird, um eine robuste Konfiguration zu erhalten, die den größten Abstand zu den akzeptablen Grenzen schafft (z.B. hinsichtlich der Stoßfugenspannung und der Luft/Öl-Dichtungstemperatur).
Gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann durch Beeinflussung des Lagergebläses in präziser Weise entsprechend einem optimierten Gebläseprofil die Stoßfugenspannung bei einem Turbinenübergangsvorgang (wie beispielsweise einem Abschalten oder Anfahren) in einer akzeptablen Grenze gehalten werden und die Luft/Öl-Dichtungstemperatur kann unterhalb gesetzter Grenzen gehalten werden. Durch genaue Kontrolle des Gebläsestroms, der den Ausgangswellenkühlkreis speist, kann die Zustandsgröße des Prozesses sowohl für die Stoßfugenspannung als auch die Dichtungstemperatur leicht sechs Sigma überschreiten, womit die thermische Fehlanpassung an der Stoßfuge eliminiert wird.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Turbine einschließlich der Aufrechterhaltung der Last einer Falzverbindung (40), indem die Temperatur einer Luft/Öl-Dichtung (50) akzeptabel niedrig gehalten wird, indem ein thermischer Parameter der Turbine an einer vorhandenen Turbine unter Kontrolle gebracht wird, wobei dieser Schritt des Unterkontrollebringens beinhaltet, dass ein durch einen Turbinenauslassrahmen fließender Luftmassenstrom unter Kontrolle gebracht wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die vorhandene Turbinenkomponente ein Auslassgebläse (48) umfasst und, dass der Schritt des Unterkontrollebringens eines Luftmassenstroms beinhaltet, dass die Drehzahl des Auslassgebläses unter Kontrolle gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Turbine außerdem ein Turbinenrad (18) und eine Turbinenheckwelle (44) aufweist, die in axialer Fluchtung mit aneinander durch die Falzverbindung (40) gesichert sind, wobei das Turbinenrad und die Heckwelle auf Temperaturen, denen sie ausgesetzt sind, unterschiedlich reagieren, was eine Übergangstemperaturfehlanpassung verursacht, wobei das Verfahren den zusätzlichen Schritt aufweist, dass ein mit Komponentencharakteristika übereinstimmendes thermodynamisches Modell von Turbinenkomponenten ermittelt wird und dass ein Luftmassenfluss in dem Turbinenauslassrahmen gemäß des thermodynamischen Modells beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Komponentencharakteristika die Betriebstemperatur, die Masse, die Dichte, die Relativposition und die Geschwindigkeit beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Turbine außerdem ein einer Heckwelle (44) benachbartes Rad (18) einer vierten Stufe aufweist, wobei der Turbinenauslassbläser in der Nachbarschaft der Falzverbindung (40) zwischen dem Rad der vierten Stufe und der Heckwelle angeordnet ist.