DE69202341T2

DE69202341T2 - Gasturbinenkreislauf.

Info

Publication number: DE69202341T2
Application number: DE69202341T
Authority: DE
Inventors: James Kana; Gary Perkins; Donald Podolsky
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1991-10-11
Filing date: 1992-09-04
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2012-09-05
Also published as: JP3170686B2; DE69202341D1; EP0607232B1; WO1993007372A1; JPH07500165A; EP0607232A1; US5160096A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Kühlen von Gasturbinenleitschaufeln und Gasturbinenlaufschaufeln und insbesonder auf derartiges Kühlen bei einem Feuchtluft-Gasturbinenkreislauf.

Hintergrund der Erfindung

Ein Feuchtluft-Turbinekreislauf ist in dem US-Patent 4,829,763 beschrieben. Verdichter-Abströmgas aus einer Gasturbinenmaschlne wird durch direkten Kontakt mit einer Wasserzuführung angefeuchtet. Die angefeuchtete Luft wird in einer Gasturbinenverbrennungseinrichtung als die verbrennungstragende Luft benutzt. Diese angefeuchtete Luft wird zuerst durch Turbinenabgasprodukte vorgewärmt.
Das Speisewasser zu dem Befeuchter wird vorgewärmt, indem das Speisewasser zum Zwischenstufenverdichterkühlen benutzt wird und zum weiteren Kühlen der Gasturbinen-Abgasprodukte. Gelegentlich wird dieses Speisewasser auch zum Vorkühlen der Verdichterabströmgase benutzt.
Bei konventionellen Gasturbinenmaschinen oder Gasturbinenmaschinen mit Einfachkreislauf wird das Kühlen der Turbinenkomponenten durch Abzapfen von Luft von dem Hochdruckverdichter und Zuführen bemessener Mengen zu den Kühlkanälen in den Turbinendichtungen, den Hohlräumen und den Umströmkörpern bewirkt. Dieses Verfahren hält die Materialtemperaturen in Grenzen, die mit den gewünschten Teilelebensdauern in Einklang stehen. Die Menge der Kühlluft, die für jedes Teil nötigt ist, ist eine Funktion der gewünschten Metalltemperatur, des Drucks und der Temperatur des Kühlmittels, der Effektivität des Kühlschemas in jedem Teil und der Temperatur des Gases im Strömungsweg.
Für eine vorgegebene Strömungswegtemperatur kann der Turbinenkühlstrom durch die Erhöhung der Effektivität des Kühlschemas, durch die Verwendung eines Materials, das eine höhere zulässige Metalltemperatur erlaubt, oder durch Erniedrigung der Temperatur des Kühlmittels verringert werden. Generell hat das Kühlen der Turbine einen nachteiligen Einfluß auf die Kreislaufleistung. Andererseits erlaubt das Kühlen der Turbine eine signifikante Erhöhung der Gasturbinen-Einlaßtemperatur. Die Kreislaufbegünstigungen aus der hohen Einlaßtemperatur überwiegen die Nachteile des Kühlmittelabzapfens. Das günstige Abwägen zwischen hoher Gastemperatur und Luftkühlung der Teile der heißen Abschnitte hat die Gasturbinen in den jüngsten Jahren verbessert.
Eine Grundforderung an jedes Kühlschema ist, daß die Kühlluft einen höheren Druck als das Fluid in dem Gasweg an dem Einströmpunkt hat. Die Turbinenkühlluft tritt aus dem zu kühlenden Teil aus, sobald sie ihre Kühlfunktion erfüllt hat, und gelangt in den primären Gasweg. Die ausströmende Luft aus dem gekühlten Teil verhindert das Hineingelangen von heißem Gas in die Kühlkanäle des Teiles. Die ausströmende Luft kann eine Kühlzone an dem ausgesetzten Metall bilden, die außerdem die Kühleffektivität und den Schutz des Teils erhöht. Indem man die Kühlströme in den Gasweg wiedereintreten läßt, fügt man dem Expansionsprozeß durch den stromabwärtigen Bereich der Turbine Arbeitsfluid zu.
Die Kühlluft für die ersten Turbinenstufen muß allgemein von dem Hochdruckverdichterausgang oder, was üblicher ist, von dem Diffusor der Verbrennungseinrichtung kommen. An dieser Stelle der Maschine findet man die Luft mit dem höchsten Druck im System. Wegen des Druckverlusts, den das Hauptstromgas während dem Verbrennungsprozeß erfährt, und der Verringerung des statischen Drucks im Gasweg durch die Beschleunigung in der Turbine hat vom Diffusor abgezapfte Luft reichlich Druck, um die Erststufen-Leitschaufeln und die Erststufen-Laufschaufeln zu kühlen und trotzdem in den Gasweg einzuströmen. Die Diffusorluft ist jedoch die heißeste Kühlquelle in dem System und ist auch die teuerste Luft in dem System gemessen an der Energie, die aufgewandt wurde, um das Kühlmittel zu verdichten.
Für Turbinenteile stromabwärts von den ersten Stufen fällt der Druck im Gasstrom signifikant ab. Für diese Teile kann man das Kühlen von Verdichterquellen mit niedrigerem Druck aus vornehmen. Derartiges Kühlen bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung, aber es kann in Verbindung damit verwendet werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Wie bei dem konventionellen Feuchtluft-Gasturbinenkreislauf wird die Luft auf ein vorbestimmtes Niveau verdichtet, um verdichtete Luft zu bilden. Diese Luft wird zum Bilden eines gasförmigen Mediums befeuchtet, das der Verbrennungseinrichtung zugeführt wird. Die befeuchtete Luft ist die verbrennungstragende Luft zum Verbrennen von Brennstoff in der Verbrennungseinrichtung.
Die Erststufen-Leitschaufeln, die strömungsaufwärts von dem Turbinenrotor angeordnet sind, werden gekühlt durch Strömenlassen eines Teils des befeuchteten gasförmigen Mediums durch die Leitschaufeln und dann zu dem Hauptgasströmungsweg. Die Erststufen- Turbinenlaufschaufeln andererseits werden durch die verdichtete Luft, die noch nicht befeuchtet wurde, gekühlt, wobei diese Luft dann in den Hauptgasstrom eintritt.
Das gasförmige Medium zum Kühlen der Erststufen-Leitschaufeln kann vor dem Kühlbetrieb vorgewärmt werden durch Hindurchleiten dieses Mediums in Wärmeaustauschbeziehung mit den Turbinenabgasprodukten.
Die Verwendung der befeuchteten Luft zum Kühlen der Erststufen- Leitschaufeln erfordert wegen der hohen Temperatur der Mischung einen größeren Strom als die verdichtete Luft per se. Jedoch strömt dieser gesamte Kühlmittelstrom durch die gesamte Turbine, so daß die Leistungserzeugung mit dem Gesamtstrom erfolgt. Das Kühlen der Erststufen-Laufschaufeln andererseits verwendet nur die Luft, ohne daß Feuchtigkeit hinzugefqgt wurde, und vermeidet dadurch das Vorbeiströmen von übermäßigen Mengen von Kühlmittel um die Erststufen-Laufschaufeln, was einen Verlust bei der Leistungserzeugung verursachen würde.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun nur mit Hilfe eines Beispiels und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gasturbinenkreislaufs; und
Fig. 2 ist ein Schnitt, der eine Anordnung der Leit- und Laufschaufeln für das Einleiten der Kühlluftströme zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

In Fig. 1 kommt die Brennstoffzuführung zu der Verbrennungseinrichtung 10 von dem Gasentwickler 12, dem Brennstoff 14 und Luft 16 zugeführt werden. Nach dem Abkühlbehälter 18 strömt das Gas durch den Vorkühler 20 zu dem Entschwefler 22. Dieses Gas mit geringem BTU wird dann der Verbrennungseinrichtung 10 zugeführt.
Ein Niederdruckverdichter 24 gibt Luft bei 72 Psia (496 kPa) und 448 F (231ºC) über den Zwischenkühler 26 zu dem Hochdruckverdichter 28. Die bei 541 Psi (3730 kPa) und 608 F (320ºC) von dem Hochdruckverdichter abgegebene verdichtete Luft strömt durch eine Leitung 29 zu einem Befeuchter oder Sättiger 30. Sie strömt dann bei 522 Psia (3600 kpa) und 388 F (170ºC) zu einem Wärmetauscher 42. Leitung 32 zu einem Diffusorbereich 34, wo sie als verbrennungstragende Luft in der Verbrennungseinrichtung 10 benutzt wird.
Stationäre Erststufen-Leitschaufeln 36 erfahren die volle Temperatur des die Verbrennungseinrichtung verlassenden Gases. Erststufen- Turbinenlaufschaufeln 38, die an dem Rotor angeordnet sind, erfahren die Temperatur des von den Erststufen-Leitschaufeln 36 kommenden Gases. Gasturbinenabgasprodukte bei einer Temperatur von 900 F (482ºC) strömen von den Turbinen-Abgasprodukten bei 40 durch den Wärmetauscher 42. Wärme von dem Abgas wird dadurch auf die durch eine Leitung 32 einströmende Feuchtluft übertragen.
Die Turbinenabgase können in einem Wärmetauscher 44 weiter gekühlt werden, in dem sie in Wärmeaustauschverbindung mit einströmendem Speisewasser strömen, das dem Befeuchter 30 zugeführt wird.
Nachfüllwasser 46 wird beim Strömen durch den Zwischenkühler 26 erwärmt. Ein Teil davon wird, wenn es durch die Leitung 48 zu dem Befeuchter 30 strömt, in dem Wärmetauscher 20 erwärmt. Ein anderer Teil wird, wenn es durch die Leitung 50 zu dem Befeuchter 30 strömt, in dem Wärmetauscher 44 erwärmt.
Ein mit der Welle verbundener Generator 52 erzeugt elektrischen Strom.
Ein Teil der Verdichterabströmluft vor der Befeuchtung, die durch eine Leitung 29 geleitet wird, strömt durch eine Leitung 54 und strömt zum Kühlen der Laufschaufeln durch die Erststufen-Laufschaufeln 38. Ein Teil der durch eine Leitung 32 strömenden Feuchtluft ist durch eine Leitung 56 zum Kühlen der Erststufen-Leitschaufeln 36 strömend schematisch dargestellt.
Fig. 2 ist ein Schnitt eines Teils der Turbine, der eine Einrichtung zum Leiten der Kühlströme zu den Leitschaufeln und Laufschaufeln zeigt. Feuchtluft oder gasförmiges Medium 56, das dem Bereich der Verbrennungseinrichtung zugeführt wird, tritt in die die Verbrennungseinrichtung umgebende Zone 58 ein. Sie kann dann direkt zu dem Inneren der Erststufen-Leitschaufeln 36 auf jedem beliebigen Kühlweg geleitet werden, wobei die Auslaßströmung 60 von den Leitschaufeln derart strömt, daß man Filmkühlung der Leitschaufeln erhält.
Der Strom durch die Leitung 54 kann in einen Bereich der Statoranordnung strömen, wo er durch einen tangentialen Außen- Einströmanschluß 61 in eine Drehzone 62 des Rotors übertragen wird. Er wird dann nach oben durch die Wurzeln 64 der Erststufen- Laufschaufeln 38 geleitet. Die Luft strömt durch die Laufschaufeln auf einen ausgewählten Strömungspfad, wobei die Ausströmung 66 zur Filmkühlung der Laufschaufeln ausgerichtet ist.
Zu Zwecken der Diskussion ist die Quelle des Kühlmittels als A oder C angegeben. A ist die unbefeuchtete verdichtete Luft, die in die Leitung 29 von dem Auslaß des Hochdruckverdichters geleitet wird. Strom C ist die Feuchtluft, die zu der Brennkammer geleitet wird.
Als Kühlmittel für die Erststufen-Leitschaufel 36 ist Strom C, die Feuchtluft gewählt. Dieses Kühlmittel strömt, nachdem es von den Leitschaufeln abströmt, durch die gesamte Turbine und steht deshalb zur Leistungserzeugung zur Verfügung. Der Strom enthält nicht nur 33,7 Pfund pro Sekunde (15,3 kg/sec) Luft, sondern auch 16,3 Pfund pro Sekunde (7,4 kg/sec) Dampf für einen Gesamtstrom von 50,0 Pfund pro Sekunde (22,7 kg/sec). Das ist ein größerer Strom, als nötig wäre, wenn nur Luft zugeführt würde, da er auf einem höheren Temperaturniveau als die Luft von A ist. Der überschüssige Strom ist jedoch kein Nachteil wegen der vollständigen Leistungsrückgewinnung.
Die Erststufen-Laufschaufel andererseits benutzt keine Feuchtluft. Das Kühlfluid für die die Erststufen-Laufschaufel stammt von der Quelle A vor der Befeuchtung. Das führt zu einem geringeren Luftstrom, was bevorzugt ist, da dieses Kühlmittel die erste Stufe der Turbine umgeht, soweit es die Leistungserzeugung betrifft.
Tabelle 1 zeigt Vergleichswerte unterschiedlicher Möglichkeiten des Kühlens der Leit- und Laufschaufeln aus diesen zwei Quellen. In der ersten Spalte ist das vorliegende System mit der Leitschaufelströmung aus der Quelle C und der Laufschaufelströmung aus der Quelle A aufgelistet. Das geringste Wärmeverhältnis wird erreicht und folglich die höchste Effektivität. Die Leistung ist unter den höchsten, und die zulässige Verbrennungstemperatur für eine feste 2507 F (1375ºC) Einlaßtemperatur ist die höchste mit 2539 F (1393ºC).
Der Strom zu den Leit- und Laufschaufeln ist als Luft-, als Dampf- und als Gesamtstrom angegeben.
Die Benutzung eines Kühlmittels entweder von A oder von C, was in der Nähe der Gasturbinenmaschine zur Verfügung ist, hat Vorteile gegenüber anderen Quellen in dem Kraftwerkkreislauf. Das Verstopfen oder Brechen einer der Leitungen ist minimiert. TABELLE 1 Leitschafelstrom Quelle Laufschaufelstrom Wärmeverhältnis Netto-Wirkungsgrad Leistung Verbrennungseinrichtungs-Temp. Strom zur Leitschaufel Luft Feuchtigkeit Gesamt

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Feuchtluft-Gasturbinenkreislaufs, das folgende Schritte umfaßt:

Verdichten von Luft auf ein vorbestimmtes Druckniveau zur Bildung verdichteter Luft (A);

Befeuchten der verdichteten Luft zur Bildung eines gasförmigen Mediums (C);

Zuführen des gasförmigen Mediums zu einer Verbrennungseinrichtung (10);

Verbrennen von Brennstoff in der Verbrennungseinrichtung unter Bildung gasförmiger Produkte hoher Temperatur;

Leiten der gasförmigen Produkte durch eine Gasturbine zum Erzeugen von Energie, wobei die Gasturbine stationäre Erststufen-Leitschaufeln (36) und Erststufen-Laufschaufeln (38) aufweist;

gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Leiten eines Teils des gasförmigen Mediums (C) durch die stationären Erststufen-Leitschaufeln (36) und sodann in die gasförmigen Produkte zum Kühlen der stationären Erststufen-Leitschaufeln; und

Leiten eines Teils der verdichteten Luft (A) durch die Erststufen-Laufschaufeln (38) und sodann in die gasförmigen Produkte zum Kühlen der Erststufen- Laufschaufeln.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit folgenden weiteren Schritten:

Leiten von Abgasprodukten (40) von der Gasturbine in Wärmetauschbeziehung mit dem gasförmigen Medium unter Erzeugung eines gasförmigen Mediums bei hoher Temperatur; und

Hindurchleiten des gasförmigen Mediums durch die Erststufen-Leitschaufeln in Form eines gasförmigen Stoffs hoher Temperatur.