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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine, insbesondere
für ein
Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus.
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Stand der Technik
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Hinsichtlich
einer Gasturbine ist ein Dampfkühlsystem,
bei dem Schaufeln durch Dampf in Proportion zu einer Zunahme einer
Einlasstemperatur eines Hochtemperatur-Verbrennungsgases gekühlt werden,
vorgeschlagen worden. Insbesondere sind bei einem Kombikraftwerk
mit einem Abwärme-Rückgewinnungskessel, in dem
Abgas aus der Gasturbine als Wärmequelle
benutzt wird, die folgenden Schritte vorgeschlagen worden, um den
Wärmewirkungsgrad der
Gasturbine und die Effizienz des Kombikraftwerks zu verbessern:
Erzeugen eines Niedertemperaturdampfs zum Kühlen unter Verwendung des Niedertemperaturdampfs
in der Gasturbine zum Kühlen einer
Turbinenschaufel mittels des erwärmten
Kühldampfs
in einer Dampfturbine, und Rückgewinnung der
Wärmeenergie.
Ein Beispiel einer solchen herkömmlichen
Dampfkühlstruktur
einer Gasturbinenschaufel ist in 3 gezeigt.
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Kühlkanäle 5 und 7 sind
innerhalb einer Leitschaufel 1 der ersten Stufe bzw. einer
Leitschaufel 3 der zweiten Stufe ausgebildet, die jeweils
mit Köpfen 9 und 11 verbunden
sind, und diese Köpfe 9 und 11 sind
mit unabhängigen
Kühldampf-Zuführleitungen 13 und 15 sowie
Kühldampf-Rückführleitungen 17 und 19 verbunden.
Diese Kühldampf-Rückführrohre 13 und 15 sind
mit einem Abwärme-Rückgewinnungskessel
(in 3 nicht gezeigt) verbunden, und die Kühldampf-Rückführrohre 17 und 19 sind
mit der Unterdruckturbine der Dampfturbine über einen separaten Überhitzer
verbunden.
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Ferner
ist vorgeschlagen worden, dass der Kühldampf in Reihe in den in
den Turbinenschaufeln jeder Stufe ausgebildeten Kühlkanälen strömt (Japanische
Patentanmeldung, zweite Veröffentlichung
Nr. Sho 63-40244).
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Wie
vorher erwähnt
wurde, wird bei einem Dampfkühlsystem,
bei dem der Kühldampf
parallel zu den Leitschaufeln jeder Stufe der Gasturbine in der
Dampfturbine des Kraftwerks strömt,
der Dampf zurückgewonnen,
und strömt
auch in die Dampfturbine, wobei der oben erwähnte separate Überhitzer
erforderlich ist, um den Zustand des Kühldampfs zu regeln, und daher
ist das Kraftwerk im Aufbau kompliziert und groß, und seine Gesamtkosten sind
hoch.
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Ferner
ist, wenn Kühldampf
der Reihe nach in die Leitschaufeln jeder Stufe der Gasturbine zu
der Dampfturbine strömt,
der gesamte Aufbau des Kraftwerks kompliziert, und der Druckabfall
infolge der Strömung
wird groß,
so dass die Effizienz der Wärmerückgewinnung
in der Dampfturbine zur Abnahme tendiert.
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In
Anbetracht der obigen Ausführungen
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasturbine
für ein
Kombikraftwerk bereitzustellen, bei dem der zur Wärmerückgewinnung
verwendete Kühldampf
einen geringen Druckabfall aufweist, und bei dem eine spezielle
Vorrichtung, wie z. B. ein Überhitzer
oder dergleichen, für
die Dampfturbine nicht erforderlich ist.
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JP-A-9
189 236 offenbart ein Kombikraftwerk mit einer Anordnung zum Kühlen einer
Gasturbine gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Und EP-A-0 806 544 offenbart eine Kühldampfanordnung
für einen
Rotor einer Gasturbine mit größeren Zuführ- und Rückführdurchgängen innerhalb
des Rotors und schmäleren – aber an
Hohlräumen
unterbrochenen – Durchgängen, welche
aufeinanderfolgende Schaufelstufen verbinden und welche sich ebenfalls
innerhalb des Rotors erstrecken.
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Offenbarung der Erfindung
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Um
die obige Aufgabe zu erfüllen,
stellt die vorliegende Erfindung eine in Anspruch 1 definierte Gasturbine
für ein
Kombikraftwerk mit einem dampfgekühlten System bereit, mit einer
Gasturbine zum Erzeugen von Dampf zur Kühlung in einem Abwärme-Rückgewinnungskessel,
dem Abgas von der Gasturbine zugeführt wird, und zum Kühlen der
Leitschaufeln mit dem Kühlungsdampf,
wobei das dampfgekühlte
System durch Verbinden eines Kühldampf-Zuführrohrs
von dem Abwärme-Rückgewinnungskessel mit einem
in einer Leitschaufel der ersten Stufe ausgebildeten Kühlkanal
gebildet wird, und zwar durch Verbinden eines Kühldampf-Rückführrohrs, das eine Dampfturbine
mit einem in einer Leitschaufel der zweiten Stufe ausgebildeten
Kühlkanal verbindet,
und durch Bilden eines Kühldampf-Verbindungskanals,
der eine größere Querschnittsfläche als
die Zuführ-
und Rückführrohre
aufweist, um die in den obigen Leitschaufeln der ersten Stufe und
der zweiten Stufe ausgebildeten Kühlkanäle zu verbinden.
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Die
Gasturbine für
das Kombikraftwerk der vorliegenden Erfindung erzeugt den Dampf
zur Kühlung
in dem Abwärme-Rückgewinnungskessel, dem das
Abgas von der Gasturbine zugeführt
wird, und kühlt
die Leitschaufeln mit dem Dampf zur Kühlung, wobei das Kühldampf-Rückführrohr von
dem vorgenannten Abwärme-Rückgewinnungskessel
mit dem in der Leitschaufel der ersten Stufe ausgebildeten Kühlkanal
verbunden ist, das Kühldampf-Rückführrohr die
Dampfturbine mit dem in der Leitschaufel der zweiten Stufe ausgebildeten
Kühlkanal
verbindet, und ein Kühldampf-Verbindungskanal,
der eine relativ große
Querschnittsfläche
aufweist, ausgebildet ist, um die in den obigen Leitschaufeln der
ersten Stufe und zweiten Stufe ausgebildeten Kühlkanäle zu verbinden, so dass der
Dampf zur Kühlung,
der in den Kühlkanälen in den
Leitschaufeln der ersten und zweiten Stufe geströmt ist, kontinuierlich in der Dampfturbine
als Dampf zum Kühlen
verwendet werden kann, da der oben genannte Dampf zum Kühlen eine
geeignete Temperatur zum Antrieb einer Mitteldruckturbine der Dampfturbine
aufweist, und da ferner der Kühldampf-Verbindungskanal
eine relativ große
Querschnittsfläche
hat und der Druckabfall insgesamt gering ist. Da keine spezielle
Vorrichtung, wie z. B. eine Heizvorrichtung erforderlich ist und
der Dampf zum Kühlen
zurückgewonnen
und wiedereingesetzt wird, kann daher eine Zunahme der Herstellungskosten
vermieden werden und der kombinierte Wirkungsgrad des Kombikraftwerks
verbessert werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 ein
System-Konzeptdiagramm zur Darstellung der herausragenden Merkmale
einer Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2 ein
Systemdiagramm des Kombikraftwerks der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
und
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3 ein
System-Konzeptdiagramm zur Darstellung einer Ausführungsform
eines Dampfkühlsystems
bei einer herkömmlichen
Gasturbinenschaufel.
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Beste Ausführungsform
der Erfindung
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Im
folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
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Ein
System eines Kraftwerks mit kombiniertem Zyklus bzw. Kombikraftwerks 20 wird
mit Bezug auf 2 erläutert. Die Gasturbine 30 umfasst
einen Kompressor 31, eine Brennkammer 33 und einen Turbinenteil 35,
wobei der Kompressor 31 Luft komprimiert, die komprimierte
Luft durch Einblasen von Brennstoff in die Brennkammer 33 verbrannt
wird, ein Rotor durch Zufuhr eines Hochtemperatur-Verbrennungsgases
zu dem Turbinenteil 35 angetrieben wird und schließlich elektrische
Energie durch Antrieb eines Generators 63 entnommen wird.
Das Abgas in der Gasturbine 30 wird einem Abwärme-Rückgewinnungskessel 50 zugeführt, Hochdruckdampf
und Mitteldruckdampf werden jeweils in einem Hochdruckverdampfer 51 und
einem Mitteldruckverdampfer 53 erzeugt, und diese beiden
Arten von Dampf werden beispielsweise einer zweistufigen Dampfturbine 61 zugeführt, um
sie anzutreiben, wobei schließlich durch
Antrieb eines Generators 63 elektrische Energie gewonnen
wird. Hierbei wird ein Teil des Mitteldruckdampfes zum Kühlen der
Brennkammer 33 verwendet, und ein Teil des Hochdruckdampfes
wird als Dampf zur Kühlung
des Turbinenteils 35 der Gasturbine 30 über das
Kühldampf-Zuführrohr 55 geliefert. Ferner
wird der Dampf zur Kühlung,
der durch den Kühleinsatz
erwärmt
wurde, der Dampfturbine 61 über das Kühldampf-Rückführrohr 37 zugeführt und zum
Antrieb der Turbine verwendet.
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In 1 ist
der Aufbau des Dampfkühlsystems
des Turbinenteils 35 im Konzept dargestellt. In 1 sind
eine Leitschaufel 39 der ersten Stufe, eine Leitschaufel 41 der
zweiten Stufe und eine Leitschaufel 43 der dritten Stufe
als stationäre
bzw. Leitschaufeln vorgesehen, und ihre Schaufelteile sind in der Umfangsrichtung
der Leitschaufeln eingesetzt. Außerdem ist eine Laufschaufel 42 der
ersten Stufe hinter der Leitschaufel 39 der ersten Stufe
und eine Laufschaufel 44 der zweiten Stufe hinter der Leitschaufel 41 der
zweiten Stufe als Laufschaufeln vorgesehen, wobei das Hochtemperatur-Verbrennungsgas
gemäß einem
Pfeil 34 durch jede Stufe von Schaufelreihen strömt und (die
Turbine) durch Antrieb der Laufschaufel 42 und 44 antreibt.
Das Kühldampf-Zuführrohr 55 ist
mit einer Verbindungsstelle 45 der Leitschaufel der ersten
Stufe 39 verbunden, und sein Dampfströmungsweg ist mit einem Kühlkanal 46 in
der Leitschaufel 39 der ersten Stufe verbunden. Die Verbindung 45 der
Leitschaufel 39 der ersten Stufe ist mit einer Verbindungsstelle 48 der
Leitschaufel 41 der zweiten Stufe über ein Verbindungsrohr 47 verbunden,
ihr Dampfweg ist mit einem Kühlkanal 49 in
der Leitschaufel 41 der zweiten Stufe verbunden, und schließlich ist
der Dampfweg mit dem Kühldampf-Rückführrohr 37 verbunden.
Ferner ist die Querschnittsfläche
des Kühldampf-Verbindungskanals
des Verbindungsrohrs 47 größer als bei den anderen Teilen
eingestellt.
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In
der Gasturbine 30 mit den oben erwähnten Bestandteilen tendieren
die Leitschaufel 39 der ersten Stufe, die Leitschaufel 41 der
zweiten Stufe, die Leitschaufel 43 der dritten Stufe etc.
dazu, wegen des Hochtemperatur-Verbrennungsgases,
das in die Schaufeln strömt,
mit den Schaufeln in Kontakt kommt und diese erwärmt, Temperaturanstiegen ausgesetzt
zu sein. Ein Teil des in dem Hochdruckverdampfer 51 in
dem Abwärme-Rückgewinnungskessel 50 erzeugten
Hochdruckdampfes arbeitet als Dampf zur Kühlung und strömt in den
Turbinenteil 35 über
das Kühldampf-Zuführrohr 55.
Der Dampf behält
seine Temperatur, beispielsweise 350°C, an einem Teil der Verbindung 45 (dem
Einlass der Leitschaufel 39 der ersten Stufe) bei und kühlt das
Innere der Leitschaufel 39 der ersten Stufe, indem er durch den
Kühlkanal 46 strömt. Das
Metall in der Leitschaufel 39 der ersten Stufe wird beispielsweise
auf 850°C oder
weniger durch die obige Kühlung
gehalten. Der durch das Verbindungsrohr 47 ausströmende Dampf wird
auf etwa 450°C
gehalten und kühlt
das Innere der Leitschaufel 41 der zweiten Stufe, indem
er über den
Kanal in der Verzweigungsanordnung 48 in den Kühlkanal 49 strömt. Wie
oben erwähnt
wurde, wird der Dampf zur Kühlung
beispielsweise auf etwa 560°C
erwärmt
und der Dampfturbine 61 über das Kühldampf-Rückführrohr 37 zugeführt und
als Dampf zum Antrieb der Turbine verwendet.