EP1771663A1 - Verfahren zur modifikation eines turbokompressors - Google Patents

Verfahren zur modifikation eines turbokompressors

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EP1771663A1
EP1771663A1 EP05776213A EP05776213A EP1771663A1 EP 1771663 A1 EP1771663 A1 EP 1771663A1 EP 05776213 A EP05776213 A EP 05776213A EP 05776213 A EP05776213 A EP 05776213A EP 1771663 A1 EP1771663 A1 EP 1771663A1
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compressor
blow
line
gas turbine
turbine group
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Marco Micheli
Thomas Palkovich
Wilfried Rick
Sasha Savic
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    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/321—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps for axial flow compressors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S415/00—Rotary kinetic fluid motors or pumps
    • Y10S415/912—Interchangeable parts to vary pumping capacity or size of pump

Definitions

  • the invention relates to a method for the modification of a
  • Turbocompressors according to the preamble of claim 1. It further relates to a modified according to this method turbo compressor, as well as uses of the present invention modified turbo compressor.
  • the invention characterized in the claims invention has for its object to provide a method of the type mentioned above, that even a modified compressor, which has an increased nominal mass flow, can be approached easily.
  • the capacity for blowing off compressed or partially compressed fluid is increased.
  • the capacity is increased, for example, in the same ratio, as increased by the modification of the compressor blades, the intake volume flow.
  • the increase in the Abblasekapaztician by the critical flow area is increased at least one of the compressor connected to the blow-off line.
  • the narrowest cross-section of the flow line must be increased. This is often in the obturator, which serves to close and release the Abblase horr.
  • the invention can therefore be realized very simply by replacing the obturator, also called blow-off valve, by a shut-off device with an enlarged free cross-section.
  • Blow-off lines arranged. This can be done by existing, sealed by flanged lid openings of the compressor housing opened and additional Abblase effeten be connected to the resulting housing openings. Alternatively, additional new housing openings can be incorporated into the compressor housing.
  • the additional blow-off lines can be arranged on the one hand at a pressure stage of the compressor, on which there is already an existing blow-off line. It then increases the Abblasekapaztician at the corresponding pressure level of the compressor. But it is also quite possible to arrange the additional blow-off at a position at which no Abblasetechnisch is connected before the modification. It is then created at a pressure additional Abblase réellekeit.
  • Blow-off lines are or are generally arranged on the compressor in such a way that partially compressed fluid is blown off.
  • the blow-off line branches off between two compressor stages. This ensures that, as mentioned in the introduction, when the blow-off line is open, the mass flow in the front compressor stages is greater than in the rear compressor stages.
  • a blow-off conduit may be disposed downstream of the compressor and upstream of the consumer.
  • a blow-off line of a compressor of a gas turbine group is arranged downstream of the compressor and upstream of a first combustion chamber of the gas turbine group.
  • the invention is suitable for conversion and performance of a turbo compressor, which is for example the compressor of a gas turbine group.
  • the gas turbine group in turn is in one Embodiment of the invention Component of a power plant, for example a combined plant.
  • FIGURE shows a gas turbine group before and after an inventive modification of the compressor.
  • the drawing and the embodiment are to be understood as purely exemplary; Elements not necessary for understanding the invention have been omitted.
  • Figure 1a shows a gas turbine group, comprising a compressor 1, a combustion chamber 2, and a turbine 3, as is well known to those skilled in the art.
  • the compressor 1 sucks in an intake volume flow or a nominal mass flow mi. This air mass flow is compressed in the compressor 1.
  • a fuel mass flow is burned in the combustion chamber 2, and the resulting hot flue gas is expanded to perform work in the turbine 3.
  • blow-off lines 11 and 12 are arranged with shut-off elements 21 and 22. As stated in the introduction, these blow-off pipes serve to blow off partially compressed air from the compressor during start-up of the compressor at speeds well below the rated speed.
  • the gas turbine group is shown according to an inventive modification of the compressor 1.
  • equipping with improved compressor blades increases the intake volumetric flow of the compressor 1, and accordingly promotes the compressor a nominal mass flow ⁇ i2, which is greater than the nominal mass flow mi before the conversion.
  • the increase in the nominal mass flow causes the air mass flow blown off during start-up to be proportionate less than before conversion to new blades. This potentially results in the occurrence of stalling in the front compressor stages and / or clogging of the rear compressor stages despite compressor air blow-off.
  • the blow-off capacities of the compressor have now been increased.
  • the blow-off valve 21 of the blow-off line 11 is replaced by a blow-off valve 21a with an enlarged passage cross-section.
  • a new blow-off line 13 has been rearranged with a blow-off valve 23.
  • the blow-off line 13 can branch off at a pressure stage of the compressor, on which another blow-off line is already arranged, as shown in the figure.
  • the blow-off line 13 may, however, also be arranged at a location of the compressor at which no blow-off line was previously arranged.
  • the blow-off line 13 on the one hand connect to an already existing, but previously closed by a flange cover opening of the housing of the compressor 1; If appropriate, however, a new opening may also have been incorporated into the housing, to which the new discharge line 13 then adjoins.
  • blow-off line 14 connects with a blow-off valve 24.
  • Blow-off line 21 shut-off valve, blow-off valve
  • Nri2 Ansaugmassenstrom after the modification

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Modifikation eines Turbokompressors werden die Kompressorschaufeln durch neue Kompressorschaufeln derart ersetzt, dass der geförderte Massenstrom des Verdichters ansteigt. Gleichzeitig werden die Kapazitäten zum Abblasen während des Anfahrens vergrössert.

Description

Verfahren zur Modifikation eines Turbokompressors
Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modifikation eines
Turbokompressors gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin einen gemäss diesem Verfahren modifizierten Turbokompressor, sowie Verwendungen des erfindungsgemäss modifizierten Turbokompressors.
Stand der Technik
[0002] Beim Anfahren eines Turbokompressors ist der Kompressor aufgrund der Stufenkinematik bei niedrigen Drehzahlen nicht in der Lage, den gesamten geförderten Einlassvolumenstrom gegen den vom Verbraucher aufgeprägten Druck zu fördern. Problematisch bei Unterdrehzahl eines Turbokompressors ist auch, dass der Volumenstrom in den hinteren Verdichterstufen deutlich geringer abfällt als dies der Auslegung der Durchströmungsquerschnitte entspricht. Damit wird einerseits der Enthalpieaufbau in die vorderen Verdichterstufen verschoben, welche somit eine verstärkte Ablöseneigung der Verdichterströmung aufweisen. Zum anderen kommt es in den hinteren Verdichterstufen potenziell zu einer Verstopfung der Durchströmungsquerschnitte, was den Druckaufbau in den vorderen Verdichterstufen weiter erhöht. Es ist daher bekannt, an Zwischenstufen von Turboverdichtern absperrbare Abblaseleitungen anzuordnen. Beim Beschleunigen des Turboverdichters werden diese Abblaseleitungen geöffnet. Damit wird ein Teil des in den vorderen Verdichterstufen geförderten Massenstroms abgeleitet, und die hinteren Verdichterstufen werden nur mit einem Teilmassenstrom beaufschlagt. Es wird gewährleistet, dass die Axialgeschwindigkeit der Strömung in den vorderen Verdichterstufen gross genug ist, um einen Strömungsabriss zu verhindern, während die Axialgeschwindigkeit in den hinteren Verdichterstufen keine kritischen Werte erreicht.
[0003] Im Laufe der mehrjährigen Nutzungsdauer von Turbokompressoren ermöglicht der Fortschritt auf den Gebieten der Aerodynamik und der Fertigungstechnik Leistungsverbesserungen durch den Einsatz moderner Schaufeln. Von diesen Möglichkeiten wird Gebrauch gemacht, indem bestehende Turbokompressoren, beispielsweise von Gasturbogruppen, mit verbesserten Schaufeln nachgerüstet werden. Der Effekt einer solchen Nachrüstung mit verbesserten Schaufeln ist ein erhöhter Ansaugvolumenstrom und damit Nennmassenstrom des Kompressors, woraus bei einem unveränderten dem Kompressor nachgeordneten Verbraucher, beispielsweise einer Turbine, auch ein höheres Druckverhältnis resultiert.
Darstellung der Erfindung
[0004] Der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so anzugeben, dass auch ein modifizierter Verdichter, welcher einen erhöhten Nennmassenstrom aufweist, problemlos angefahren werden kann.
[0005] Diese Aufgabe wird mit dem in Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren gelöst.
[0006] Gemäss der Erfindung wird also die Kapazität zum Abblasen von verdichtetem oder teilverdichtetem Fluid erhöht. Die Kapazität wird beispielsweise im selben Verhältnis erhöht, wie sich durch die Modifikation der Kompressorschaufeln der Ansaugvolumenstrom erhöht. Gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Erhöhung der Abblasekapazität indem der kritische Durchströmquerschnitt wenigstens einer an den Kompressor angeschlossenen Abblaseleitung vergrössert wird. Hierbei muss im Allgemeinen der engste Querschnitt der Strömungsleitung vergrössert werden. Dieser liegt häufig im Absperrorgan vor, welches dem Schliessen und Freigeben der Abblaseleitung dient. Die Erfindung kann daher sehr einfach realisiert werden, indem das Absperrorgan, auch Abblaseventil genannt, durch ein Absperrorgan mit einem vergrösserten freien Querschnitt ersetzt wird.
[0007] Gemäss einer zweiten Ausführungsform werden zusätzliche
Abblaseleitungen angeordnet. Dies kann erfolgen, indem vorhandene, durch Flanschdeckel verschlossene Öffnungen des Kompressorgehäuses geöffnet und zusätzliche Abblaseleitungen an den dadurch entstehenden Gehäuseöffnungen angeschlossen werden. Alternativ können auch zusätzliche neue Gehäuseöffnungen in das Kompressorgehäuse eingearbeitet werden. Die zusätzlichen Abblaseleitungen können dabei einerseits an einer Druckstufe des Kompressors angeordnet werden, an der bereits eine vorhandene Abblaseleitung vorliegt. Es wird dann die Abblasekapazität an der entsprechenden Druckstufe des Kompressors erhöht. Es ist aber auch durchaus möglich, die zusätzliche Abblaseleitung an einer Stelle anzuordnen, an der vor der Modifikation keine Abblaseleitung angeschlossen ist. Es wird dann an einer zusätzlichen Druckstufe eine Abblasemöglichkeit geschaffen.
[0008] Abblaseleitungen sind beziehungsweise werden im Allgemeinen derart am Verdichter angeordnet, dass teilverdichtetes Fluid abgeblasen wird. Beispielsweise zweigt die Abblaseleitung zwischen zwei Verdichterstufen ab. Dies stellt sicher, dass, wie einleitend erwähnt, bei geöffneter Abblaseleitung der Massenstrom in den vorderen Verdichterstufen grösser ist als in den hinteren Verdichterstufen. Wenn der Kompressor mit einem Verbraucher für verdichtetes Fluid in Verbindung steht, wobei der Kompressor stromauf des Verbrauchers, beispielsweise einer Turbine, angeordnet ist, kann weiterhin in einer Ausführungsform eine Abblaseleitung stromab des Kompressors und stromauf des Verbrauchers angeordnet werden. Beispielsweise wird eine Abblaseleitung eines Verdichters einer Gasturbogruppe stromab des Verdichters und stromauf einer ersten Brennkammer der Gasturbogruppe angeordnet. Durch Öffnen einer derart angeordneten Abblaseleitung wird während des Anfahrens des Verdichters der Gegendruck, gegen den der Verdichter arbeiten muss, reduziert und damit die Ablösegefahr vermindert.
[0009] Die genannten Ausführungsformen können beliebig untereinander kombiniert und einander ergänzend verwendet werden.
[0010] Die Erfindung eignet sich zur Umrüstung und Leistungssteigerung eines Turbokompressors, der beispielsweise der Kompressor einer Gasturbogruppe ist. Die Gasturbogruppe wiederum ist in einer Ausführungsform der Erfindung Bestandteil einer Kraftwerksanlage, beispielsweise einer Kombianlage.
[0011] Weitere Ausführungsformen der Erfindung erschliessen sich dem Fachmann im Lichte der nachfolgenden Ausführungsbeispiele.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0012] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Gasturbogruppe vor und nach einer erfindungsgemässen Modifikation des Verdichters. Die Zeichnung und das Ausführungsbeispiel sind dabei rein beispielhaft zu verstehen; zum Verständnis der Erfindung nicht notwendige Elemente sind weggelassen worden.
Weg zur Ausführung der Erfindung
[0013] Die Figur 1a zeigt eine Gasturbogruppe, umfassend einen Verdichter 1 , eine Brennkammer 2, und eine Turbine 3, wie sie dem Fachmann ohne Weiteres geläufig ist. Im Betrieb der Gasturbogruppe saugt der Verdichter 1 einen Ansaugvolumenstrom respektive einen Nennmassenstrom mi an. Dieser Luftmassenstrom wird im Verdichter 1 verdichtet. In der verdichteten Verbrennungsluft wird in der Brennkammer 2 ein Brennstoffmassenstrom verbrannt, und das entstehende heisse Rauchgas wird in der Turbine 3 arbeitsleistend entspannt. Am Verdichter 1 sind Abblaseleitungen 11 und 12 mit Absperrorganen 21 und 22 angeordnet. Wie einleitend dargestellt, dienen diese Abblaseleitungen dazu, während des Anfahrens des Verdichters bei Drehzahlen deutlich unterhalb der Nenndrehzahl teilverdichtete Luft aus dem Verdichter abzublasen.
[0014] In der Figur 1 b ist die Gasturbogruppe nach einer erfindungsgemässen Modifikation des Verdichters 1 dargestellt. Durch eine Ausstattung mit verbesserten Verdichterschaufeln steigt der Ansaugvolumenstrom des Verdichters 1 , und entsprechend fördert der Verdichter einen Nennmassenstrom ιτi2, der grösser ist als der Nennmassenstrom mi vor dem Umbau. Die Vergrösserung des Nennmassenstroms führt dazu, dass der während des Anfahrens abgeblasene Luftmassenstrom anteilsmässig geringer ist als vor dem Umbau auf neue Schaufeln. Dies resultiert potenziell darin, dass trotz des Abblasens von Verdichterluft Strömungsabrisse in den vorderen Verdichterstufen und/oder ein Verstopfen der hinteren Verdichterstufen auftreten. Erfindungsgemäss sind nun die Abblasekapazitäten des Verdichters vergrössert worden. Das Abblaseventil 21 der Abblaseleitung 11 ist durch ein Abblaseventil 21a mit vergrössertem Durchtrittquerschnitt ersetzt. Weiterhin ist eine neue Abblaseleitung 13 mit einem Abblaseventil 23 neu angeordnet worden. Die Abblaseleitung 13 kann an einer Druckstufe des Verdichters abzweigen, an der bereits eine andere Abblaseleitung angeordnet ist, wie dies in der Figur dargestellt ist. Die Abblaseleitung 13 kann aber ohne weiteres auch an einer Stelle des Verdichters angeordnet sein, an welcher vorher keine Abblaseleitung angeordnet war. Weiterhin kann die Abblaseleitung 13 einerseits an einer bereits vorhandenen, vorher aber durch einen Flanschdeckel verschlossenen Öffnung des Gehäuses des Kompressors 1 anschliessen; gegebenenfalls kann aber auch eine neue Öffnung in das Gehäuse eingearbeitet worden sein, an welchen sich dann die neue Abblaseleitung 13 anschliesst. Zusätzlich schliesst sich stromab des Verdichters 1 und stromauf der Brennkammer 2 eine weitere Abblaseleitung 14 mit einem Abblaseventil 24 an. Durch Abblasen an dieser Stelle wird das Gesamtdruckverhältnis der Verdichters vermindert, was die Ablösegefahr weiter verringert. Durch diese Modifikation kann insgesamt ein wesentlich grosserer Massenstrom durch die Abblaseleitungen 11, 12, 13 und 14 durchgesetzt werden.
Bezugszeichenliste
[0015] 1 Verdichter, Kompressor, Turbokompressor
[0016] 2 Brennkammer
[0017] 3 Turbine
[0018] 11 Abblaseleitung
[0019] 12 Abblaseleitung
[0020] 13 Abblaseleitung
[0021] 14 Abblaseleitung [0022] 21 Absperrorgan, Abblaseventil
[0023] 21a Absperrorgan, Abblaseventil
[0024] 22 Absperrorgan, Abblaseventil
[0025] 23 Absperrorgan, Abblaseventil
[0026] 24 Absperrorgan, Abblaseventil
[0027] mi Ansaugmassenstrom vor der Modifikation
[0028] nri2 Ansaugmassenstrom nach der Modifikation

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Modifikation eines Turbokompressors (1), umfassend, erste Schaufeln eines Kompressors auszubauen und durch zweite Schaufeln zu ersetzen, wodurch der Ansaugvolumenstrom des Verdichters bei gleicher Drehzahl und gleichem Druckverhältnis gesteigert wird, gekennzeichnet dadurch, die Kapazität zum Abblasen von verdichtetem oder teilverdichtetem Fluid zu erhöhen.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, die Abblasekapazität im selben Verhältnis zu erhöhen wie den Ansaugvolumenstrom.
3. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, den Durchströmungsquerschnitt wenigstens einer an den Kompressor angeschlossen Abblaseleitung (11) zu vergrössern.
4. Verfahren gemäss einem der vorstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, wenigstens einen vorhandenen Gehäuseflansch des Kompressorgehäuses zu öffnen und eine zusätzliche Abblaseleitung (13) an der dadurch entstandenen Gehäuseöffnung anzuschliessen.
5. Verfahren gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, wenigstens eine zusätzliche Öffnung in das Kompressorgehäuse einzuarbeiten, und eine zusätzliche Abblaseleitung (13) an dieser Öffnung anzuordnen.
6. Verfahren gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kompressor stromauf eines Verbrauchers (2, 3) angeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, eine Abblaseleitung (14) stromab des Kompressors und stromauf des Verbrauchers anzuordnen.
7. Verfahren gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kompressor ein Kompressor einer Gasturbogruppe ist, gekennzeichnet dadurch, eine Abblaseleitung (14) stromab des Kompressors (1) und stromauf einer ersten Brennkammer (2) der Gasturbogruppe anzuordnen.
8. Turbokompressor, welcher mit einem Verfahren gemäss einem der vorstehenden Ansprüche modifiziert ist.
9. Gasturbogruppe, umfassend einen Kompressor gemäss Anspruch 8.
10. Kraftwerksanlage, umfassend eine Gasturbogruppe gemäss Anspruch 9.
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