JP2009074549A - Cooling circuit for enhancing turbine performance - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、タービン性能を向上させるための構造及び方法に関し、より具体的には、圧縮機吐出空気を分流させて全所要パージ流量を補足しかつ重要タービン部品を冷却する冷却回路に関する。 The present invention relates to structures and methods for improving turbine performance, and more particularly to a cooling circuit that diverts compressor discharge air to supplement the total required purge flow rate and cool critical turbine components.
ガスタービンの高圧パッキン(HPP)を通り抜けて漏洩する圧縮機吐出空気は一般に、第1段ノズルと第1段バケットとの間で第1の前方ホイールスペースを通して主ガス通路に戻される。この二次流路は、HPP回路と呼ばれる。この空気は、(1)高温ガスの吸込みを防止するための第1のホイールスペース内のパージ流として、(2)HPP回路内の重要部品を冷却する、という2つの目的に使用される。HPP回路内の重要部品としては、圧縮機締付けボルト、結合ジョイント、ノズル支持リング及び第1段ホイールが挙げられる。 Compressor discharge air that leaks through the high pressure packing (HPP) of the gas turbine is generally returned to the main gas passage through the first front wheel space between the first stage nozzle and the first stage bucket. This secondary flow path is called an HPP circuit. This air is used for two purposes: (1) as a purge flow in the first wheel space to prevent hot gas inhalation, and (2) to cool critical components in the HPP circuit. Important components in the HPP circuit include compressor clamping bolts, coupling joints, nozzle support rings and first stage wheels.
幾つかの設計では、HPP回路内での流量レベルは、部品温度要件のためにホイールスペースパージ要求量よりも高い。従って、理想的な解決法では、ホイールスペースパージ要求量を満たすレベルまで全回路流量を減少させると同時に回路内の全ての重要部品を所望の温度要件以下に保持しなければならない。さらに、好ましい解決法ではまた、変化する周囲条件及びタービン運転条件に確実に対処できるようにすることができる。最後に、解決法は、既存のハードウエア内に改造取付けすることができなければならない。 In some designs, the flow level in the HPP circuit is higher than the wheel space purge requirement due to component temperature requirements. Thus, the ideal solution must reduce the total circuit flow to a level that meets the wheel space purge requirement while keeping all critical components in the circuit below the desired temperature requirements. Furthermore, the preferred solution can also ensure that changing ambient conditions and turbine operating conditions can be addressed. Finally, the solution must be able to be retrofitted into existing hardware.
これ迄のGenerel Electric社のタービン設計(9H型タービン)では、HPP回路は、冷却した冷却空気(低温冷却空気)バイパスシステムを利用していた。回路は、熱交換器を使用して抽出圧縮機吐出空気を冷却し、冷却された冷却用空気(cooled cooling air)(低温冷却空気)をHPP回路の前部に持込んで、圧縮機部品の最終段を冷却するだけでなく後段の流れがHPP回路内に流入するのを防止していた。このシステムは、従来型のシールを使用しており、HPPは、従来型のエンジェルウイングシールを凌駕するのに必要なパージ流量の調整を試みていない。低温冷却空気は、調整可能ではない。 In previous General Electric turbine designs (9H turbines), the HPP circuit utilized a cooled cooling air (cold cooling air) bypass system. The circuit uses a heat exchanger to cool the extracted compressor discharge air and brings the cooled cooling air (cold cooling air) to the front of the HPP circuit to In addition to cooling the final stage, the latter stage flow is prevented from flowing into the HPP circuit. This system uses a conventional seal, and HPP has not attempted to adjust the purge flow required to surpass a conventional angel wing seal. Cryogenic cooling air is not adjustable.
他のタービン設計では、パージ流量を減少させるためにブラシシールが実施されてきた。しかしながら、この場合には、より低い圧縮機吐出空気温度及び従ってより低いHPP回路温度により、適切なホイールスペース温度マージンが得られるので、低温冷却空気は必要でない。
例示的な実施形態では、ガスタービンにおける冷却回路は、タービンの高圧パッキン(HPP)回路内の流量を増強する働きをする。本冷却回路は、圧縮機吐出空気を受ける入口パイプと、パイプマニホールドを介して入口パイプと流体連通した1以上の低温冷却空気パイプとを含む。パイプマニホールドは、1以上の低温冷却空気パイプに吐出空気を分配する。上流側シールは、HPP回路への入口の上流に配置され、また下流側シールは、HPP回路の下流に配置される。 In the exemplary embodiment, the cooling circuit in the gas turbine serves to increase the flow rate in the high pressure packing (HPP) circuit of the turbine. The cooling circuit includes an inlet pipe that receives compressor discharge air and one or more cold cooling air pipes that are in fluid communication with the inlet pipe via a pipe manifold. The pipe manifold distributes discharge air to one or more cold cooling air pipes. The upstream seal is located upstream of the inlet to the HPP circuit, and the downstream seal is located downstream of the HPP circuit.
別の例示的な実施形態では、冷却回路を使用してタービンの高圧パッキン(HPP)回路内の流量を増強することによってタービン性能を向上させる方法は、入口パイプ内に圧縮機吐出空気を受ける段階と、複数の低温冷却空気パイプに吐出空気を分配する段階と、HPP回路への入口の上流に上流側シールを配置して該HPP回路に流入する空気を調整する段階及びHPP回路の下流に下流側シールを配置してホイールスペースパージ空気の必要量を調整する段階とを含む。 In another exemplary embodiment, a method for improving turbine performance by using a cooling circuit to increase flow in a high pressure packing (HPP) circuit of a turbine receives compressor discharge air in an inlet pipe. Distributing the discharge air to a plurality of low-temperature cooling air pipes, arranging an upstream seal upstream of the inlet to the HPP circuit to regulate the air flowing into the HPP circuit, and downstream downstream of the HPP circuit Arranging a side seal to adjust the required amount of wheel space purge air.
さらに別の実施形態では、本冷却回路は、圧縮機吐出空気を受ける入口パイプと、パイプマニホールドを介して入口パイプ入口パイプと流体連通した1以上の低温冷却用空気パイプであって、該パイプマニホールドによって吐出空気が分配される1以上の低温冷却空気パイプと、1以上の低温冷却空気パイプ及び分流空気の1つと直接接触状態になった冷却源と、入口パイプと1以上の低温冷却空気パイプとの間に配置されかつHPP回路の温度に基づいて分流空気の質量流量及び温度を調整するバルブと、HPP回路への入口の上流に配置された上流側シールと、HPP回路の下流に配置された下流側シールとを含む。 In yet another embodiment, the cooling circuit includes an inlet pipe that receives compressor discharge air and one or more cryogenic cooling air pipes that are in fluid communication with the inlet pipe inlet pipe via a pipe manifold, the pipe manifold One or more cryogenic cooling air pipes to which the discharge air is distributed by, a cooling source in direct contact with one or more of the one or more cryogenic cooling air pipes and the diverted air, an inlet pipe and one or more cryogenic cooling air pipes; And a valve that regulates the mass flow rate and temperature of the diverted air based on the temperature of the HPP circuit, an upstream seal positioned upstream of the inlet to the HPP circuit, and downstream of the HPP circuit And a downstream seal.
図1を参照すると、システムは、ブラシシール、調整可能シール又は同様のもののようなシール12を利用して、圧縮機吐出空気及び二次(バイパス)低温冷却空気システムからの過剰流量が全所要パージ流量を補足しかつ重要部品を冷却するのを防止する。調整可能シールは、エンジン過渡運転時に後退して該シールに対する摩耗又は損傷を最小にするようなシール、或いはシール性能劣化に対応するための補修を可能にするようなシールとすることができる。
Referring to FIG. 1, the system utilizes a
シール12は、全ての重要部品及び現存のハニカムシールの前方でHPP回路入口の上流又は該HPP回路入口に隣接して配置される。上述したように、シールは、従来型のブラシシール、作動システムを備えた調整可能シール又は同様のものとすることができる。
The
入口チューブ又はパイプ14は、圧縮機吐出空気を受けるように配置される。回路は、直径が約3インチの2つの入口チューブ又はパイプ14を含むのが好ましい。
The inlet tube or
入口パイプ14内の分流空気は、パイプマニホールド18を介して複数の低温冷却空気パイプ16に流される。パイプマニホールド18は、入口パイプ14からの吐出空気を低温冷却空気パイプ16に分配する。低温冷却空気パイプ16は、圧縮機吐出空気をHPP回路に導く。
The diverted air in the
好ましい構成では、冷却回路は、圧縮機吐出ケース垂直フランジにおいて貫通しかつ後縁部における圧縮機吐出ケースストラットに沿って延びる12個の低温冷却空気パイプを含む。低温冷却空気パイプは、その直径が3/4インチ又は1インチであるのが好ましい。圧縮機吐出ケースストラットを介しての位置決めは、主ガス流に対する空気力学的影響を最小にする働きをする。計算流体力学解析を行って、付加的な配管システムが主ガス流に対して無視できるほどの影響しか及ぼさないことを確認した。チューブ16はさらに、適切な開口を通して圧縮機吐出ケース内側バレルフランジを貫通する。
In a preferred configuration, the cooling circuit includes twelve cryogenic cooling air pipes extending through the compressor discharge case vertical flange and extending along the compressor discharge case strut at the trailing edge. The cryogenic cooling air pipe is preferably 3/4 inch or 1 inch in diameter. Positioning via the compressor discharge case struts serves to minimize the aerodynamic influence on the main gas flow. Computational fluid dynamics analysis was performed to confirm that the additional piping system had negligible effects on the main gas flow. The
回路は、入口パイプ14及び低温冷却空気パイプ16のいずれか又は両方と連通した冷却源をさらに含むのが好ましい。1つの構成では、冷却源には、空気流が低温冷却空気パイプ16を通って移動する時に該空気流を冷却する働きをする周囲空気が含まれる。それに代えて、冷却源には、チューブ−シェル式熱交換器又は同様のもののような熱交換器20を含むことができる。
The circuit preferably further includes a cooling source in communication with either or both of the
冷却源のさらに別の形態は、分流空気又は低温冷却空気パイプ16のいずれかと接触する水滴を噴霧するアトマイザ22である。アトマイザ22は、直接噴霧されて抽出空気を冷却するミクロレベルの水滴を生成するのが好ましい。流れを150°Fだけ冷却するのに必要な水量は、主ガス通路流の水分レベルを2%だけ高めることになる。HPP回路内では局所的に、比湿は一般に、入口における状態と比較して4〜5倍となることになる。一般に、このより高い湿度は、回路部品に対して無害である。
Yet another form of cooling source is an
図2は、図1に示す熱交換器20又はアトマイザ22に対する形態を示す。図2は、圧縮機の第13段又はその他の適切な圧縮機抽出ポートからの空気を圧縮機吐出空気と混合するエゼクタ24を示している。第13段の空気は、適切な配管システム26又は同様のものを介してエゼクタに導かれる。エゼクタ出口における混合した第13段空気及び圧縮機吐出空気は、所望の温度と圧縮機吐出空気よりも低い圧力とを有することになる。空気を加圧しかつ加熱するのに該空気に対して少ない仕事しか行われていないという点でより割安である第13段からの比較的安価な空気が使用されるので、付加的タービン性能を得ることができる。
FIG. 2 shows a configuration for the
出口温度及び質量流量は、入口パイプ14と低温冷却空気パイプ16との間に配置されたバルブ28によって調整することができる。アトマイザ22を使用する場合には、付加的なバルブを設けて、水質量を制御することができる。2つのバルブは、手動で又は制御信号によって自動的にのいずれかで作動させることができる。バルブは、HPP回路における温度測定値に基づいて所望の低温冷却空気の質量流量及び温度に自動的に調整することができるのが好ましい。そのようなバルブは、使用する冷却メカニズムに関係なくCCA回路を制御するために使用することができる。これらのバルブは、HPP回路内で行った温度測定値に基づいて制御されなければならず、これら温度測定は一般に、ホイールスペース内の幾つかの位置において行われるが、またHPP回路内のいずれかの重要位置においても行うことができる。温度測定値は、冷却空気が適切に低温になっているかを判定するためとホイールスペース内への高温ガスの吸込みを識別するためとの両方に使用することができる。
The outlet temperature and mass flow rate can be adjusted by a
低温冷却空気パイプ16は、様々な位置においてHPP回路に対して冷却空気を送給する。図1及び図2に示すように、内側バレル内に開口30を設けて、タービンの締付けボルト及び結合フランジに低温冷却空気を供給するのが好ましい。CCAの残部は、第1の前方ホイールスペース内に直接供給される。
The cold
上記した本システム及び方法は、HPP回路内において必要となる圧縮機吐出空気の量を節約しかつそれを主流路に再び導いて戻してタービン性能を高めようとするものである。これは、回路内に低温冷却空気を持込むための二次流システムを採用することによって確実に達成することができる。回路で必要となる全流量は、ホイールスペースパージ要求量によって決定される。ホイールスペースパージ要求量と現在の流量との間の差は、二次の低温冷却空気回路の実施を正当化するのに十分なほど重要な意味を持つ。シールは、HPP回路に流入する空気を、可能な限り多量の所要パージ空気が低温冷却空気回路によって供給されるようにして、可能な限り最小限に制限する。アブレイダブルエンジェルウィングシールによるホイールスペースにおけるシール作用の改善により、必要なパージ空気量が減少する。混合した圧縮機吐出空気及び低温冷却空気は、ホイールスペースへの高温ガスの吸込みを防止すると同時に回路内の重要部品を温度限界値以下に保持するのに十分でなければならない。 The present system and method described above seeks to save the amount of compressor discharge air required in the HPP circuit and redirect it back to the main flow path to improve turbine performance. This can be reliably achieved by employing a secondary flow system for bringing cold cooling air into the circuit. The total flow required in the circuit is determined by the wheel space purge requirement. The difference between the wheel space purge requirement and the current flow rate is significant enough to justify the implementation of the secondary cryogenic cooling air circuit. The seal limits the air entering the HPP circuit to the minimum possible so that as much of the required purge air as possible is supplied by the cryogenic cooling air circuit. The required amount of purge air is reduced by improving the sealing action in the wheel space by the abradable angel wing seal. The mixed compressor discharge air and cold cooling air must be sufficient to prevent the ingestion of hot gas into the wheel space and at the same time keep critical components in the circuit below the temperature limit.
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。 Although the present invention has been described with respect to what is presently considered to be the most practical and preferred embodiments, the present invention is not limited to the disclosed embodiments, and conversely, the technical concept and technical scope of the claims. It should be understood that various changes and equivalent arrangements included within the scope are intended to be protected.
12 シール
14 入口チューブ又はパイプ
16 低温冷却空気パイプ
18 パイプマニホールド
20 熱交換器
22 アトマイザ
24 エゼクタ
26 配管
28 バルブ
30 開口
12
Claims (10)
圧縮機吐出空気を受ける入口パイプ(14)と、
パイプマニホールド(18)を介して入口パイプ入口パイプと流体連通した1以上の低温冷却用空気パイプであって、該パイプマニホールドによって吐出空気が分配される1以上の低温冷却空気パイプ(16)と、
HPP回路への入口の上流に配置された上流側シール(12)と、
HPP回路の下流に配置された下流側シール(12)と
を備える冷却回路。 A cooling circuit in the gas turbine for increasing the flow rate in a high pressure packing (HPP) circuit of the gas turbine comprising:
An inlet pipe (14) for receiving compressor discharge air;
One or more cryogenic cooling air pipes in fluid communication with an inlet pipe inlet pipe via a pipe manifold (18), wherein one or more cryogenic cooling air pipes (16) to which discharge air is distributed by the pipe manifold;
An upstream seal (12) disposed upstream of the inlet to the HPP circuit;
A cooling circuit comprising a downstream seal (12) disposed downstream of the HPP circuit.
入口パイプ(14)内に圧縮機吐出空気を受ける段階と、
複数の低温冷却空気パイプ(16)に吐出空気を分配する段階と、
HPP回路への入口の上流に上流側シール(12)を配置して該HPP回路に流入する空気を調整する段階及びHPP回路の下流に下流側シール(12)を配置してホイールスペースパージ空気の必要量を調整する段階と、を含む、
方法。 A method of improving turbine performance by using a cooling circuit to increase flow in a high pressure packing (HPP) circuit of a turbine, comprising:
Receiving compressor discharge air in an inlet pipe (14);
Distributing the discharge air to a plurality of cryogenic cooling air pipes (16);
An upstream seal (12) is placed upstream of the inlet to the HPP circuit to regulate the air flowing into the HPP circuit, and a downstream seal (12) is placed downstream of the HPP circuit to remove wheel space purge air. Adjusting the required amount, and
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