JP2009281383A - Systems for and methods of cooling heated components in turbine - Google Patents

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スチュアート・サミュエル・コリンズ
Paul Jeffrey Meyer
ポール・ジェフリー・マイヤー
Paul Stephen Dimascio
ポール・スティーブン・ディマシオ
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide systems for and methods of cooling heated components in a turbine. <P>SOLUTION: According to one embodiment, the system for cooling the turbine is provided that may include at least one liquid source 116 which may include a coolant liquid. The system may also include at least one liquid nozzle 118 in fluid communication with the liquid source 116 or sources and operable to deliver the coolant liquid in an atomized form adjacent to at least one heated turbine component positioned in a hot gas path 216 of the turbine. Upon delivering the atomized coolant liquid adjacent to the heated turbine component or components, at least a portion of the coolant liquid substantially changes phase to a gas. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、総括的にはタービンに関し、より具体的には、タービン内の加熱部品を冷却するためのシステム及び方法に関する。   The present invention relates generally to turbines, and more particularly to systems and methods for cooling heated components in a turbine.

ガスタービンのようなタービンでは、ノズル、タービン、バケット又はシュラウドのような一部の部品は、高温ガス流路内に配置され、かつ1以上の部品の融点よりも高い温度になる可能性がある高温ガスに曝される。一部の最新式発電用ガスタービンでは、高温ガスの温度は、最高1600℃に達する可能性がある。従って、多くの場合において、高温ガス流路内に配置された部品は、タービンの運転時に冷却される。例示的な従来のシステムでは、ガスタービンの圧縮機から抽気した空気は、部品を冷却するように作用する。しかしながら、この空気は、既に多くの仕事つまりエネルギーを消費しており、かつガスタービンの燃焼チャンバをバイパスしている。この空気は次に、タービンバケット又はノズルのような部品に流入してそれらを冷却し、従ってそれら部品は高温ガス流路内で耐えることができる。その後、この空気は、高温ガス流路内に放出されて戻る。この空気は燃焼チャンバをバイパスするので、この空気は、如何なる燃料も燃焼させずまた付加的運動量を加えることはない。従って、この空気は、他のタービン段において有用な仕事をすることができない。その結果、ガスタービンの効率が低下する。   In a turbine, such as a gas turbine, some components such as nozzles, turbines, buckets or shrouds may be placed in the hot gas flow path and may be at a temperature higher than the melting point of one or more components. Exposure to hot gas. In some modern power generation gas turbines, the temperature of the hot gas can reach up to 1600 ° C. Thus, in many cases, the components placed in the hot gas flow path are cooled during turbine operation. In an exemplary conventional system, the air extracted from the compressor of the gas turbine acts to cool the part. However, this air already consumes a lot of work or energy and bypasses the combustion chamber of the gas turbine. This air then flows into components such as turbine buckets or nozzles to cool them so that they can withstand in the hot gas flow path. Thereafter, this air is released into the hot gas flow path and returns. Since this air bypasses the combustion chamber, this air does not burn any fuel and does not add any additional momentum. Therefore, this air cannot do useful work in other turbine stages. As a result, the efficiency of the gas turbine is reduced.

その他の例示的な従来のシステムでは、加熱部品は、圧縮機から取り出した空気ではなくて蒸気によって冷却することができる。蒸気は、蒸気タービンから抽出し、かつ高温ガス流路内に配置された加熱タービン部品内にパイプで送ることができる。蒸気は一般的に、より高い熱伝達係数を有し、従って高温ガス流路内のタービン部品からより多くの熱を吸収する。従って、蒸気冷却は、空気冷却法に勝る改善した冷却法をもたらすことができる。蒸気は、ガス流路から取り出しかつ蒸気タービンに再導入させることができる。従って、蒸気により高温ガス流路から引き出された熱エネルギーの幾らかは、蒸気タービンに回収して付加的な有用な仕事を行わせることができる。従って、例示的なケースでは、蒸気冷却式ガスタービンの効率は、空気冷却式ガスタービンよりも高くすることができる。   In other exemplary conventional systems, the heating component can be cooled by steam rather than air taken from the compressor. Steam can be extracted from the steam turbine and piped into a heated turbine component located in the hot gas flow path. Steam generally has a higher heat transfer coefficient and therefore absorbs more heat from turbine components in the hot gas flow path. Thus, steam cooling can provide an improved cooling method over air cooling methods. Steam can be removed from the gas flow path and reintroduced into the steam turbine. Thus, some of the thermal energy drawn from the hot gas flow path by the steam can be recovered by the steam turbine to perform additional useful work. Thus, in the exemplary case, the efficiency of the steam cooled gas turbine can be higher than that of the air cooled gas turbine.

しかしながら、従来の蒸気冷却システムは、非常に複雑なものとなる可能性がある。例えば、蒸気は、固定パイプから取り出しかつ回転バケット内に送らなければならない。蒸気が非常に高い圧力で存在しかつどちらかと言えば蒸気システム内に漏洩を引き起こすことになるので、蒸気供給及び回収システムは、良好なシール状態に保たれなければならない。さらに、蒸気は移動した後に蒸気タービンに戻るので、蒸気システムはまた、シール状態にして純度を維持しなければならない。   However, conventional steam cooling systems can be very complex. For example, steam must be removed from the fixed pipe and sent into a rotating bucket. The steam supply and recovery system must be kept in a good seal because steam is present at very high pressures and would otherwise cause leakage in the steam system. Moreover, since the steam travels back to the steam turbine, the steam system must also be sealed to maintain purity.

米国特許第3446481号明細書U.S. Pat. No. 3,446,481 米国特許第3446482号明細書U.S. Pat. No. 3,446,482 米国特許第4283822号明細書US Pat. No. 4,283,822

従って、タービン内の加熱部品を冷却するためのシステム及び方法に対する必要性が存在する。   Accordingly, there is a need for a system and method for cooling heated components in a turbine.

本発明の実施形態は、上述した必要性の幾らか又は全てに対処することができる。本発明の実施形態は、総括的にはタービンエンジン内の加熱タービン部品を冷却するためのシステム及び方法に関する。   Embodiments of the invention can address some or all of the needs described above. Embodiments of the present invention generally relate to systems and methods for cooling heated turbine components in a turbine engine.

本発明の1つの例示的な実施形態によると、タービンの高温ガス流路内の加熱部品を冷却するためのシステムを提供する。この例示的なシステムは、冷却媒体液体を含むことができる1以上の液体源を含むことができる。本システムはまた、1以上の液体源と流体連通しておりかつ冷却媒体液体をタービンの高温ガス流路内に配置された1以上の加熱タービン部品付近に噴霧化状態で送給するように作動できる1以上の液体ノズルを含むことができる。本例示的な実施形態によると、噴霧化冷却媒体液体を1以上の加熱タービン部品付近に送給すると、該冷却媒体液体の少なくとも一部分が、実質的に気体に相変化する。   According to one exemplary embodiment of the present invention, a system for cooling a heated component in a hot gas path of a turbine is provided. The exemplary system can include one or more liquid sources that can include a cooling medium liquid. The system is also in fluid communication with one or more liquid sources and is operative to deliver a coolant liquid in an atomized state near one or more heated turbine components disposed within the hot gas flow path of the turbine. One or more possible liquid nozzles can be included. According to the present exemplary embodiment, when the atomized coolant fluid is delivered near one or more heated turbine components, at least a portion of the coolant fluid substantially phase changes to a gas.

本発明の別の例示的な実施形態によると、タービンの高温ガス流路内の加熱部品を冷却する方法を提供する。この例示的な方法は、冷却媒体液体を含み、かつタービンの高温ガス流路内に配置された1以上の加熱タービン部品に隣接して配置した1以上の液体ノズルと流体連通した1以上の液体源を設けるステップを含むことができる。本方法はさらに、1以上の液体源からの冷却媒体液体を噴霧化するステップと、噴霧化冷却媒体液体を1以上の加熱タービン部品付近に送給するステップとを含むことができる。本例示的な実施形態によると、噴霧化冷却媒体液体を1以上の加熱タービン部品付近に送給すると、該冷却媒体液体の少なくとも一部分が、実質的に気体に相変化する。   According to another exemplary embodiment of the present invention, a method for cooling a heated component in a hot gas flow path of a turbine is provided. The exemplary method includes one or more liquids that include a coolant liquid and are in fluid communication with one or more liquid nozzles disposed adjacent to one or more heated turbine components disposed within the hot gas flow path of the turbine. Providing a source can be included. The method may further include atomizing coolant fluid from one or more liquid sources and delivering the atomized coolant fluid near one or more heated turbine components. According to the present exemplary embodiment, when the atomized coolant fluid is delivered near one or more heated turbine components, at least a portion of the coolant fluid substantially phase changes to a gas.

本発明のさらに別の例示的な実施形態によると、タービンを作動させる方法を提供する。この例示的な方法は、タービンを始動させるステップと、タービン速度を増加させて所定の負荷で作動させるステップと、冷却媒体液体を噴霧化させるステップとを含むことができる。本方法はさらに、タービン速度を増加させて所定の負荷で作動させるステップの後に、噴霧化冷却媒体液体をタービンの高温ガス流路内に配置された1以上の加熱タービン部品付近に送給して、該噴霧化冷却媒体液体を送給すると該冷却媒体液体の少なくとも一部分が実質的に気体に相変化するステップを含むことができる。本方法はさらに、タービン速度を低下させて所定の負荷以下で作動させるステップと、タービン速度を所定の負荷以下に低下させるステップの後に高温ガス流路から過剰液体をパージするステップとを含むことができる。   According to yet another exemplary embodiment of the present invention, a method for operating a turbine is provided. The exemplary method may include starting the turbine, increasing the turbine speed to operate at a predetermined load, and atomizing the coolant fluid. The method further includes, after the step of increasing the turbine speed and operating at a predetermined load, delivering the atomized coolant fluid to one or more heated turbine components disposed within the hot gas flow path of the turbine. , And delivering the atomized cooling medium liquid may include the step of causing at least a portion of the cooling medium liquid to substantially change to a gas. The method may further include reducing the turbine speed to operate below a predetermined load, and purging excess liquid from the hot gas flow path after reducing the turbine speed below the predetermined load. it can.

本発明のその他の実施形態及び態様は、以下の図面と共になした次の説明から明らかになるであろう。   Other embodiments and aspects of the invention will become apparent from the following description taken in conjunction with the following drawings.

以上のように、本発明の実施形態を総括的な表現で説明してきたが、次に、正確な尺度で描いていない添付図面を参照することにする。   While embodiments of the present invention have been described in general terms as described above, reference will now be made to the accompanying drawings, which are not drawn to scale.

本発明の1つの実施形態による、加熱タービン部品を冷却するための例示的なシステムの機能ブロック図。1 is a functional block diagram of an exemplary system for cooling a heated turbine component, according to one embodiment of the invention. 本発明の1つの実施形態による、例示的な加熱タービン部品を示すタービンバケットの図。1 is a turbine bucket diagram illustrating an exemplary heated turbine component, according to one embodiment of the invention. FIG. 本発明の1つの実施形態による、加熱タービン部品を冷却する例示的な方法を示すフローチャート。2 is a flowchart illustrating an exemplary method for cooling a heated turbine component, according to one embodiment of the invention. 本発明の1つの実施形態による、タービンを作動させる例示的な方法を示すフローチャート。2 is a flowchart illustrating an exemplary method of operating a turbine, according to one embodiment of the invention.

次に、全てではないが幾つかの実施形態を示す添付図面を参照して、本発明の例示的な実施形態を下記においてより十分に説明する。実際に、本発明は、多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書に記載した実施形態に限定されるものとして解釈すべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、本発明が適用可能な法律上の要件を満たすことになるようにするために示している。全体にわたって、同じ符号は同様の要素を表わしている。   Exemplary embodiments of the present invention will now be described more fully hereinafter with reference to the accompanying drawings, which illustrate some, but not all, embodiments. Indeed, the invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein; rather, these embodiments are contemplated by the present invention. Shown to ensure that applicable legal requirements are met. Throughout, the same reference numbers refer to similar elements.

タービンを始動させること及びその速度を増加させることにより、該タービンの燃焼チャンバ内に燃焼が生じる。燃焼時には、発生する高温ガスの温度は、高温ガス流路内に設置された様々なタービン部品の融点を充分に超える可能性がある。従って、タービンの高温ガス流路内の加熱タービン部品を冷却するために、該加熱タービン部品に又はその近傍に冷却媒体液体を噴霧化しかつ送給することができる。液体から気体への相変化の間には、例えば水のような冷却媒体液体によって吸収されるエネルギーはより多くなるので、噴霧化冷却媒体液体を加熱タービン部品の位置に又はその近傍に供給することは、蒸気単独冷却式又は空気単独冷却式タービンにおけるよりも部品をより効率的に冷却する。さらに、空気内に冷却媒体液体を混合することはさらに、空気及び気体混合物が加熱タービン部品に送給される前に、該空気に対する冷却メカニズムとして作用する。   By starting the turbine and increasing its speed, combustion occurs in the combustion chamber of the turbine. During combustion, the temperature of the generated hot gas may sufficiently exceed the melting points of various turbine components installed in the hot gas flow path. Accordingly, a coolant fluid can be atomized and delivered to or near the heated turbine component to cool the heated turbine component in the hot gas path of the turbine. During the phase change from liquid to gas, more energy is absorbed by the coolant liquid, for example water, so the atomized coolant liquid is supplied at or near the location of the heated turbine component Cools parts more efficiently than in a steam-only or air-only turbine. Furthermore, mixing the coolant liquid in the air further acts as a cooling mechanism for the air and gas mixture before it is delivered to the heated turbine component.

図1は、本発明の1つの実施形態による、加熱タービン部品を冷却するための例示的なシステム100の機能ブロック図である。例示的な実施形態では、加熱タービン部品は、第1段タービンバケット102のようなタービンバケット102とすることができる。しかしながら、タービンホイール、タービンノズル、タービンシュラウド又はそれらの組合せのようなその他のタービン部品もまた、本明細書で説明するシステム及び方法によって冷却することができることを理解されたい。ガスタービンでは、高温ガスが燃焼チャンバ内部で生成されて、約1000℃〜約1600℃の範囲にある高温ガス温度を生じる。燃焼チャンバから流出した後に、高温ガスは最初に、ガスタービンの第1段タービンノズル104を通って流れることができ、このノズル104は、タービンバケット102のような加熱タービン部品と連通している。説明の目的上、図1には1つの第1段タービンノズル104だけを示しており、またその他の例示的なタービンは、多数のノズル、バケットなどを含むことができることを理解されたい。従って、タービンノズル104及びタービンバケット102、或いはその他のタービン部品は、非常に高い温度の高温ガスに曝される。その結果、これらのタービン部品は、その部品材料の溶融温度を大きく超えた温度を受ける可能性がある。   FIG. 1 is a functional block diagram of an exemplary system 100 for cooling a heated turbine component, according to one embodiment of the invention. In the exemplary embodiment, the heated turbine component may be a turbine bucket 102, such as a first stage turbine bucket 102. However, it should be understood that other turbine components, such as turbine wheels, turbine nozzles, turbine shrouds, or combinations thereof may also be cooled by the systems and methods described herein. In a gas turbine, hot gas is generated inside the combustion chamber to produce a hot gas temperature that ranges from about 1000 ° C to about 1600 ° C. After exiting the combustion chamber, the hot gas may first flow through the first stage turbine nozzle 104 of the gas turbine, which is in communication with a heated turbine component, such as the turbine bucket 102. For purposes of explanation, it should be understood that only one first stage turbine nozzle 104 is shown in FIG. 1, and that other exemplary turbines may include multiple nozzles, buckets, and the like. Thus, the turbine nozzle 104 and turbine bucket 102, or other turbine components, are exposed to very high temperature hot gases. As a result, these turbine components can experience temperatures that greatly exceed the melting temperature of the component materials.

タービンバケット102を冷却するために、空気は、ガスタービンの圧縮機106から送給される。この空気は最初に、タービンノズル104の内部空間108を通って流れることができる。タービンノズル104から流出した後に、空気は、インデューサ110を通って流れ、インデューサ110はさらに、タービンバケット102の根元112付近に空気を放出する。根元112は、タービンバケット102の最も半径方向内側部分である。根元112は通常、タービンバケット102をタービンホイールに取付けることができるように機械加工された取付け形状部(図2に示すような)を有している。さらに、インデューサ110は、空気が根元112を通してタービンバケット102に流入するように配向されかつ流れるように空気を放出する。図1はまた、タービンノズル104を通して冷却媒体液体を流す管114を示している。例示的な実施形態では、冷却媒体液体は、液体源116から引き出される。1つの例示的な実施形態では、冷却媒体液体は実質的に水とすることができるが、その他の実施形態では、液体源116は、水以外の冷却媒体液体を送給することができることを理解されたい。管114を通って流れた後に、冷却媒体液体は液体ノズル118を通って流れる。液体ノズル118は、冷却媒体液体を加熱タービン部品に又はその付近に送給する。例えば、図1に示すように、液体ノズルは、冷却媒体液体をタービンバケット102の根元112付近に送給することができる。その他の例示的な実施形態では、液体ノズル118は、冷却媒体液体を、例えばタービンホイール、タービンノズル、タービンシュラウド又はそれらの組合せのようなその他のタービン部品に送給することができる。   In order to cool the turbine bucket 102, air is delivered from the compressor 106 of the gas turbine. This air can initially flow through the interior space 108 of the turbine nozzle 104. After exiting the turbine nozzle 104, the air flows through the inducer 110, and the inducer 110 further releases air near the root 112 of the turbine bucket 102. The root 112 is the innermost radial portion of the turbine bucket 102. The root 112 typically has an attachment feature (as shown in FIG. 2) that is machined to allow the turbine bucket 102 to be attached to the turbine wheel. In addition, the inducer 110 releases the air so that the air is oriented and flows to enter the turbine bucket 102 through the root 112. FIG. 1 also shows a tube 114 through which the coolant liquid flows through the turbine nozzle 104. In the exemplary embodiment, cooling medium liquid is drawn from liquid source 116. In one exemplary embodiment, the cooling medium liquid can be substantially water, but in other embodiments, the liquid source 116 can deliver a cooling medium liquid other than water. I want to be. After flowing through the tube 114, the coolant liquid flows through the liquid nozzle 118. The liquid nozzle 118 delivers coolant liquid to or near the heated turbine component. For example, as shown in FIG. 1, the liquid nozzle can deliver coolant liquid near the root 112 of the turbine bucket 102. In other exemplary embodiments, the liquid nozzle 118 may deliver coolant liquid to other turbine components, such as a turbine wheel, turbine nozzle, turbine shroud, or combinations thereof.

様々な例示的な実施形態では、液体ノズル118は、タービンホイールの内側又はタービンシュラウドの外側に設置することができる。液体ノズル118の位置により、冷却媒体液体を加熱タービン部品102の位置に又はその近傍に放出するための位置が決まる。様々な例示的な実施形態では、液体ノズル118は、インジェクタ式のもの、ベンチュリ式のもの又は同様のものとすることができる。   In various exemplary embodiments, the liquid nozzle 118 may be installed inside the turbine wheel or outside the turbine shroud. The position of the liquid nozzle 118 determines the position for discharging the coolant liquid to or near the heated turbine component 102. In various exemplary embodiments, the liquid nozzle 118 may be injector, venturi, or the like.

液体ノズル118から送給された冷却媒体液体が、タービンバケット102のような加熱タービン部品と直接接触した場合には、冷却媒体液体は、該冷却媒体液体が接触した局所ゾーンにおいてその温度の大幅な低下を引き起こす可能性がある。このことは、部品の材料内に大きな温度勾配を生じさせる可能性があり、場合によっては加熱部品の材料内に大きな応力勾配を生じさせて、冷却媒体液体が接触する箇所に割れ発生を生じさせるおそれがあるようになる。そのような加熱タービン部品に対する損傷を回避するために、1つの例示的な実施形態では、冷却媒体液体を噴霧化状態で空気内に放出しかつ空気と混合した時及び高温に曝した時に該冷却媒体液体の少なくとも一部分を液体から気体に相変化させる。気体への相変化により、加熱部品上の箇所に液体状態で冷却媒体液体が直接接触することが回避される。   When the coolant fluid delivered from the fluid nozzle 118 is in direct contact with a heated turbine component, such as the turbine bucket 102, the coolant fluid has a significant temperature increase in the local zone with which the coolant fluid is in contact. May cause decline. This can create a large temperature gradient in the material of the part, and in some cases, a large stress gradient in the material of the heated part, causing cracking where the coolant liquid contacts. There is a fear. To avoid damage to such heated turbine components, in one exemplary embodiment, the cooling medium liquid is discharged into the air in an atomized state and mixed with the air and exposed to high temperatures. At least a portion of the media liquid is phase changed from liquid to gas. Due to the phase change to the gas, it is avoided that the coolant liquid directly contacts the part on the heating component in the liquid state.

幾つかの場合には、液体源116から流出した冷却媒体液体は、圧縮機106から流出した空気の圧力よりも低い圧力である場合がある。そのような場合には、冷却媒体液体は、噴霧化状態で空気内に放出することができず、従って空気媒体内に均一に分布させることができない。従って、冷却媒体液体は、該液体を空気媒体内に放出する前に加圧することができる。従って、1つの例示的な実施形態では、加圧ポンプを利用して冷却媒体液体を加圧して、冷却媒体液体を実質的に噴霧化状態で空気媒体に向けて流出させかつ加熱タービン部品の位置において又はその近傍で空気媒体内に均一に分布させることができるようにすることができる。例えば、冷却媒体液体は、約2.8×10N/m(400psi)又はそれより高い圧力に加圧することができる。 In some cases, the coolant liquid that flows out of the liquid source 116 may be at a pressure that is lower than the pressure of the air that flows out of the compressor 106. In such a case, the cooling medium liquid cannot be released into the air in an atomized state and therefore cannot be evenly distributed in the air medium. Thus, the cooling medium liquid can be pressurized before releasing the liquid into the air medium. Accordingly, in one exemplary embodiment, a pressurized pump is utilized to pressurize the coolant liquid, causing the coolant liquid to flow toward the air medium in a substantially atomized state, and the location of the heated turbine component. Can be distributed uniformly in the air medium at or near. For example, the coolant liquid can be pressurized to a pressure of about 2.8 × 10 6 N / m 2 (400 psi) or higher.

空気をタービンバケット102のような加熱タービン部品付近に導入する前に冷却媒体液体を該空気と混合することによりさらに、冷却媒体液体の気化潜熱が冷却媒体液体並びに気体状態の該冷却媒体液体及び空気の比熱と比較して極めて大きいので、加熱タービン部品の冷却を一層良好にすることができる。例えば、冷却媒体液体が水である場合には、水の気化潜熱、水の比熱、及び蒸気の比熱は、それぞれ約2.26×10J/kg、4.184J/kg−℃、及び2J/kg−℃である。従って、蒸気冷却式タービンでは、蒸気の各キログラムにおける約1℃の上昇で2Jの熱を吸収することができ、また水冷式タービンでは、水の各キログラムにおける約1℃の上昇で4.184Jの熱を吸収することができる。しかしながら、水が蒸気に転換されるシステム100のようなシステムでは、蒸気への転換時に水の各キログラムによって2.26×10Jの熱を吸収することができる。さらに、このことは、ほぼ水の沸点である一定の温度で生じる。水は、そのほぼ全部が蒸気に転換されるまで、2.26×10J/kg−℃の熱を吸収する。このことは、冷却媒体液体に対して大きな熱抽出能力を与える。さらに、冷却媒体液体を空気内に混合させること及びその結果として起こる気体への転換は、空気及び気体混合物がタービンバケット102のような加熱タービン部品付近に送給される前に、空気の冷却メカニズムとして作用する。1以上のタービンバケット102を冷却するこの例示的な実施形態では、冷却媒体液体が気体状媒体に相変化すると、気体及び空気混合物は、根元112を通してタービンバケット102の内部空間120に流入することができる。 Mixing the coolant liquid with the air prior to introducing air into the vicinity of a heated turbine component, such as the turbine bucket 102, further causes the latent heat of vaporization of the coolant liquid to form the coolant liquid and the gaseous coolant medium and air in the gaseous state. Therefore, the cooling of the heated turbine component can be further improved. For example, when the cooling medium liquid is water, the latent heat of vaporization, the specific heat of water, and the specific heat of steam are about 2.26 × 10 2 J / kg, 4.184 J / kg- ° C., and 2 J, respectively. / Kg- ° C. Thus, a steam-cooled turbine can absorb 2 J of heat with an increase of about 1 ° C. in each kilogram of steam, and a water-cooled turbine can absorb 4.184 J with an increase of about 1 ° C. in each kilogram of water. It can absorb heat. However, in a system such as system 100 where water is converted to steam, 2.26 × 10 2 J of heat can be absorbed by each kilogram of water when converted to steam. Furthermore, this occurs at a constant temperature that is approximately the boiling point of water. Water absorbs 2.26 × 10 2 J / kg- ° C. of heat until almost all of it is converted to steam. This provides a large heat extraction capability for the cooling medium liquid. In addition, mixing the coolant liquid into the air and the resulting conversion to gas is a mechanism for cooling the air before the air and gas mixture is delivered near a heated turbine component, such as the turbine bucket 102. Acts as In this exemplary embodiment of cooling one or more turbine buckets 102, the gas and air mixture may flow through root 112 into interior space 120 of turbine bucket 102 as the coolant liquid phase changes to a gaseous medium. it can.

1つの例示的な実施形態では、液体源116を液体ノズル118に結合しかつ液体源116及び液体ノズル118からの冷却媒体液体の適切な送給を保証するパイプシステム122を任意選択的に設けることができる。さらに、このパイプシステム122は、冷却媒体液体の相が気体状態に変化するほどその温度が著しく高い環境内に位置する可能性がある。そのことにより、冷却媒体液体は、加熱タービン部品102のために良好に保有している熱抽出能力の一部を喪失することになる。冷却媒体液体の気体への相変化を回避するために、パイプシステム122はその周囲から断熱することができる。さらに、パイプシステム122は、冷却媒体液体の腐食作用のために腐食する可能性がある。従って、1つの例示的な実施形態では、パイプシステム122には、耐食性被覆を設けることができる。   In one exemplary embodiment, a pipe system 122 is optionally provided that couples the liquid source 116 to the liquid nozzle 118 and ensures proper delivery of cooling medium liquid from the liquid source 116 and liquid nozzle 118. Can do. Furthermore, the pipe system 122 may be located in an environment where the temperature of the coolant system liquid is significantly higher as the phase of the coolant liquid changes to a gaseous state. This causes the coolant liquid to lose some of the heat extraction capability that it has well for the heated turbine component 102. In order to avoid a phase change of the cooling medium liquid to gas, the pipe system 122 can be insulated from its surroundings. In addition, the pipe system 122 can corrode due to the corrosive action of the coolant fluid. Thus, in one exemplary embodiment, the pipe system 122 can be provided with a corrosion resistant coating.

システム100の作動時における幾つかの状況において、ガスタービンの速度が低下して、ガスタービンが最早所定の負荷で作動しないようになる。ガスタービンは、ガス相に転換されない過剰な冷却媒体液体を高温ガス流路からパージすることを必要とする可能性がある。従って、1つの例示的な実施形態では、ガスタービン内にパージングユニット124が任意選択的に設けられる。しかしながら、例示的なガスタービンは一般的に、ガスタービン内部から未燃焼燃料を排出するためのドレンシステムを含むことができる。従って、1つの例示的な実施形態では、燃料ドレンシステムは、流路内に残存する過剰な冷却媒体液体をパージするパージングユニット124として拡張することができる。   In some situations during operation of the system 100, the speed of the gas turbine is reduced and the gas turbine no longer operates at a predetermined load. The gas turbine may need to purge excess coolant liquid that is not converted to the gas phase from the hot gas flow path. Accordingly, in one exemplary embodiment, a purging unit 124 is optionally provided in the gas turbine. However, exemplary gas turbines may generally include a drain system for discharging unburned fuel from within the gas turbine. Thus, in one exemplary embodiment, the fuel drain system can be expanded as a purging unit 124 that purges excess coolant liquid remaining in the flow path.

図2は、本発明の1つの実施形態による、タービンの高温ガス流路216内の1以上の加熱タービン部品の実施例を示す例示的なタービンバケット202の図である。タービンバケット202は、該タービンバケット202の対向する壁でありかつ該タービンバケット202内に内部空間208を形成した第1の側面218A及び第2の側面218Bを有する。タービンバケット202は、複数のオリフィス204とバケットプラットフォーム206とを含むことができる。オリフィス204は、タービンバケット202の第1の側面218A及び第2の側面218Bを貫通して延びる。冷却媒体液体及び空気の混合物210は、タービンバケット202の根元212の位置に又はその近傍に送給し、この根元212の箇所において、バケットプラットフォーム206を通して混合物210をタービンバケット202に流入させることができる。混合物210はさらに、内部空間208を通って流れる。空気は既に、約750℃の高温になっておりかつ冷却媒体液体は空気全体にわたって噴霧化状態で均一に分布しているので、冷却媒体液体は、空気から熱を吸収しかつ実質的に気体相に変化する。混合物210の冷却媒体液体は気体に転換されるので、気体状混合物214が形成される。この気体状混合物214は次に、少なくともその一部がオリフィス204から高温ガス流路216内に流出することができる。   FIG. 2 is a diagram of an exemplary turbine bucket 202 illustrating an example of one or more heated turbine components in the hot gas path 216 of the turbine, according to one embodiment of the present invention. The turbine bucket 202 has a first side 218 </ b> A and a second side 218 </ b> B that are opposing walls of the turbine bucket 202 and that define an internal space 208 in the turbine bucket 202. The turbine bucket 202 may include a plurality of orifices 204 and a bucket platform 206. Orifice 204 extends through first side 218A and second side 218B of turbine bucket 202. The coolant liquid and air mixture 210 can be delivered to or near the root 212 of the turbine bucket 202 where the mixture 210 can flow into the turbine bucket 202 through the bucket platform 206. . Mixture 210 further flows through interior space 208. Since the air is already at a high temperature of about 750 ° C. and the cooling medium liquid is evenly distributed in the atomized state throughout the air, the cooling medium liquid absorbs heat from the air and is substantially in the gaseous phase. To change. As the cooling medium liquid of the mixture 210 is converted to a gas, a gaseous mixture 214 is formed. This gaseous mixture 214 can then flow at least partially from the orifice 204 into the hot gas flow path 216.

タービンバケット202は単に説明の目的上で示しているに過ぎないこと及び高温ガス流路216内のその他の加熱タービン部品も本明細書に説明した方法と同様の方法で冷却することができることを理解されたい。様々な異なる例示的な実施形態では、加熱タービン部品は、それに限定されないが、タービンノズル、タービンバケット、タービンホイール又はそれらの組合せとすることができる。   It is understood that the turbine bucket 202 is shown for illustrative purposes only, and that other heated turbine components in the hot gas flow path 216 can be cooled in a manner similar to that described herein. I want to be. In various different exemplary embodiments, the heated turbine component can be, but is not limited to, a turbine nozzle, turbine bucket, turbine wheel, or combinations thereof.

図3は、それによって本発明の1つの実施形態を作動させることができる例示的な方法を示している。提示したフローチャート300は、本発明の1つの実施形態による、タービンの高温ガス流路内の加熱タービン部品を冷却する例示的な方法を示している。   FIG. 3 illustrates an exemplary method by which one embodiment of the present invention can be operated. The presented flowchart 300 illustrates an exemplary method for cooling a heated turbine component in a hot gas path of a turbine, according to one embodiment of the present invention.

この例示的な方法は、ブロック302で開始する。ブロック302において、冷却媒体液体を1以上の加熱タービン部品に、又はその付近に、又はその近傍に供給する1以上の液体源が、設けられる。様々な異なる例示的な実施形態では、加熱タービン部品は、それに限定されないが、タービンノズル、タービンバケット、タービンホイール、タービンシュラウド又はそれらの組合せとすることができる。1つの例示的な実施形態では、冷却媒体液体は、水とすることができるが、その他の冷却媒体も供給することができる。液体源は、1以上の加熱タービン部品に隣接して又はその近傍に配置された1以上の液体ノズルと流体連通している。従って、1以上の液体ノズルは、冷却媒体液体を液体源から1以上の加熱タービン部品に又はその近傍に供給するように作動できる。1以上の液体ノズルつまりノズルは、インジェクタ式のもの、ベンチュリ式のもの、又は同様のものとすることができる。   The exemplary method begins at block 302. At block 302, one or more liquid sources are provided that supply cooling medium liquid to, near, or near one or more heated turbine components. In various different exemplary embodiments, the heated turbine component can be, but is not limited to, a turbine nozzle, turbine bucket, turbine wheel, turbine shroud, or combinations thereof. In one exemplary embodiment, the cooling medium liquid can be water, but other cooling media can also be provided. The liquid source is in fluid communication with one or more liquid nozzles located adjacent to or near one or more heated turbine components. Accordingly, the one or more liquid nozzles are operable to supply cooling medium liquid from a liquid source to or near one or more heated turbine components. The one or more liquid nozzles or nozzles can be injector, venturi, or the like.

1つの実施例では、液体源から液体ノズルまでのパイプシステムは、それらの間に流体連通をもたらすことができる。例示的な実施形態では、パイプシステムは、例えばタービン作動時などに著しく高い温度を受ける可能性があり、それにより、冷却媒体液体がパイプシステム内で少なくともその一部が相変化を生じる可能性がある。従って、1つの例示的な実施形態では、本方法はさらに、パイプシステムを熱絶縁してその周囲から該パイプシステムの内部の冷却媒体液体への熱伝達を回避するステップを含むことができる。   In one example, a pipe system from a liquid source to a liquid nozzle can provide fluid communication therebetween. In an exemplary embodiment, the pipe system can be subjected to significantly higher temperatures, such as during turbine operation, which can cause the coolant liquid to undergo a phase change at least in part within the pipe system. is there. Thus, in one exemplary embodiment, the method may further include the step of thermally isolating the pipe system to avoid heat transfer from its surroundings to the coolant fluid inside the pipe system.

ブロック304がブロック302に続き、ブロック304では、液体源からの冷却媒体液体が、実質的に噴霧化される。液体ノズルは、冷却媒体液体を実質的に噴霧化するように作動可能とすることができる。さらに、他の例示的な実施形態では、タービンは、液体源から受けた冷却媒体液体を加圧しかつさらに冷却媒体液体の噴霧化に役立つ加圧ポンプを含むことができる。   Block 304 continues to block 302 where the cooling medium liquid from the liquid source is substantially atomized. The liquid nozzle may be operable to substantially atomize the cooling medium liquid. Furthermore, in other exemplary embodiments, the turbine may include a pressurizing pump that pressurizes the coolant liquid received from the liquid source and further serves to atomize the coolant liquid.

ブロック306がブロック304に続き、ブロック306では、液体ノズルが、噴霧化冷却媒体液体を1以上の加熱タービン部品付近で又はその近傍で空気に送給する。圧縮機から供給された空気に対して噴霧化冷却媒体液体をほぼ均一に送給することにより、該空気と混合した冷却媒体液体が、高温ガス流路内のより高い温度に曝された時に実質的に気体に相変化することが可能になる。   Block 306 follows block 304, where a liquid nozzle delivers atomized coolant fluid to the air near or near one or more heated turbine components. By substantially uniformly delivering the atomized cooling medium liquid to the air supplied from the compressor, the cooling medium liquid mixed with the air is substantially exposed when exposed to a higher temperature in the hot gas flow path. Phase change to gas.

1つの例示的な実施形態では、本方法は、タービンの速度が所定の負荷以下に低下した場合に高温ガス流路から冷却媒体液体を排除するパージングユニットを設けるステップを含むことができる。1つの実施例では、高温ガス流路から冷却媒体をパージングすることは、タービンの次の始動の前に行うことができる。別の実施例では、冷却媒体流体は、タービンの運転停止時にパージすることができる。   In one exemplary embodiment, the method may include providing a purging unit that excludes the coolant fluid from the hot gas flow path when the turbine speed drops below a predetermined load. In one embodiment, purging the cooling medium from the hot gas flow path can occur before the next start of the turbine. In another example, the coolant fluid can be purged when the turbine is shut down.

図4は、それによって本発明の1つの実施形態を作動させることができる別の例示的な方法を示している。提示したフローチャート400は、本発明の1つの実施形態による、タービンを作動させる例示的な方法を示している。   FIG. 4 illustrates another exemplary method by which one embodiment of the present invention can be operated. The presented flowchart 400 illustrates an exemplary method of operating a turbine, according to one embodiment of the present invention.

この例示的な方法は、ブロック402で開始する。ブロック402において、タービンは始動する。ブロック404がブロック402に続き、ブロック404では、タービンの速度を増加させて、該タービンを所定の負荷で作動させるようにする。ガスタービンを始動させかつ該ガスタービンの速度を増加させることにより、ガスタービンの燃焼チャンバ内に燃焼プロセスが生じる。例示的な実施形態では、発生する高温ガスの温度は、高温ガス流路内に設置された様々なタービン部品の融点を充分に超える可能性がある。   The exemplary method begins at block 402. In block 402, the turbine is started. Block 404 follows block 402, where the speed of the turbine is increased to operate the turbine at a predetermined load. By starting the gas turbine and increasing the speed of the gas turbine, a combustion process occurs in the combustion chamber of the gas turbine. In an exemplary embodiment, the temperature of the generated hot gas may be well above the melting point of the various turbine components installed in the hot gas flow path.

ブロック406がブロック404に続き、ブロック406では、液体源から受けた冷却媒体液体が噴霧化され、これを用いて、タービンの高温ガス流路内の1以上の加熱タービン部品を冷却することができる。1つの例示的な方法では、液体源と流体連通した液体ノズルは、冷却媒体液体を実質的に噴霧化する。例示的な実施形態では、冷却媒体液体は水とすることができるが、その他の冷却媒体も供給することができる。   Block 406 follows block 404 where the coolant liquid received from the liquid source is atomized and can be used to cool one or more heated turbine components in the hot gas flow path of the turbine. . In one exemplary method, a liquid nozzle in fluid communication with a liquid source substantially atomizes the coolant liquid. In an exemplary embodiment, the cooling medium liquid can be water, but other cooling media can also be provided.

ブロック408がブロック406に続き、ブロック408では、噴霧化冷却媒体液体が、1以上の加熱タービン部品付近に又はその近傍に送給される。この例示的な方法では、冷却媒体液体が該冷却媒体液体の沸点よりも高い温度を有する高温ガス流路内の空気に噴霧化状態で送給されるので、冷却媒体液体の少なくとも一部分は、相変化を生じかつ気体相に転換される。例示的な実施形態では、1以上の加熱タービン部品は、タービンバケット、タービンノズル、タービンホイール、タービンシュラウド又は同様のものを含むことができる。   Block 408 follows block 406, where the atomized coolant fluid is delivered near or near one or more heated turbine components. In this exemplary method, at least a portion of the cooling medium liquid is phased because the cooling medium liquid is delivered in an atomized state to air in a hot gas flow path having a temperature above the boiling point of the cooling medium liquid. Changes are made and converted to the gas phase. In an exemplary embodiment, the one or more heated turbine components can include a turbine bucket, turbine nozzle, turbine wheel, turbine shroud, or the like.

ブロック410がブロック408に続き、ブロック410では、タービンの速度が低下して、タービンが減速時又は運転停止時のような所定の負荷以下で作動するようになる。負荷の減少又はタービンの作動の瞬間的停止の間に冷却媒体液体の一部が相変化を生じることがないようにすることを可能にすることができる。タービン内に液体を残留させることは、タービン部品の腐食を生じさせる可能性があり、また最終的には高応力要因によりタービン部品内に割れ発生を引き起こす可能性がある。従って、ブロック412がブロック410に続き、ブロック412では、そのような冷却媒体液体の過剰量が、高温ガス流路からパージされる。1つの実施例では、高温ガス流路からの冷却媒体液体のパージは、タービンの次の始動の前に行うことができる。別の実施例では、冷却媒体液体は、タービンの運転停止時にパージすることができる。   Block 410 continues to block 408, where the turbine speed is reduced so that the turbine operates below a predetermined load, such as when decelerating or shutting down. It may be possible to prevent a portion of the coolant liquid from undergoing a phase change during load reduction or momentary shutdown of turbine operation. Leaving liquid in the turbine can cause corrosion of the turbine component and can ultimately cause cracking in the turbine component due to high stress factors. Accordingly, block 412 follows block 410, where an excess of such coolant fluid is purged from the hot gas flow path. In one embodiment, the coolant liquid purge from the hot gas flow path can occur before the next start of the turbine. In another example, the coolant fluid can be purged when the turbine is shut down.

様々なタービンでは、圧縮機段の間において重要な仕事を行う空気の結果として、高温ガス流路内への空気の導入によりタービン効率は影響を受ける可能性がある。上述したような冷却媒体液体を空気内に導入することは、冷却効率を高め、従って加熱タービン部品を冷却するために使用する空気の量を減少させるのに役立つ。   In various turbines, turbine efficiency can be affected by the introduction of air into the hot gas flow path as a result of air performing significant work between compressor stages. Introducing a coolant liquid as described above into the air helps to increase cooling efficiency and thus reduce the amount of air used to cool the heated turbine components.

前述の説明及び関連する図面に示した教示の利点を有するものとして、これらの説明が関係する本明細書に記載した例示的な説明の多くの変更及びその他の実施形態に思い至るであろう。従って、本発明は、多くの形態で具現化することができ、また上述した例示的な実施形態に限定されるべきではないことが分かるであろう。それ故に、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されるべきものではないこと、並びに変更及びその他の実施形態は、特許請求の範囲の技術的範囲内に含まれることになることを意図していることを理解されたい。本明細書では特定の用語を用いているが、それら用語は、限定の目的としてではなく、単に一般的かつ説明的な意味として使用している。   As having the benefit of the teachings presented in the foregoing description and the associated drawings, many variations of the illustrative description and other embodiments described herein to which the description pertains will occur. Accordingly, it will be appreciated that the present invention can be embodied in many forms and should not be limited to the exemplary embodiments described above. Therefore, the present invention should not be limited to the specific embodiments disclosed, and modifications and other embodiments are intended to be included within the scope of the claims. I want you to understand that Although specific terms are used herein, these terms are used for general and descriptive purposes only and not for purposes of limitation.

102 タービンバケット
104 タービンノズル
106 圧縮機
108 内部空間(タービンノズル内の)
110 インデューサ
112 根元
114 管
116 液体源
118 液体ノズル
120 内部空間(タービンバケット内の)
122 パイプシステム
124 パージングユニット
202 タービンバケット
204 オリフィス
206 バケットプラットフォーム
208 内部空間
210 混合物
212 根元
214 気体状混合物
216 高温ガス流路
218A 第1の側面
218B 第2の側面
300 方法
302 ブロック
304 ブロック
306 ブロック
400 方法
402 ブロック
404 ブロック
406 ブロック
408 ブロック
410 ブロック
412 ブロック
102 Turbine bucket 104 Turbine nozzle 106 Compressor 108 Internal space (within the turbine nozzle)
110 Inducer 112 Root 114 Pipe 116 Liquid source 118 Liquid nozzle 120 Internal space (in turbine bucket)
122 Pipe system 124 Purging unit 202 Turbine bucket 204 Orifice 206 Bucket platform 208 Interior space 210 Mixture 212 Root 214 Gaseous mixture 216 Hot gas flow path 218A First side 218B Second side 300 Method 302 Block 304 Block 306 Block 400 Method 402 block 404 block 406 block 408 block 410 block 412 block

Claims (10)

タービン(102)の高温ガス流路(216)内の加熱部品を冷却するためのシステム(100)であって、当該システムが、
冷却媒体液体を含む1以上の液体源(116)と、
前記1以上の液体源(116)と流体連通しておりかつ前記冷却媒体液体を前記タービンの高温ガス流路(216)内に配置された1以上の加熱タービン部品付近に噴霧化状態で送給するように作動できる1以上の液体ノズル(118)と
を含んでおり、前記噴霧化冷却媒体液体を前記1以上の加熱タービン部品付近に送給すると、該冷却媒体液体の少なくとも一部分が、実質的に気体に相変化する、システム。
A system (100) for cooling a heated component in a hot gas flow path (216) of a turbine (102), the system comprising:
One or more liquid sources (116) comprising a cooling medium liquid;
Delivering the coolant liquid in an atomized state near one or more heated turbine components disposed in fluid communication with the one or more liquid sources (116) and disposed in the hot gas flow path (216) of the turbine. One or more liquid nozzles (118) operable to deliver at least a portion of the cooling medium liquid substantially when the atomized cooling medium liquid is delivered near the one or more heated turbine components. A system that changes phase to gas.
前記1以上の液体源(116)から前記冷却媒体液体を圧送する1以上のポンプをさらに含む、請求項1記載のシステム。   The system of claim 1, further comprising one or more pumps that pump the coolant liquid from the one or more liquid sources. 前記1以上の液体源(116)と前記1以上の液体ノズル(118)とを結合するパイプシステム(122)をさらに含む、請求項1記載のシステム。   The system of any preceding claim, further comprising a pipe system (122) coupling the one or more liquid sources (116) and the one or more liquid nozzles (118). 前記パイプシステム(122)が、断熱材を含む、請求項3記載のシステム。   The system of claim 3, wherein the pipe system (122) comprises thermal insulation. 前記冷却媒体液体が、水を含む、請求項1記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the cooling medium liquid comprises water. 前記1以上の加熱タービン部品が、タービンバケット(102)、タービンホイール、タービンノズル(104)又はタービンシュラウドの少なくとも1つを含む、請求項1記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the one or more heated turbine components comprise at least one of a turbine bucket (102), a turbine wheel, a turbine nozzle (104), or a turbine shroud. 前記1以上の加熱タービン部品が、その中に内部空間(120)を形成した第1の側面(218A)及び第2の側面(218B)を備えかつ該第1の側面(218A)又は第2の側面(218B)の少なくとも1つを貫通して延びる複数のオリフィス(204)を備えたタービンバケット(102)を含み、
前記噴霧化冷却媒体液体を前記タービンバケット(102)付近に送給すると、前記気体の少なくとも一部が、前記内部空間(120)を通って流れかつ前記複数のオリフィス(204)の少なくとも一部分を通って該内部空間(120)から前記高温ガス流路(216)に流出する、
請求項1記載のシステム。
The one or more heating turbine components comprise a first side (218A) and a second side (218B) defining an interior space (120) therein and the first side (218A) or second A turbine bucket (102) with a plurality of orifices (204) extending through at least one of the side surfaces (218B);
When the atomized coolant fluid is delivered near the turbine bucket (102), at least a portion of the gas flows through the interior space (120) and through at least a portion of the plurality of orifices (204). Out of the internal space (120) to the hot gas flow path (216),
The system of claim 1.
前記冷却媒体液体の過剰量を前記高温ガス流路(216)からパージするパージングユニット(124)をさらに含む、請求項1記載のシステム。   The system of any preceding claim, further comprising a purging unit (124) that purges an excess of the coolant fluid from the hot gas flow path (216). タービンの高温ガス流路(216)内の加熱部品を冷却する方法であって、
冷却媒体液体を含み、かつ前記タービンの高温ガス流路(216)内に配置された1以上の加熱タービン部品に隣接して配置した1以上の液体ノズル(118)と流体連通した1以上の液体源(116)を設けるステップ(302)と、
前記1以上の液体源(116)からの前記冷却媒体液体を噴霧化するステップ(304)と、
前記噴霧化冷却媒体液体を前記1以上の加熱タービン部品付近に送給するステップ(306)と、を含み、
前記噴霧化冷却媒体液体を前記1以上の加熱タービン部品付近に送給すると、該冷却媒体液体の少なくとも一部分が実質的に気体に相変化する、
方法。
A method of cooling a heated component in a hot gas flow path (216) of a turbine, comprising:
One or more liquids comprising a coolant fluid and in fluid communication with one or more liquid nozzles (118) disposed adjacent to one or more heated turbine components disposed in the hot gas flow path (216) of the turbine. Providing a source (116) (302);
Nebulizing (304) the cooling medium liquid from the one or more liquid sources (116);
Delivering (306) the atomized cooling medium liquid to the vicinity of the one or more heated turbine components;
Delivering the atomized cooling medium liquid to the vicinity of the one or more heated turbine components, at least a portion of the cooling medium liquid substantially phase changes to a gas;
Method.
前記冷却媒体液体を1以上のポンプによって前記1以上の液体源(116)から圧送するステップをさらに含む、請求項9記載の方法。   The method of claim 9, further comprising pumping the cooling medium liquid from the one or more liquid sources (116) by one or more pumps.
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