NO151256B - Forbedret kjoelesystem for en gassturbin som anvender flomloep med v-formede hakk - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse er rettet på et forbedret kjølesystem for en gassturbin. Nærmere bestemt er foreliggende oppfinnelse rettet på et forbedret kjølesystem som anvender et antall flomløp med V-formede hakk for porsjonsvis utlevering av kjølemiddel til et antall fordelingskanaler i plattform og ving, hvilke kanaler befinner seg i" gassturbinens skovle.

Kjølesystemet ifølge foreliggende oppfinnelse benyt-tes i forbindelse med gassturbiner av den type som inkluderer en turbinskive montert på en aksel dreibart båret i et hus, og et antall turbinskovler som strekker seg radialt utover fra skiven. Hver av skovlene inkluderer en fotdel montert i skiven, en skaftdel som strekker seg radialt utover fra fotdelen til en plattformdel og en vinge som strekker seg radialt utover fra plattformdelen. Under drift mottar skovlene en drivende kraft fra et varmt fluidum i en retning hovedsakelig parallell med akselens akse og den drivende kraft overføres til denne aksel over turbinskiven, idet organer er anbragt radialt innenfor den nevnte plattform for innføring av en kjølemiddelvæske i en hovedsakelig radial retning utover inn i et antall skafttilførsels-kanaler utformet i skaftdelen av hver skovle, idet disse skaft-tilførselskanaler leder kjølemidlet inn i en fordelingskanal anordnet i nevnte plattform i hver av skovlene, plattform-kjølemiddelkanaler som strekker seg fra de nevnte fordelings.-kanaler inn i

skovle-kjølemiddelkanalene på en slik måte at hver av disse kanaler får hovedsakelig den samme tilførsel av kjølevæske. Som et resultat av de forholdsvis høye temperaturer i det varme fluidum overføres en betydelig varmemengde til turbinskovlene. For å fjerne denne varme fra skovlekonstruksjonen har tidligere kjent teknikk utviklet et stort antall forskjellige kjølesyste-mer med åpen væske. Eksempler på slike systemer er beskrevet i US-PS 3 658 439, US-PS 3 804 551 og US-PS 4 017 210. Disse patenter er her nevnt som referanser.

Kjølesystemer med åpent væskekretsløp er særlig vik-tige fordi de gjør det mulig å øke turbinens innløpstemperatur til et arbeidsområde på 1400 til minst 1900°C og derved oppnå en økning i utgangseffekt på mellom 100 og 200% og en økning i ter-misk virkningsgrad på opptil 50%.

Et primært krav til kjølesystemer med åpent væske-kretsløp er at det flytende kjølemiddel skal være jevnt fordelt på de forskjellige fordelingskanaler for plattform og vinge som er utformet i skovlen. En slik fordeling er vanskelig å oppnå som følge av de ytterst høye hastigheter for skovlespissen som anvendes og som fører til sentrifugalfelter i størrelses-ordenen 250.000 G. For å oppnå jevn strøm av kjølemiddelvæske gjennom de forsk jsllige kjølemiddelkanaler anvender de tidligere kjente systemer såsom f.eks. US patenter 3 804 551 og 4 017 210 supra, flomløpskonstruksjoner som tilmåler mengden av kjøle-middelvæske levert til hver enkelt kanal fra dammer av kjøle-middelvæske utformet i skovlens plattformdel. Nærmere bestemt innførte disse systemer flytende kjølemiddel i hver ende av et trau dannet i plattformdelen av skovlen, slik at flytende kjøle-middel strømmer i en retning parallell med turbinskivens dreie-akse fra hver ende av trauet. Det flytende kjølemiddel strømmer over toppen av et avlangt flomløp som utfører tilmåiingen for hver kanal. For å arbeide tilfredsstillende er det kritisk at toppen av de kjente flomløp er parallelt med dreieaksen for turbinen innenfor en toleranse på noen tusendedels tomme. Hvis dette forhold ikke opprettholdes, vil all kjølemiddelvæsken strømme over en nedre ende av flomløpet og følgelig vil noen av kjølemiddelkanalene utformet i plattformen og vingen av skovlen få altfor lite kjølemiddel.

For å avhjelpe de ovennevnte ulemper ved tidligere kjente tilmålingskonstruksjoner benytter foreliggende oppfinnelse en ny kjølemiddelfordelingskanal som leverer en tilmålt mengde kjølemiddel til hver av et antall plattform- og vingekj$lekanaler og som er forholdsvis ufølsom for konstruksjonstoleranser og ujevn strømningsfordeling. Nærmere bestemt omfatter fordelingskanalen ifølge foreliggende oppfinnelse: at hvert tilmålingsorgan inkluderer et V-formet (hakk) overløp dannet i samlekaret for kjølemidlet langs den innerste radiale del av karet, slik at kjølemidlet som er samlet opp i karet, kan strømme opp i de V-formede overløp når nivået for kjøle-middel i karet når en tilstrekkelig høyde.

For det formål å illustrere oppfinnelsen er det på tegningene vist en form som for tiden foretrekkes, idet det skal forstås at denne oppfinnelse ikke er begrenset til den spesielle anordning og instrumentering som er vist.

På tegningene viser fig. 1 et delvis perspektivriss av det forbedrede kjølesystem ifølge foreliggende oppfinnelse, fig. 2 er et planriss som viser den relative anordning av et antall turbinskovler i en gassturbin av den type som kan kjøles med kjøle-systemet ifølge foreliggende oppfinnelse, fig. 3 er et perspektivriss av en fordelingskanal som utgjør endel av kjølesystemet på fig. 1, fig. 3a er et snitt av fig. 3 etter linjen 3a-3a, og fig.

4 er et topplanriss av turbinskovlen som er vist på fig. 1.

Med henvisning til tegningene hvor tilsvarende henvisnings-tall er anvendt for like elementer, er der på fig. 1 vist en tur-binskovle konstruert i samsvar med prinsippene ifølge foreliggende oppfinnelse og generelt betegnet med 10. Skovlen 10 inkluderer en fotdel 12, en skaftdel 14, en plattformdel 16 og en luftvinge 18. Fotdelen 12 er innfelt i en turbinrotorskive 20 som er festet på en aksel (ikke vist) som bæres roterbart i en kapsling (ikke vist). Som det vil forstås av fagfolk på området, vil en virkelig turbin inkludere et antall skovler 10 som befinner seg rundt hele omkretsen av rotorskiven 20. Den relative anbringelse av flere skovler 10 er vist på fig. 2.

Som bemerket ovenfor, er foreliggende oppfinnelse rettet mot et forbedret kjølesystem for anvendelse med gassturbiner av den generelle type som er vist på fig. 1. Kjølesystemet ifølge foreliggende oppfinnelse inkluderer en kjølemiddeldyse 22 som til-fører kjølemiddelvæske til turbinsystemet, en kjølemiddelsamle-kanal 24 som fordeler kjølemidlet til de enkelte skovler 10, og et system av kjølemiddelkanaler 26 - 32 som er utformet i skovlen

10 og fordeler kjølemidlet over overflatearealet av plattformen

16 og luftvingen 18. Systemet av kjølemiddelkanaler 26 - 32 skal beskrives mer detaljert senere.

Kjølemiddelsamlekanalen 24 er utformet i en ring 34 på 360° som fortrinnsvis er tilkoblet rotorskiven 20 ved hjelp av et antall nagler 36. Posisjonen av ringen 34 er omhyggelig valgt for å sikre at gjennomganger 38 utformet i kjølemiddelsamlekana-len 24 ligger nøyaktig på linje med tilsvarende gjennomganger 40 utformet i sideveggen av skaftdelen på skovlen 10. Gjennomgangene 38 er fortrinnsvis jevnt fordelt over hele kanalen 24 for å sikre jevn strøm av kjølemiddel inn i hver gjennomgang 38. Ved hjelp av disse organer vil en uforanderlig mengde kjølemiddel bli tilført hvert par skafttilførselskanaler 26 (utformet i skaftdelen 14) og således til hver skovle 10. Som det er tydelig vist på fig. 1,

er en separat ring 34 anbragt på hver side av skovlen 10 og for-syner et identisk par skafttilførselskanaler 26 på hver side av skaftdelen 14.

Skafttilførselskanalene 26 leder kjølemiddelvæsken til

et par fordelingskanaler 28 som befinner seg på hver side av plattformen 16. Konstruksjonen av fordelingskanalen 28 er vist på

fig. 3 og skal beskrives mer detaljert i det følgende. Den kjøle-middelvæske som tilføres gjennom skafttilførselskanalene 26, oppsamles i fordelingskanalen 28 og blir derfra utporsjonert til et antall plattformkjølemiddelkanaler 30 utformet i plattformen 16. Som det best fremgår av fig. 4 strekker plattformkjølemiddel-kanalene 30 seg fra fordelingskanaler til et antall vinge-kjølemiddelkanaler 32 utformet i vingens 18 hule kjerne 42. Vinge-kjølemiddelkanalene 32 strekker seg i en hovedsakelig radial retning gjennom den ytre omkrets av luftvingene 18 og tjener til å kjøle den ytre hud 43 av vingen.

Som vist på fig. 1, ender vingekjølemiddelkanalene 32 i et grenrør 44 som samler opp kjølemidlet for resirkulering gjennom kjølemiddelsystemet. Da kjølemidlet absorberer en vesentlig mengde varme under passeringen gjennom kanalene 26 til og med 32, er det vanligvis i en fordampet form når det trer inn i grenrøret 44. Det fordampede kjølemiddel tillates å samle seg i grenrøret

44 og utgjør en væskepute for det fordampede kjølemiddel som fore-ligger i vingekjølemiddelkanalene 32. Det samlede kjølemiddel i grenrøret 44 kan tømmes ut enten gjennom et par dampreturkanaler 46 eller gjennom vingedyse i tuppen (ikke vist).

En detaljert konstruksjon av fordelingskanalene 28 skal nå beskrives med henvisning til fig. 3. Som vist der inkluderer fordelingskanalen 28 en hoveddel 48, et toppdeksel 50 og et par sidedeksler 52. Et par beholdere (54, 56) er utformet i hoved-delen 48 på hver side av fordelingskanalen 28. Som det best fremgår av fig. 3a, har beholderne 54 og 56 et hovedsakelig U-formet tverrsnitt og strekker seg radialt utover mot spissen av hver luftvinge 18. Flytende kjølemiddel trer inn i hver av beholderne 54, 56 fra en respektive strømningsvannlås 58, 60 ved fullt kanal-tverrsnitt. Strømningsvannlåsene 58, 60 mottar kjølemiddel fra respektive skafttilførselskanaler 26 som befinner seg på hver side av skovlen 10. Vannlåsene 58, 60 tjener to formål: (1) Å dempe den plutselige retardering av kjølemiddel når dette nærmer seg plattformen 16 og (2) å tillate at fordelingskanalen 28 settes under trykk (fordampningstrykk) uten å tillate tilbakestrøm av fordampet kjølemiddel gjennom tilførselsystemet.

Kanalene 54, 56 mater kjølemiddel til plattformkjøle-middelkanalene 30 (og deretter til vingekjølemiddelkanalene 32) gjennom et antall porsjoneringsorganer 62. Hvert av disse organer 62 inkluderer en måledam 64 med et V-formet hakk, utformet langs den innerste radiale del av beholderne 54 eller 56 med tilhørende forsyningskanal 66. V-formede måledammer anvendes for å øke den totale vannhøyde over dammene og for derved å gjøre strømmen av kjølemiddel inn i de enkelte kjølemiddelkanaler 30, 32 mindre følsom for å konstruere toleranser og ujevn strømfordeling. For et 90° triangulært hakk er den beregnede vannhøyde 0,7 mm og for et 60° hakk er den beregnede vannhøyde 0,8 mm. (disse verdier til-svarer helt nøyaktig henholdsvis o,o29" og 0,036").

Som et resultat av den ovenstående konstruksjon gir fordelingskanalene 28 ifølge foreliggende oppfinnelse et meget jevnt tilmålingssystem for tilførsel av kjølemiddel til hver av de enkelte kjølemiddelkanaler 30, 32. Dessuten som et resultat av an-vendelsen av V-formede måledamhakk, er fordelingskanalen i foreliggende oppfinnelse høyst ufølsom for konstruksjonstoleranser og ujevn strømningsfordeling.

Den måte på hvilken kjølemidlet strømmer gjennom skovlen 10 under en typisk operasjon av gassturbinen skal nå beskrives. Skovlene 10 mottar en drivkraft fra et varmt fluidum som beveger seg i en retning hovedsakelig parallell med dreieaksen for rotorskiven 20. Drivkraften fra det varme fluidum overføres til aks-elen som rotorskiven 20 er montert omkring over skovlene 10 og turbinskiven 20 som bevirker at turbinen roterer omkring akselens akse. Den høye omdreiningshastighet på rotoren frembringer en vesentlig sentrifugalkraft som driver det flytende kjølemiddel gjennom skovlen i en radial retning utover. Når det flytende kjølemiddel trer inn i kjølemiddelsamlekanalen 24, tvinges det i en radial retning utover langs den radiale ytterste omkrets av kanalen 24 og inn i antallet gjennomganger 38. På grunn av den jevne avstand mellom gjennomgangene 38 vil en og samme mengde kjølemid-del bli tilført hver skafttilførselskanal 26 på hver side av skovlen 10. Sentrifugalkraften som frembringes ved omdreiningen av turbinen driver det flytende kjølemiddel til bevegelse gjennom kanalene 26 i en radial retning utover til fordelingskanalene 28, hvor det oppsamles i beholderne 54, 56. Når nivået av kjølemiddel i beholderne når de triangulære overløpshakk 64, blir kjølemidlet tilmålt ved hjelp av overløpene 64 og tilført de respektive platt-formkanaler 30 og deretter de respektive vingekjølemiddelkanaler 32. Kjølemidlet fortsetter å skride frem i en generell radial retning til spissen av vingen 18 og oppsamles i grenrøret 44. Kjøle-midlet vil normalt være i en fordampet tilstand på dette tids-punkt og tillates å samle seg i grenrøret 44. Etter oppsamlingen fjernes kjølemidlet fra grenrørkammeret enten over en skjermdyse i spissen eller gjennom et par dampreturkanaler 46.

Claims (9)

1. Kjølesystem for en gassturbin av den type som inkluderer en turbinskive (20) montert på en aksel dreibart båret i et hus, et antall turbinskovler (10) som strekker seg radialt utover fra skiven, idet hver skovle inkluderer en fotdel (12) montert i skiven, en skaftdel (14) som strekker seg radialt utover fra fotdelen til en plattformdel og en vinge som strekker seg radialt utover fra plattformdelen (16), idet skovlen mottar en drivende kraft fra et varmt fluidum i en retning hovedsakelig parallell med akselens akse og den drivende kraft overføres til denne aksel over turbinskiven (20), idet organer er anbragt radialt innenfor den nevnte plattform (16) for innføring av en kjølemiddelvæske i en hovedsakelig radial retning utover inn i et antall skafttilfør-selskanaler (26) utformet i skaftdelen (14) av hver skovle, idet disse skafttilførselskanaler leder kjølemidlet inn i en fordelingskanal (28) anordnet i nevnte plattform (16) i hver av skovlene (10), plattform-kjølemiddelkanaler (30) som strekker seg fra de nevnte fordelingskanaler (28) inn i skovle-kjølemiddelkanalene (32) på en slik måte at hver av disse kanaler får hovedsakelig den samme tilførsel av kjølevæske, karakterisert ved at hvert tilmålingsorgan (62) inkluderer et V-formet (hakk) overløp (64) dannet i et samlekar (54, 56) for kjølemidlet langs den innerste radiale del av karet, slik at kjølemidlet som er samlet opp i karet, kan strømme opp i de V-formede overløp (64) når nivået for kjølemiddel i karet når en tilstrekkelig høyde.

2. Kjølesystem ifølge krav 1, karakterisert ved at hvert av tilmålingsorganene (62) også inkluderer til-førselskanaler (66) innrettet for å føre kjølemiddel som strømmer inn i nevnte hakk, fra nevnte hakk (64) og inn i en respektive av de nevnte plattformkjølemiddelkanaler (30).

3. Kjølesystem ifølge krav 1, karakterisert ved et grenrør utformet i skovlen (10) og innrettet for å samle opp kjølemiddel som strømmer ut av skovle-kjølemiddelkanalene (32).

4. Kjølesystem ifølge krav 3, karakterisert ved en skjermdyse i spissen som tillater kjølemidlet å forlate grenrøret.

5. Kjølesystem ifølge krav 3, karakterisert ved at det omfatter et antall dampreturkanaler (46) utformet i skovlen (10) for å tillate kjølemiddel som befinner seg i grenrøret å bli fjernet fra dette og tømt ut av skovlen .

6. Kjølesystem ifølge krav 1, karakterisert ved at de nevnte organer som befinner seg radialt innenfor plattformen (16), omfatter: A) en ring på 360° koblet til rotorskiven (20) og med en 360° kjølemiddeloppsamlingskanal utformet i samme, B) et første flertall gjennomganger utformet i kjølemiddeloppsamlingskanalen i et område nær stammedelene på skovlene, og C) et annet flertall gjennomganger lik i antall til antallet av første flertall gjennomganger utformet i skaft-delene av skovlene, idet hver av de nevnte andre flertall av gjennomganger er innrettet for å føre nevnte kjølemiddel fra en tilsvarende av de nevnte første flertall gjennomganger til en tilsvarende av de nevnte skafttilførselskanaler (26).

7. Kjølesystem ifølge krav 6, karakterisert ved at hver av de første gjennomganger er utformet med uforanderlig avstand langs kjølemiddeloppsamlingskanalen.

8. Kjølesystem ifølge krav 7, karakterisert ved at hver av skovlene har en første og en andre fordelingskanal (28) utformet i seg og et par skafttilførsels-kanaler (26) utformet i hver av to motsatte sider av skaftdelen, idet hver skafttilførselskanal på hver side av skovlen mater kjølemiddelvæske til en motsatt ende av respektive av nevnte par fordelingskanaler (28).

9. Kjølesystem ifølge krav 1, karakterisert ved at hver av fordelingskanalene (28) inkluderer første og andre beholdere (54, 56) utformet i samme og at et antall av tilmålingsorganene (62) hører til hvert av nevnte par beholdere.