NO832467L - Fremgangsmaate og apparat til starting av en gassturbin - Google Patents

Description

Apparat og fremgangsmåte til starting av et gassturbinanlegg

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et apparat og en fremgangsmåte til starting av et gassturbinanlegg av den type som omfatter en dreiekompressor til komprimering av luft, et forbrenningskammer til forbrenning av den komprimerte luft med drivstoff for fremskaffelse av forbrenningsgasser under trykk, samt en turbin til å ekspandere forbrenningsgassene for fremskaffelse av mekanisk arbeid, idet turbinen og kompressoren er sammenkoblet for avhengig dreining.

Vanlige startsystemer for gassturbinanlegg krever bruken av en hjelpemotor med tilhørende giroversetning og koblings-mekanisme for oppstarting av anlegget. Typisk er hjelpe-motoren innrettet til å dreie en dreiekompressorkomponent i gassturbinanlegget for initiering av strømmen av komprimert luft gjennom forbrenningskammeret og deretter gjennom turbinkomponenten, i den hensikt å initiere dreining av sistnevnte. Når den nødvendige dreiehastighet av turbinkomponenten er oppnådd, blir der ført drivstoff.inn i forbrenningskammeret, hvorved der opprettes normal drift av gassturbinanlegget. Nødvendigheten av en separat hjelpestartmotor sammen med en hjelpekobling og mekaniske drivsystemer øker omfanget, vekten og kostnadene av hele anlegget og bidrar til muligheten for komponentfeil og resulterende behov for kostbart vedlikehold.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse bruker man istedenfor den hjelpemotor som vanligvis benyttes under oppstartingsfasen, turbinkomponenten av gassturbinanlegget med en dreiekompressorkomponent sammenkoblet med turbinen for avhengig dreining med denne. Fordi de problemer som knytter seg til vekt, .omfang og komplikasjoner ved bruken av. en h.jelpeoppstartingsmotor blir eliminert ifølge den foreliggende oppfinnelse, oppnår man kostbesparelser.og hele systemet kan bli betydelig forenklet, noe som fører til større pålitelighet. Ved å bruke.en større del av turbinarbeidsevnen kan man oppnå.en meget rask start og akselerasjon som ellers ikke ville kunne praktiseres ved bruken av et vanlig startsystem.. Forøvrig vil reduksjonen i anleggsvekt og omfang vente å gi en.tilsvarende, viktig vekt- reduksjon ved visse anvendelser, f.eks. kraftanlegg for f artøysf reindrift.

I henhold til hensikten med den foreliggende oppfinnelse slik den fremstår og kort omtales her,, vil et apparat til starting av et gassturbinanlegg av den type som omfatter en dreiekompressor til komprimering av luft, et forbrenningskammer til forbrenning av den komprimerte luft med drivstoff for fremskaffelse av. forbrenningsgasser under trykk, samt en turbin til å ekspandere forbrenningsgassene for fremskaffelse av mekanisk arbeid, idet turbinen og kompressoren er sammenkoblet for avhengig dreining, omfatte diffusororganer som driftsmessig er forbundet med.dreiekompressoren for å motta og omforme luften med høy hastighet og høyt trykk til luft med lav hastighet og høyere trykk, organer som driftsmessig er forbundet med diffusororganene for. å motta og oppsamle den komprimerte luft med lav hastighet og høyere trykk og for å kanalisere luften med høyere trykk til forbrenningskammeret, idet oppsamlingsorganene innbefatter et hus, samtidig som der er dannet en strømningsbane for høyttrykksgass gjennom diffusororganene og huset og til forbrenningskammeret, organer til å tilføre trykkgass til huset på et sted som befinner seg opp-strøms i forhold til forbrenningskammeret og nedstrøms i forhold til diffusororganene i nevnte strømningsbane under oppstarting av anlegget, samt ventilorganer som er tildannet i ett med diffusororganene og tjener til.å hindre reversering av strømmen av.trykkgass gjennom kompressoren, idet trykkgassen strømmer gjennom forbrenningskammeret.og blir ekspandert i turbinen f or å bevirke . dreining, av turbinen og .kompressoren og for å etablere en strøm.av trykkluft.til forbrenningskammeret.

Fortrinnsvis innbef atter.-.dif f usororganene en radial diffusor av platetypen,. og huset mottar luft med høyere trykk fra.platediffusoren, idet ventilorganene er.knyttet til platediffusoren samtidig som platediffusoren innbefatter et ringformet dyseparti med.en indre.kant som definerer et aksialt rettet platedif f usor-innløp og. en .radialt, forløpende, utover-rettet ytre kant, et flatt organ som er orientert vinkelrett i forhold til platediffusor-innløpsaksen og på avstand fra dysen, et plateorgan anordnet mellom dysen og det flate organ, idet det radiale ytre parti av plateorganet sammen med den på avstand anordnede tilstøtende.ytre dysekant danner et radialt forløpende platediffusor-utløp når platedelen.kommer til anlegg mot det flate organ, samt platefesteorganer som skaffer en ikke-hemmet aksial bevegelse av plateorganet mellom en tetningsstilling mot det flate organ og en ikke-tettende stilling mot dysen., idet innføringen av trykkgassen under oppstarting bevirker en resulterende trykkraft på platen for bevegelse av plateorganet ..til den tettende stilling, samtidig som slagkraften fra høyhastighetsluften.fra kompressoren under etterfølgende, normal- drift.bevirker bevegelse av.plateorganet til den ikke-tettende stilling.

Det er videre foretrukket at apparatet innbefatter organer til å avtappe trykkgass til den bakre flate av plateorganet som vender mot det.flate organ under oppstarting,* idet avtapningsorganene er forbikoblet partiet av strømningsbanen gjennom platediffusor-utløpet, og at den komprimerte gass er komprimert luft.

I henhold til hensikten med den foreliggende oppfinnelse slik den er generelt beskrevet her, vil.videre fremgangsmåten til oppstarting av et gassturbinanlegg med dreiekompressor og diffusor for fremskaffelse av høytrykksluft, et forbrenningskammer til å forbrenne drivstoff med trykkluft for fremskaffelse av forbrenningsgasser, samt en turbin til å ekspandere forbrenningsgassene for fremskaffelse av mekanisk arbeid, idet turbinen og kompressoren er mekanisk sammenkoblet for avhengig dreining., omfatte de trinn å innføre .trykkgass i trykkluftstrømningsbanen mellom diffusoren og forbrenningskammeret, å forhindre tilbakestrømning av- trykkgass gjennom diffusoren og; kompressoren under, bruk av en enveisventil tilknyttet diffusoren, å ekspandere trykkgassen gjennom turbinen for å bevirke dreining av turbinen.og kompressoren, og å returnere enveisventilen til.normal. åpen stilling under på-virkning av strømmen av .trykkluft, f ra den dreiende ^kompressor.

Fortrinnsvis utgjøres trykkgassen av.luft, og,fremgangsmåten innbefatter det ytterligere trinn å forbrenne drivstoff med trykkluften for økning av gassenergi før ekspanderings-trinnet.

Oppfinnelsen vil i det følgende.bli beskrevet nærmere under henvisning til tegningen som viser en utførelsesform for oppfinnelsen og tjener til anskueliggjørelse av oppfinnelsens prinsipper. Fig. 1 er et skjematisk tverrsnitt gjennom en platediffusor og viser tilbakeslagsventilen ifølge den foreliggende oppfinnelse utnyttet i et gassturbinanlegg. Fig. 2 er et snitt gjennom en del av apparatet vist på fig. 1 tatt ved posisjonen 2-2.

På fig. 1 av tegningen er der vist skjematisk et gassturbinanlegg 10 som .omfatter.den foreliggende oppfinnelse. Anlegget 10 innbefatter en dreiekompressor 12 med et innløp 14 for luft som skal komprimeres, .og et utløp 16 for komprimert luft eller trykkluft som typisk.leveres ved en forholdsvis høy hastighet. Turbinen 10 innbefatter videre et organ 18 til å diffundere høyhastighetsluften for omforming, av den kinetiske ernergi i høyhastighetsgassen tiløket gasstrykk. Anlegget 10 innbefatter dessuten organer 20 til oppsamling av diffundert luft fra diffunderingsorganet 18 og kanalisering av luften til det øvrige av anlegget for utnyttelse. Spesielle komponenter til å oppnå diffundering- og oppsamlingsfunksjonene slik de vedrører den foreliggende oppfinnelse, vil bli omtalt i det følgende.

Høytrykksluften strømmer fra oppsamlingsorganet 20 via et rør 22 til et forbrenningskammer 24 hvor den bli .blandet med brennstoff fra en brennstoffkilde-26 og forbrent for å skaffe forbrenningsgasser., med høyt . trykk. Disse forbrenningsgasser blir på sin side kanalisert via et rør 28 til et. turbinelement eller selve turbinen 30.hvor de ekspanderer.for fremskaffelse av mekanisk dreiekraf t.. , Ekspanderte f orbrenningsgasser som strømmer..ut .fra turbinelemente.t :30 gjennom. et turbinutløp 32, blir deretter enten sluppet ut til.atmosfæren.eller ytterligere bearbeidet for gjenvinning av varmeverdier.,.. f .eks. i en regenererende gassturbinsyklus. En fagmann ;på området kon-struksjon av gassturbinsystemer vil uten videre.forstå det ovenstående og være i stand til å tilpasse den foreliggende oppfinnelse til en regenererende gassturbinanvendelse.

Det skal forstås at de ovenfor ..omtalte komponenter av anlegget 10 med unntagelse av.de komponenter som utgjør diffundering- og oppsamlingsorganene,. uten videre kan selek-teres fra et hvilket som.helst apparat. F.eks. kan dreiekompressoren 12 være en.ren .radial- eller ren aksial-dreiekompressor eller en kombinert, aksial-radialmaskin. På lig-nende måte kan dreiningen av kompressoren 12 være direkte eller indirekte forbundet med turbinelementet 30. En slik forbindelse er anskueliggjort skjematisk ved den stiplede linje 34 mellom.kompressoren 12 og turbinelementet 30 på fig. 1.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er der skaffet et diffusororgan . som driftsmessig er.forbundet med dreiekompressoren for å motta og omforme luften med høy hastighet og høyt trykk til luft med forholdsvis lav hastighet og høyere trykk. Slik det er omtalt her og vist på fig. 1, innbefatter diffusororganet 18 en radialdiffusor 36 av platetypen som mottar høyhastighetsgass gjennom .et aksialt innløpsparti 38 og leverer gass med høyt trykk og lav hastighet, gjennom et radialt

utløpsparti 40. Ved den utførelsesform som er vist på fig. 1, innbefatter platediffusoren 36 en ringformet dysedel 42 med en indre kant 44 som danner aksialinnløpet, og en utvidet ytre

kant 46 som delvis danner det radiale utløp 40.

Platediffusoren 36 innbefatter dessuten flate veggdeler 48 som er anordnet parallelt i forhold til og anordnet på avstand fra.dysekanten 46 ved,hjelp av en flerhet av avstandstapper 50. Disse på jevn avstand fra,hverandre anordnede avstandstapper er på fig. 2 vist plassert rundt. omkretsen av. den tilbakebøyde kant 46. De. nøyaktige dimensjoner av platedif f usoren. 36. vil være . avhengig av . strømningskapasiteten, hos

kompressoren 12., og en fagmann på. området .vil. være i stand til å utføre de nødvendige.beregninger.. Dessuten kan der\benyttes flere enn en eneste platedif f us.orenhet,. og multippelenhetene kan anordnes symmetrisk om omkretsen, av., kompressoren 12.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse ér der videre anordnet organer til å motta og oppsamle den diffunderte luft fra platediffusoren 36. Ved den foreliggende utførelsesform innbefatter oppsamlingsorganet 20 .et hus 52 som fullstendig omgir, utløpet, 40 fra platedif f usoren, 36 og er. driftsmessig forbundet for kanalisering av den diffunderte luft;til røret 22 for strømning til forbrenningskammeret. 24. Der blir således opprettet en strømningsbane.,for komprimert luft.under, normal drift av gassturbinen. 10, nemlig gjennom platediffusoren 36 og huset 52 til røret 22, og denne.bane er vist ved hjelp av piler på fig. 1. Den nøyaktige form av.huset 52 vil være avhengig generelt av formen og.orienteringen av andre komponenter i anlegget 10.og av den relative plassering av røret 22, såvel som av det aktuelle antall av de enkelte diffusor-enheter.

I henhold.til den foreliggende oppfinnelse er der dessuten anordnet organer som under oppstarting av anlegget leverer trykkgass til den strømningsbane for trykkluft som befinner seg nedstrøms i forhold til diffusororganet 18 og oppstrøms i forhold til forbrenningskammeret ,24.. Ved den viste utførelses-form er en kilde 54 for høytrykksgass forbundet med huset 52 via en føring 56 som omfatter en ventil. Ved aktivisering av den ventilomfattende føring 56 under oppstarting vil således trykkgass kunne tillates å -ankomme strømningsbanen på et sted som ligger nedstrøms i forhold til platediffusoren 36 og oppstrøms i forhold til forbrenningskammeret 24. Når.det tillates, vil trykkgass strømme gjennom forbrenningskammeret 24 til turbinelementet 30 og derved bevirke dreining av dette element sammen med kompressoren 12 som er koblet for avhengig .dreining. Dreiningen av turbinelementet 30 og kompressoren 12 med sine komponenter ■ resulterer, i .initieringen av. en strøm av trykkluft gjennom, turbinen,10, noe som innebærer at luften kan blandes med. drivstoff i. f orbrenningskammeret .24 og anlegget 10 startes og.bringes til normale., driftsforhold.

Fortrinnsvis, utgjør, den. komprimerte gass som kommer fra gasskilden . 24., trykkluft.som kan..forbrennes med., drivstoff i forbrenningskammeret.24 for økning av, entalpien og således den energi som kan leveres, til.turbinelementet 30 under oppstarting. Imidlertid er det meningen, at den.foreliggende;oppfinnelse kan utnyttes i forbindelse med en hvilken som.helst passende kilde for komprimert gass, innbefattende,en ikke-oksiderende gass som kan leveres fra gassgeneratorenheter med fast brensel, og den foreliggende oppfinnelse skal ikke være begrenset av den spesielle type trykkgasskilde 54.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er. der dessuten anordnet et ventilorgan,i ett med diffusororganet, for derved å hindre motsatt strømning av.trykkgassenvgjennom kompressoren ved oppstarting. Ved. den. foreliggende oppfinnelse omfatter ventilorganet et plateorgan 60 anordnet mellom den utvidede kant 46 og det flate veggorgan.48 av platediffusoren 36. Slik det fremgår av: fig.. 1,. vil plateorganet 60 når det .er anordnet mot veggorganet 48,.fremskaffe en hovedsakelig- uhemmet strøm-ning gjennom platediffusoren 36 langs den normale.strømnings-bane, mens ved stilling mot.kanten 46 (vist på fig. 1 ved strekpunkterte linjer) vil plateorganet 60 effektivt avtette platediffusoren 36 mot reversert.strøm. Slik.det tydeligst fremgår av fig. 2, er plateorganet 6 0 forsynt med frigjørings-hakk.62 som i plassering svarer.til den for avstandstapper 52 . og. med hensyn til størrelse, tillater uhemmet glideklaring. Plateorganet 60 er således tvunget til en hovedsakelig uhemmet aksial bevegelse mellom kanten.46 og veggorganet 48.

Under oppstarting blir.ventilen.i føringen 56 påvirket for derved å tillate en mengde av komprimert gass fra gasskilden 54 å komme inn i huset 52. Ladningen av-komprimert gass vil til å begynne med strømme inn i platediffusor^utløpet 40, såvel som gjennom røret 22. Den øyeblikkelige tilbake-strømning av komprimert gass gjennom platediffusoren 36 skaper et trykkfall på overflaten.av plateorganet 60.i nærheten av den utvidede kant 46 i forhold.til den.annen flate av.plateorganet 60 som .en følge.av Bernoulli-virkningen. Den resulterende trykkraft på plateorganet..60 vil da være slik at platen forskyves aksialt til sin tettende stilling, hvoretter den holdes slik ved hjelp av den statiske kraft i den komprimerte gass..Etter at turbinelementet 30 og kompressoren 12 er begynt å dreie seg, vil strømmen av komprimert, luft,fra kompressoren 12 til platediffusor-innløpet.38 slå mot .plateorganet 60 og forskyve dette aksialt i motsatt retning mot veggorganet 48, hvor det vil bli fastholdt under normal drift av turbinen på grunn av kollisjonskraften hos.den avbøyende strøm av komprimert luft.

Fortrinnsvis er veggorganet 48 anordnet med en flerhet av gjennomgående hull 64 (tre vist på fig. 2) med.henblikk på å

tillate at den komprimerte,gass får adgang til den bakre flate av plateorganet 60, dvs. den flate som er motsatt den utvidede kant 46. Hullene 64 tjener til.å redusere den tid det tar for plateorganet 60 å reagere på innføringen av. komprimert gass

fra kilden 54 under oppstarting og følgelig.til å redusere til et minimum-tapet av komprimert gass tilbake gjennom kompressoren 12. Under normal drift. vil.stillingen av hullene 64 være slik at plateorganet 60 utfører en avtetning av hullene 64 og tvinger den avbøyende.komprimerte luft til å strømme ut fra platediffusoren 36 gjennom det normale, utløp 40.

Slik det vil forstås for fagfolk.på området, vil forskjel-lige modifikasjoner og variasjoner kunne utføres i forbindelse med den foreliggende kompressor-rørdiffusor-tilbakeslagsventil til bruk i forbindelse med startsystemer for gassturbinanlegg i henhold til den foreliggende oppfinnelse uten at man avviker fra oppfinnelsens idé og ramme.

Claims (11)

1. Apparat til starting av et gassturbinanlegg av den type som omfatter, en dreiekompressor (12) til komprimering av luft, et forbrenning skammer. , (24) til forbrenning av komprimert luft med drivstoff.for fremskaffelse av.forbrenningsgasser under trykk, samt en turbin. (30). til å ekspandere forbrenningsgassene for fremskaff else ..av .mekanisk, arbeid, idet turbinen og kompressoren er sammenkoblet . (34) for.avhengig, dreining, karakterisert ved (a) diffusororganer (18) som.driftsmessig er forbundet med dreiekompressoren ..(12)., for å motta, og omforme luften med høy hastighet og høyt. trykk til luft ..med ..lav hastighet og høyere trykk, (b) organer (20) som driftsmessig.er forbundet med diffusororganene (18) for å motta og.oppsamle.den komprimerte luft med lav hastighet og høyt trykk og for å kanalisere luften med høyere trykk til forbrenningskammeret (24), idet oppsamlingsorganene (20) innbefatter, et hus (50), samtidig som der er.dannet en strømningsbane for høytrykksgass gjennom diffusororganene (18).og huset (52) og til forbrenningskammeret (24) , (c) organer (54, 56) til å tilføre trykkgass til huset (52) på et sted som befinner seg oppstrøms i forhold til forbrenningskammeret (24) og" nedstrøms, i forhold til dif fusor-organene (18) i nevnte strømningsbane under oppstarting av anlegget, og (d) ventilorganer (60) som er tildannet i ett med . diffusororganene (18) og.tjener til å hindre reversert strømning av.trykkgass gjennom kompressoren (12), idet trykkgassen strømmer gjennom forbrenningskammeret. (24) og blir ekspandert i turbinen (30), for. å. bevirke dreining av. turbinen (30) og kompressoren ..(12) og for å. etablere en strøm av trykkluft til f orbrenningskammeret..(20)i.

2. Apparat som angitt i krav i, karakterisert ved at trykkgassen er luft til å forbrenne med drivstoff i forbrenningskammeret r(24 ) for-ytterligere økning av. gassenergi under oppstarting av anlegget.

3. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at diffusororganene (18) innbefatter en radial diffusor (36) av platetypen, og huset (52) mottar, luft med høyere trykk fra platediffusoren, (36), og at ventilorganene (60) har tilknytning til platediffusoren .(36).

4. Apparat som angitt i.krav 3, karakterisert ved at platediffusoren. (36) innbefatter (a) et ringformet.dyseparti (42) med en indre kant (44) som utgjør et aksialt forløpende platediffusor-innløp (38) og en radialt forløpende,... utvidet. ytre kant (46), (b) et flatt organ (48) som er anordnet vinkelrett i forhold til aksen for platediffusor-innløpet (38) og anordnet på avstand fra dysepartiet (42), (c) et plateorgan (60) anordnet mellom .dysepartiet (42). og det flate organ (48), idet det radiale ytre parti av plateorganet (60) sammen med . den. avstandsorienterte, nærliggende ytre dysekant (46) danner et radialt forløpende platediffusor-utløp (40) når plateorganet (60) ligger an mot det flate organ (48), og (d) . plateholdeorganer (50) som tjener til å skaffe uhemmet aksial bevegelse for plateorganet (60) mellom en tettende stilling mot det flate organ (48) og en ikke-tettende stilling mot dysepartiet (42), idet innføringen av den .komprimerte gass under oppstartingen fremskaffer.en resulterende trykkraft på plateorganet (60) for bevegelse av plateorganet (60) til den tettende stilling, og idet kollisjonskraften av luften med høy hastighet. f ra. kompressoren. (12) under: etter-følgende normal drift bevirker bevegelse av plateorganet (60) til den ikke-tettende stilling.

5. Apparat som angitt i.krav.4, karakterisert ved at plateholdeorganene (50) innbefatter en flerhet av avstandstapper. (50) som forbinder dysepartiet.(42) og det flate organ. (48), samt tilsvarende antall av.fri-hakk (62) i plateorganet (60), idet plateorganet.(60) fastholdes.ved hjelp av tappene (50).

6. Apparat som angitt i krav 4, karakterisert ved organer (64) til utluftning av komprimert gass til den bakre flate av plateorganet (60) som vender mot det flate organ (48) under oppstarting, idet lufteorganene (64) er forbikoblet partiet av strømningsbanen gjennom platediffusor-utløpet (40).

7. Apparat som angitt i krav 6, karakterisert ved at lufteorganene (64) innbefatter en flerhet av ventila-sjonshull (64) gjennom det flate organ (48), idet strømmen gjennom ventilasjonshullene (64) blir hindret av plateorganet (60) ved ikke-tettende stilling under normal drift.

8. Fremgangsmåte til oppstarting av et gassturbinanlegg omfattende en dreiekompressor til komprimering av .luft, et forbrenningskammer til forbrenning av komprimert luft med drivstoff for fremskaffelse av forbrenningsgasser under trykk, samt en turbin til å ekspandere forbrenningsgasser for fremskaffelse av mekanisk arbeid, idet turbinen og kompressoren er sammenkoblet for avhengig dreining, karakterisert ved følgende trinn (a) å fremskaffe en diffusor for økning av trykket mellom kompressoren og forbrenningskammeret, (b) å innføre komprimert gass i strømningsbanen for komprimert luft mellom dif fusoren ••og f orbrenningskammeret, (c) å forhindre tilbakestrømning av komprimert gass gjennom diffusoren -og kompressoren ved bruk av en tilbakeslagsventil som er tilknyttet diffusoren, (d) å ekspandere den komprimerte gass gjennom turbinen for å bevirke dreining av turbinen og kompressoren og (e) å tilbakestille.tilbakeslagsventilen.til.normalt åpen stilling under påvirkning.av strømmen.av komprimert.luft fra dreiekompressoren.

9. Fremgangsmåte .som angitt i krav 8,,; . karakterisert ved at den komprimerte gass utgjøres.av luft og at fremgangsmåten innbefatter, det .ytterligere trinn, å forbrenne drivstoff med komprimert, luft for økning av gassenergi før ekspansjonstrinnet.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 8, karakterisert ved at diffusoren innbefatter et diffusortrinn av platetypen.og ventilorganene innbefatter et aksialt forskyvbart plateorgan som er montert i platediffusoren og at forhindrings-trinnet innbefatter det trinn å forskyve plateorganet til en tettende stilling under.kraften av den komprimerte gass.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 10, karakterisert ved at forflytningstrinnet innbefatter det under-trinn å fortrinnsvis utlufte trvkkluft til den bakre side av plateorganet for initiering av bevegelse mot den tettende stilling.