SE522132C2 - Förfarande för rengöring av en stationär gasturbinenhet under drift - Google Patents

Description

25 30 2 522 132 att regelbundet rengöra kompressorkomponenternas yta för att vidmakthålla goda aerodynamiska egenskaper.

Olika metoder att rengöra gasturbinkompressorer är förut kända. Att injicera krossade nötskal i luftströmmen till kompressorn har visat sig praktiskt användbart.

Nackdelen är att nötskalsmaterial kan finna väg in i gasturbinens interna luftsystem med igensättning av kanaler och ventiler som följd.

En annan metod för rengöring baseras på att väta kompressorkomponenterna med en tvättvätska genom att spraya droppar av tvättvätskan in i luftintaget till kom- pressorn. Tvättvätskan kan bestå av vatten eller vatten blandat med kemikalier. Vid den kända rengöringstekniken, roteras gasturbinens rotor med hjälp av gasturbinens Startmotor. Denna metod kallas för ”crank washing” eller "off-line washing" och utmärkes av att gasturbinen inte förbränner bränsle under rengöringen. Sprayen framtvingas genom att rengöringsvätska pumpas genom munstycken som finfördelar vätskan. Munstyckena är installerade på luftkanalens väggar uppströms kompres- sorns inlopp eller installerade på en ram som temporärt placeras i insugskanalen.

Metoden innebär att kompressorkomponenterna blir dränkta med rengöringsvätska och smutspartiklarna frigöres genom kemiska effekter av kemikalierna tillsammans med mekaniska krafter, som härrör från rotorns rotation. Metoden anses vara effektiv och nyttig. Rotorhastigheten vid crank washing är en bråkdel av hastigheten vid normal drift av gasturbinen. En viktig egenskap med crank washing är att rotorn roterar vid låg hastighet, varvid det föreligger liten risk för mekaniska skador.

En från US-A-501154O känd metod är baserad på att kompressorkomponenterna vätes med rengöringsvätska medan gasturbinen är i drift, dvs medan bränsle förbränns i gasturbinenhetens brännkammare. Metoden kallas för "on-line washing” och har gemensamt med crank washing att en tvättvätska injiceras uppströms kom- pressorn. Denna metod är inte lika effektiv som crank washing. Den lägre effek- tiviteten är en följd av att sämre rengöringsmekanismer råder vid höga rotorhastig- heter och höga lufthastigheter då gasturbinen är i drift. En avvägd mängd tvättvätska bör injiceras då för mycket tvättvätska kan orsaka mekaniska skador på kom- pressorn och för lite tvättvätska leder till dålig blötläggning av kompressorkompo- lO 15 20 25 30 3522 132 nenterna. Ytterligare en svårighet med on-line-washing-metoden är att tvättvätska skall inte bara fångas av det första stegets bladyta och ledskenor, utan också skall fördela sig till kompressorsteg nedströms det första steget. Om en stor andel av tvättvätskan fångas av det första stegets bladyta, kommer tvättvätskan att förflyttas till periferin av rotorn genom centrifugalkrafter och därmed inte längre delta i rengöringsprocessen. Ändamålet med uppfinningen är att helt eller delvis undanröja de nämnda problemen. Ändamålet uppnås med uppfinningen. Uppfinningen definieras i krav 1 och utföringsformer definieras i underkraven. Vidareutvecklingar av rengörings- förfarandet enligt uppfinningen framgår av de osjälvständiga patentkraven.

Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas i exempelform med hänvisning till de bilagda ritningarna.

Kort beskrivninq av ritninqarna Figur 1 visar kompressorn och luftkanalen uppströms kompressorn inlopp.

Figur 2 är en snittvy av luftkanalen före kompressorns inlopp.

Figur 3A är en snittvy av luftkanalen före kompressorn inlopp visande en möjlig placering av munstycke för injicering av tvättvätska.

Figur 3B är en snittvy av luftkanalen före kompressors inlopp visande alternativ placering av munstycke för injicering av tvättvätska och exemplifierar en föredragen utföringsform av uppfinningen.

Figur 4 visar strömningsmönster i ett kompressorsteg, genom illustration av ”hastighetstrianglafï lO 15 20 25 30 4 522 132 Figur 5 visar hastighetstrianglar för en droppe tvättvätska från ett munstycke under lågt tryck.

F ig. 6 visar hastighetstrianglar för en droppe tvättvätska från ett munstycke under högt tryck och exemplifierar en föredragen utföringsform av uppfinningen Redogörelse för uppfinningen Luft som sugs in i kompressorn accelereras till höga hastigheter i luftkanalen före kompressionen. Figur 1 visar utformningen av en luftkanal till en gasturbin. Flödes- riktningen visas med pilar. Omgivningsluft A antas ha ingen utgångshastighet. Efter att luften har passerat väderskydd 11, filter 12 och skräpfälla 13 är hastigheten vid B 10 m/s. Luftens hastighet ökar ytterligare vid C till 40 m/s som en konsekvens av att luftkanalens tvärsnittsyta minskar. Närmast före kompressorns första blad E passe- rar luften en kanal formad speciellt för att accelerera luften till mycket höga hastig- heter. Accelerationskanalen 15 mellan dess inlopp C och dess utlopp E kallas "bellmouth" 15. Syftet med bellmouthen är att accelerera luften till den hastighet som krävs för att kompressorn skall utföra sitt kompressionsarbete. Bellmouth 15 är kopplad till kanalen 19 genom förband 17. Bellmouth 15 är kopplad till kompressorn 16 genom förband 18.

Hastigheten vid E varierar för olika gasturbinkonstruktioner. För stora stationära gasturbiner är hastigheten vid E typiskt 100 m/s, medan för små flygderivatturbiner kan hastigheten vid E vara 200 m/s. D är en punkt som ligger ungefär mitt emellan inloppet C och utloppet E. Inom ramen för denna uppfinning är A, B och C låg- hastighetsområden, medan D och E är höghastighetsområden. Munstycke för tvättvätska kan alternativt installeras i låghastighetsområdet C eller i höghastig- hetsområde D.

En avsikt med att installera munstycken i område C är att munstycken, som arbetar under ett lågt tryckfall, så kallade "lågtrycksmunstycken” kan användas. Sprayen kommer att penetrera in i luftströmmens kärna och transportera dropparna till kompressorinloppet. Emellertid finns en nackdel med installationen i område C.

Luften och dropparna accelereras i bellmouthen. De krafter som verkar på dropparna 10 15 20 25 30 5522 132 kommer att resultera i olika sluthastigheter för dropparna och luften, då accelera- tionen är slutförd vid E. Det uppstår en ”sliphastighet” vid E, där sliphastighet definie- ras som skillnaden mellan dropphastighet och lufthastighet. Ett ”slipförhållande” definieras som kvoten mellan droppen hastighet och lufthastigheten, där dropp- hastigheten utgör täljare och lufthastigheten utgör nämnare. Detta förklaras närmare nedan.

Alternativt kan munstycken installeras i höghastighetsområdet D. l höghastighets- området är det att föredra munstycken som arbetar under högt tryckfall, så kallade ”högtrycksmunstyckenï Munstycket riktas huvudsakligen parallellt med luft- strömmen. Sprayen som bildas ur munstycket har en hög hastighet och den sliphastighet mellan vätska och luftström, som uppstår under accelerationen i bellmouthen, kan huvudsakligen elimineras, då droppen och luftströmmen har väsentligen samma hastighet. Om munstycken i område D istället skulle arbeta under lågt tryck, får sprayen inte tillräcklig impuls för att tränga in i luftstrålens kärna.

En del av vätskan fångas då av gränsskiktsströmningen på kanalväggen, där den bildar en vätskefilm som transporteras till kompressorn genom luftströmmens skjuvkrafter.

Denna uppfinning avser att installera högtrycksmunstycken i område D. Med högtryck menas munstycken som arbetar med ett tryckfall på mer än 120 bar, företrädesvis 140 bar och maximalt 210 bar. Den övre tryckgränsen sätts av risken för att dropparna får sådan impuls, att de skulle kunna skada materialytor i turbin- enheten. En övre gräns i praktiken är 210 bar.

Ett syfte med uppfinningen är att öka sprayens impuls genom att munstycket arbetar under högt tryck. Vätska som sprayas in i en luftkanal utsätts för en tryckkraft av luftströmmen i kanalen. Kraften på sprayen är resultatet av sprayens projicerade yta mot luftströmmen, dropparnas tröghetskrafter och luftströmmens dynamiska tryck på sprayen. Sprayens projicerade yta är i sin tur resultatet av vätskans utloppshastighet, droppstorlek och sprayens densitet. En fackman inom området kan beräkna att för ett givet flöde av vätska genom munstycket ökar impulsen hos den bildade sprayen om vätskans utloppshastighet ökar. Den ökade utloppshastigheten åstadkommes enligt uppfinningen genom ett högt tryck. 10 15 20 25 30 6 522 152 Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att undvika en vätskefilm på luftkanalens yta genom att en spray med en hög impuls används. Det har observerats från verkliga gasturbininstallationer att en spray som injicerats i ett område av luftkanalen där hög hastighet råder, inte kommer att fullständigt penetrera in i kärnan hos luftströmmen _ En del av vätskan fångas av gränsskiktsströmningen och bildar en vätskefilm som transporteras in i kompressorn, pådriven av luftströmmens skjuvkrafter. Denna vätska kommer inte att bidra till rengöring av kompressorbladen och ledskenorna och kan orsaka mekaniska skador. Bildandet av vätskefilmen kan undvikas genom att injicera vätska genom munstycket under högt tryck.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att reducera sliphastighet. Luft som sugs in i bellmouthen utsätts för acceleration. Om luften innehåller vätskedroppar, t ex härstammande från en spray, kommer dropparna också att bli föremål för acceleration. Den hastighet som dropparna uppnår relativt lufthastigheten är resultatet av tvärverkande krafter. För det första, ett aerodynamiskt strömnings- motstånd resulterar i en bromskraft som verkar på droppen. För det andra, en tröghetskraft som verkar på droppen som en följd av accelerationen. Kraften från bromskraften är motriktad tröghetskraften_ När accelerationen upphör i slutet av bellmouthen har droppen intagit en hastighet, som är lägre än lufthastigheten.

Därigenom har en sliphastigheten uppkommit mellan droppen och luftströmmen.

Kompressorn är konstruerad för att komprimera den inkommande luften. I rotorn omvandlas rotorenergi till kinetisk energi av rotorbladet. l den efterföljande statorledskenan omvandlas den kinetiska energin till en tryckstegring genom hastighetsminskning.

Kompressorn är konstruerad för drift kring en designpunkt. Vid designpunkten är aerodynamiken kring bladen och ledskenorna som mest gynnsamma. När kom- pressorn arbetar under olika lastförhållanden och olika tillstånd hos luften, kommer kompressorns verkliga driftpunkt att avvika från designdriftpunkten. När den verkliga driftpunkten avviker från designpunkten, uppstår mindre fördelaktiga aerodynamiska förhållanden i kompressorn. Normalt har detta ingen annan inverkan på kompres- sorns arbete än att verkningsgraden försämras, en viss försämring i luftkapaciteten 10 15 20 25 30 7 522 152 uppstår och ett något lägre tryckförhållande uppkommer. l värsta fall kan den verkliga driftpunkten avvika så mycket från designdriftpunkten att kompressorns funktion upphör. Sammanfattningsvis betyder detta, att för att uppnå ett gott kompressionsarbete krävs att lufthastigheten i kompressorinloppet är anpassat till konstruktionen och driftförhållandet.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att få tvättvätska att tränga in i kompressorn förbi det första steget. Med referens till beskrivningen ovan om luftströmmen som innehåller vätskedroppar är det uppenbart att, om kompressorn arbetar under fördelaktig aerodynamik och det finns en sliphastighet mellan droppe och luft, måste droppens hastighet var mindre fördelaktig avseende aerodynamiken. Vi har ana- lytiskt funnit att om ett slipförhållande råder mellan droppar och luft, kommer droppar att träffa bladen och ledskenorna ofördelaktigt. Vätska kommer i stor omfattning att väta det första stegets blad och ledskenor, medan det vore önskvärt att vätska tränger in i kompressorn förbi det första steget.

Bästa utförinqsform av uppfinningen Såsom beskrivits, så tillhandahåller denna uppfinning nya metoder för utövaren, vilka aldrig tidigare stått till hans förfogande.

Figur 2 visar den del av inloppskanalen, där luften accelererar till mycket höga hastigheter, kallad bellmouth. Denna kanaldel är rörformig och konvergerar mot sitt utlopp, dvs mot inloppet till kompressorn. Flödesriktningen visas med pilar. Syftet med bellmouthen är att accelerera luften till den hastighet som är nödvändig för att kompressorn skall utöva kompressionsarbetet, Bellmouthen är rotationssymmetrisk kring axeln 26. Det yttre höljet 20 och det inre höljet 21 formar geometrin för bell- mouthen. Luft tränger in vid tvärsnitt 22 och lämnar bellmouthen vid tvärsnitt 25.

Tvärsnitt 25 är detsamma som kompressorns första ledskena eller rotorblad. Vid tvärsnitt 22 är hastigheten 40 m/s. Som ett resultat av bellmouthens geometri accelererar luften till 100 m/s vid tvärsnitt 23, 170 m/s vid tvärsnitt 24, och 200 m/s vid tvärsnitt 25.

Figur 3A och SB visar alternativa installationer av munstycken på en och samma bellmouth. identiska delar har samma nummer som i Figur 2. 10 15 20 25 30 e 522 132 Munstycke 31 enligt Figur 3A är installerat uppströms bellmouthens inlopp. Här är lufthastigheten låg och lågtrycksmunstycken är att föredra. När vätsketrycket är lågt blir sprayhastigheten låg. Dropphastigheten vid tvärsnitt 33 kan i huvudsak antas vara lika med lufthastigheten. När droppen färdas med luftströmmen mot kom- pressorn, utsätts droppen för en hastighetsökning. Lufthastigheten vid tvärsnitt 33 är 40 m/s och vid utloppet 34, 200 m/s. Beräkning av ekvationerna för sliphastighet resulterar i att droppen som hade hastigheten 40 m/s vid inloppet 33, kommer att ha intagit 130 m/s hastighet vid utloppet 34. Slipförhållandet blir således 0,65.

Munstycke 32 enlig Figur 3B är installerat vid tvärsnitt 23 som är i höghastighets- området. Ett högtrycksmunstycke är här att föredra. Munstycket är huvudsakligen riktat parallellt med luftströmmen. Ett munstycke som arbetar med det tryck som omfattar denna uppfinning har en utloppshastighet på 120 m/s. Beräkning av partikelbanan för droppen enligt ekvationerna för slipmekanismen resulterar i en hastighet av 190 m/s vid utloppet 34. Slipförhållandet blir således 0,95.

Figur 4 visar aerodynamiken kring rotorblad och statorledskenor hos en axial- kompressor. Bladen och ledskenorna är i vy från periferin av rotorn mot axelcentrum.

Rotorblad 41 är ett blad av en mångfald av blad som utgör en rotorskiva 410. Rotorn roterar i riktning enligt pilen 43. Statorledskena 42 är en ledskena av en mångfald av ledskenor som utgör en statorskiva 420. Ledskenorna är fast monterade i kompres- sorns hölje. En rotorskiva och efterföljande statorskiva utgör ett kompressionssteg.

Lufthastigheter illustreras som vektorer, där längden på vektorn är proportionell med hastigheten och riktningen på vektorn är riktningen på luftströmmen. Figur 4 visar luftströmningen genom ett kompressorsteg. Luft närmar sig rotorskivan med en axiell hastighetskvot 44. Rotorskivan roterar med den tangentiella hastighetsvektorn 45.

Relativvektor 46 visar rörelsen hos luften som strömmar in i utrymmet mellan rotorbladen. Vektor 47 visar rörelsen hos luften som lämnar rotorskivan. Vektor 45 är rotorns tangentiella hastighet. Relativvektor 48 visar rörelsen hos luften som strömmar in i utrymmet mellan ledskenorna. Vektor 49 visar rörelsen hos luften som lämnar statorskivan. 10 15 20 25 30 9 522 132 Figur 5 visar fallet med lågtrycksmunstycken installerat i låghastighetsområdet av luftintaget. identiska delar har samma nummer som i Figur 4. Vektor 54 visar rörelsen hos droppen som närmar sig rotorskivan med slipförhållandet 0,65. Vektor 45 är rotorns tangentiella hastighet. Relativvektor 56 visar rörelsen hos droppen som rör sig mot utrymmet mellan rotorbladen. Genom att förlänga vektor 56 så som visas med linjen 57, är det uppenbart att droppen kolliderar med bladet i punkt 58, Figur 6 visar fallet med högtrycksmunstycket installerat i höghastighetsområdet av luftintaget. identiska delar har samma nummer som i Figur 4. Vektor 64 visar rörelsen hos droppen som närmar sig rotorskivan med slipförhållandet 0,95. Vektor 45 är rotorns tangentiella hastighet. Relativvektor 66 visar rörelsen hos droppen som rör sig mot utrymmet mellan rotorbladen. Genom att förlänga vektor 66, så som visas med linjen 67, är det uppenbart att droppen inte kommer att kollidera med bladet.

Denna droppe kommer att fortsätta förbi rotorskivan där motsvarande analys avgör om droppen kommer att kollidera med en ledskena i statorn.

En analys av droppbanor under olika driftförhållanden hos gasturbinen visar, att om munstycket arbetar med tryck enligt uppfinningen, resulterar detta i att tvättvätska fördelar sig till kompressorsteg nedströms det första steget, om munstycket är installerat i det område i bellmouthen, där hastigheten är åtminstone 40 procent av sluthastigheten vid kompressorinloppet, företrädesvis åtminstone 50 procent och helst åtminstone 60 procent av sluthastigheten vid kompressorinloppet. Naturligtvis uppnås något bättre resultat ju närmare kompressorinloppet munstycketlmun- styckena är belägna, men av praktiska skäl kan man naturligtvis inte placera munstycket omedelbart invid kompressorinloppet.

Fastän denna uppfinning har visats och beskrivits med avseende på detaljerade utföringsformer därav, så inser fackmän inom området att olika förändringar i form och detalj kan göras, utan att man därför avviker från den i kraven angivna uppfinningens idé och skyddsomfång.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 522 152 IO Patentkrav

1. Förfarande för att under drift rengöra en stationär gasturbinenhet, vilken innefattar en turbin, en av turbinen driven kompressor (16), som har ett inlopp (E), en luftinloppskanal, som är anordnad uppströms kompressorns luftinlopp, varvid inloppskanalen har en till kompressorns inlopp anslutande kanaldel (15) med i strömningsriktningen avtagande tvärsnitt för att ge luftflödet en sluthastighet vid inloppet (E) till kompressorn (16), varvid en spray av ren- göringsvätska införes i inloppskanalen (15), kännetecknat av att rengörings- vätskan drivs genom ett spraymunstycke (32) med ett tryckfall överstigande 120 bar till bildning av en spray, vars droppar har en medelstorlek som är mindre än 150 pm, varvid sprayen riktas väsentligen parallell och likriktad med luftflödets riktning, och att sprayen införes vid en position (23) i kanaldelen (16), där luftens hastighet är åtminstone 40 procent av sluthastigheten vid kompressorinloppet (E), så att vätskesprayens droppar bibringas ett slipförhållande av åtminstone 0,8 vid kompressorinloppet (E).

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att vätskesprayen etableras så, att en väsentlig andel av dess droppar har en medelstorlek i området 50-150 pm.

3. Förfarande enligt krav 2, kännetecknat av att vätskesprayens droppar ges en medelstorlek av omkring 70 pm.

4. Förfarande enligt något av kraven 1-3, kännetecknat av att vätske- sprayen etableras genom att rengöringsvätskan drivs genom ett spraymunstycke med ett tryckfall som är mindre än 210 bar.

5. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att vätskesprayen etableras genom att rengöringsvätskan drivs genom ett mun- stycke med ett tryckfall av omkring 140 bar.

6. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att vätskesprayens droppar bibringas ett slipförhållande av åtminstone 0,9, vid kompressorinloppet.