NO300394B1 - Integrert damp/luft-kjölesystem for gassturbiner - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte ved drift av et kjølesystem i en gassturbin og et integrert damp/- luftkjølesystem for en gassturbin, ifølge kravinnledningene.

Den tradisjonelle tilnærming for kjøling av gass-turbinblader og dyser er å trekke luft fra en kilde ved til-strekkelig høyt trykk, f.eks. ved å trekke luft fra de midtre og siste trinn i gassturbinens kompressor. En serie av interne strømningspassasjer blir typisk brukt for å oppnå den ønskede massestrøm for kjøling av turbinbladene, mens for dyser, blir kjøleluften levert og styrt gjennom eksterne rør. Strømnings-kretsene for kjøleluften går utenom forbrenningskamrene, hvor varmen leveres til den termodynamiske syklus. Den avledede kjøleluft mottar således ikke energi direkte fra forbrenningskamrene, og blir ikke totalt ekspandert gjennom turbinen. Denne anordning representerer parasittiske tap til turbinutgangen, og degraderer den totale ytelseseffektivitet.

Dampavkjøling i gjenoppvarmingsgassturbiner har tidligere vært diskutert, se f .eks. US 4 314 442 og US 4 565 490 (Rice). Dampavkjøling har også vært diskutert i en rapport av Electric Power Research Institute, rapport nr. RP2620-1, med tittelen "Future Gas Turbine Development Options Definition Study", fra juni 1987. Denne rapport beskriver den forventede ytelsesforbedring for dampavkjøling fra et analyseperspektiv for den termodynamiske syklus. I sammenheng med denne rapport, omfatter tilførselskravene for dampavkjøling en kilde for meget høyt trykk, i størrelsesorden 130 kg/cm<2>, fordi man da trodde at et slikt høyt trykk var nødvendig for å overvinne friksjonstapene i kretsen, så vel som uheldige rotasjons- og sentrifugal-feltkrefter forbundet med den foreslåtte lukkede kjølekretsutfor-ming.

Fra andre publikasjoner er andre gassturbiner av ovennevnte type kjent, f.eks. fra W0 80/00864, EP 0 062 932, EP 0 392 664 som beskriver kjøling med damp og GB 2 228 295 som beskriver kjøling med luft og damp som først ledes inn i et blandekammer for deretter å føres ut gjennom passasjer i turbinbladene.

I en kombinert syklusoperasjon, er damp med forskjellige trykk- og temperaturnivåer lett tilgjengelig. Kjøleluft i en gassturbin kan erstattes med damp, som er et bedre kjøle-medium. Dessuten er problemet med degradering av termisk effektivitet forbundet med luft som kjølemedium redusert når overgangen fra luftkjøling til dampkjøling er utført. Ved å benytte damp som kjølemiddel, er det også mulig å øke avfyrings-temperaturene i gassturbinsyklusen.

Som fremsatt i søkerens tidligere søknad, identifisert ovenfor, er damp og luftkjøling integrert i et kombinert syklussystem hvor primær avkjøling blir frembrakt av damp, og operasjonsforhold utenom konstruksjonen, er frembrakt med luft. Det vil si, gassturbinen opereres under normale forhold ved bruk av dampavkjøling, og har tilgjengelig en oppbakking for å operere utenfor konstruksjon, kjøling med bruk av luft, f.eks. under oppstarting eller en plutselig feil i damptilførselen. Ifølge denne oppfinnelse, er en eksisterende luftavkjølt gassturbin modifisert til å endres fra operasjonell luftavkjøling til dampavkjøling. Kjølestrømfordelingen, spesielt i første trinn og andre trinns turbinblader og andre trinns dyser, krever således nødvendig modifikasjon for å tilpasses dampavkjøling.

Mer spesielt, annet trinns dyseblad og første trinns turbinblad er konstruert spesielt for å utnytte dampavkjølingens termiske effektiviteter. I en annentrinns dyse, er det et par rør som strekker seg fra en manifold koplet til en passende dampkilde fra kombinerte syklusoperasjoner, og som strekker seg gjennom dysebladene og membranene forbundet med dysebladene. Den indre overflate av membranen tettes med den ytre overflate av et avstandsstykke på en konvensjonell måte, hvor avstandsstykket bæres for rotasjon med og mellom hjulene som monterer første- og andretrinns turbinblader. Avstandsstykket definerer et par kamre med første- og andretrinns turbinhjul. Kjøledamp som passerer gjennom dysebladene og gjennom membranen kommuniserer med kamrene og med innløpsporter for passasje gjennom første- og andretrinns turbinblader, som beskrevet nedenfor.

Videre, diskret innsatser omgir hvert av rørene gjennom dysebladene. Hver innsats er utstyrt med flere åpninger for strømning av luft som leveres til rommet mellom damprøret og innsatsene, utover og inn i et hulrom som er definert mellom innsatsen og veggen i dysebladet. Luften kjøler dysebladet, og kommer ut av bladet både gjennom en rekke åpninger i dets bakre kant og inn i et kammer inne i membranen, for å komme ut i motsatt; aksial retning og inn i gass-strømmen gjennom turbinen. Rørene som leder dampen har ribber rundt sine ytre overflater for å forbedre varmeoverføringen mellom dampen i røret og luften som strømmer inne i innsatsene. Den ytre overflate på innsatsene er utstyrt med ribbing, fortrinnsvis spiralformet, for å dirigere strømmen til den bakre kant og til membranen. I operasjon vil varmeoverføringen mellom dampen og luften senke temperaturen i dampen og øke temperaturen i luften. Luftstrømmen blir imidlertid ekspandert og avkjølt etter at den passerer gjennom åpningene i innsatsen, for avkjølende anslag mot de indre overflater i dysebladene .

Damp strømmer gjennom rørene og membranen, og gjennom pakningen mellom membranen og avstandsstykket. Pakningen er fortrinnsvis en labyrinttype pakning med flere fremspringende tenner. Ifølge oppfinnelsen, er injeksjonsdyser plassert i avstand fra hverandre perifert rundt den tettende overflate på avstandsstykket. Damp strømmer fra membranen mellom tilstøtende tenner på labyrintpakningen for å strømme gjennom injeksjonsdysen og inn i avstandsstykket. Dysene er formet slik at de akselererer strømmen av damp inn i kamrene på motsatte sider av avstandsstykket .

Kjølestrøm for første og andre turbintrinn blir i tillegg sluppet inn fra et sted nær turbinakselen og inn i områdene mellom første- og andretrinns turbinhjul. Passasjer er anordnet gjennom avstandsstykket slik at damp kan entre kamrene. Denne indre dampstrøm passerer således radialt utover ved sentrifugalkraft, for å blande seg med dampinngangen til kamrene fra rørene i dysetrinnet og injeksjonsdysene i avstandsstykket. Denne kombinerte damp strømmer gjennom og kjøler turbinbladene i det første og andre trinn.

I et videre aspekt ved oppfinnelsen, som beskrevet i oppfinnerens tidligere søknad, omfatter hvert turbinblad en slynget kjøleanordning omfattende fire kjølekretser: to enkle passasjer rettet radialt utover nær den ledende og den bakre kant på bladet, og to mellomliggende fremre og aktre kretser for tre passeringer. Innløpsportene for de slyngede passasjer går gjennom monteringssoklene for turbinbladene. Med hensyn til fremre og bakre mellomliggende kretser, er de respektive innløpsporter plassert i rotdelen av bladene, og strømmen av damp går gjennom passasjer som først er rettet radialt utover mot spissen, og deretter radialt innover mot rotdelen, og til slutt radialt utover mot spissdelen for å komme ut av turbinbladene, tilnærmet midt på bladet ved endeområdet. Dampen strømmer derfor på en slynget måte fra nær de ledende og bakre kanter i motsatte aksiale retninger, mot et midtområde på turbinbladet. Dampen som har samlet det meste av varmen fra bladene kommer således med fordel ut av bladet på et sted som har den laveste metalltemperatur.

Kretsen ved den ledende kant strømmer dampen radialt utover mellom en innløpsport ved rotdelen av bladet og et utløp ved endedelen, og gjennom flere radialt atskilte åpninger som åpner inn i en fordypning i den ledende kant på bladet. Denne fordypning er plassert langs bladets stagnasjonsområde, som er det område med høyest bladtemperatur under operasjon. Fordypningen inneholder et porøst materiale, såsom et trådgitter med stor tetthet, slik at damp fra kretsen ved den første ledende kant strømmer gjennom åpninger og inn i fordypningen gjennom gitteret, for transpirasjonskjøling. Kretsen ved den bakre kant lar damp strømme fra en innløpsport nær rotdelen av bladet, til en utløpsport nær endedelen, så vel som gjennom en rekke åpninger som er radialt atskilt langs den bakre kant av bladet.

I tillegg, på trykksiden av hvert blad, er det anordnet en rekke filmkjølehull radialt atskilt langs bladet, og fortrinnsvis i forbindelse med den første passasjevei i den fremre mellomliggende krets, for å levere filmavkjølingsdamp langs trykkoverflaten på bladet. Filmavkjøling er anordnet fordi damp har overlegne utstrålingsegenskaper, f.eks. absorbtivitet og emissivitet, og absorberer meget av stråleenergien og emitterer denne energi ved lavere intensitet. På trykksiden av bladet er det også anordnet en rekke filmkjølehull radialt atskilt langs bladet, fortrinnsvis i forbindelse med den endelige passasje for den bakre mellomliggende krets. Plasseringen av disse filmkjøle-hullene mellom den førende og den bakre kant av bladet på sugesiden er valgt fordi grenselaget blir tykkere langs dette område. Grenselaget øker den konvektive termiske belastning på delen. Ved å redusere grenselaget ved tynnfilmavkjøling, blir den konvektive termiske belastning redusert.

Andretrinns turbinblader er hvert utstyrt med flere rette radiale passasjer for å føre kjøledamp radialt utover til bladenes ender. Hvert turbintrinn har et dampoppsamlingsdeksel nær endene på bladene for å samle kjøledampen.

Et luftkjølesystem er integrert med dampkjølesystemet som nettopp beskrevet. For å oppnå dette er en roterende dysekrage anordnet på den indre omkrets av førstetrinns hjul. Faste og bevegelige ventilkonstruksjoner er montert rundt akselen. Ventilen er normalt lukket for å hindre luft under trykk fra kompressoren fra å strømme radialt utover og inn i rommene mellom hjulene og avstandsstykket og inn i kamrene. Under oppstart eller operasjon utenfor konstruksjonen, f.eks. når damptrykket ikke er tilgjengelig eller tapt, blir solenoidventilen aktivert til å åpnes, for å bringe luft under trykk inn i disse områder for å strømme gjennom innløpsportene i første- og andretrinns turbinblader for å bevirke avkjøling. Etter oppstart eller når luftkjølingen generelt ikke er nødvendig, vil solenoidventilen bli stengt for å hindre luft fra å entre disse rom.

Den foreliggende oppfinnelse frembringer et apparat og en fremgangsmåte for å integrere dampavkjøling med eksisterende luftavkjølingskonstruksjoner for gassturbiner, slik at man kan ha en overgang mellom luftkjøling, dampkjøling, kombinasjon luft/dampkjøling og for alle operasjonsforhold for gassturbinen, på en slik måte at man oppnår den fulle termodynamiske fordel og syklisk effektivitet. Termodynamiske tap blir således eliminert eller minimalisert, samtidig som dampavkjøling tillater høyere avfyringstemperaturer for høyere maskinutganger. I tillegg blir kontrollen av forbrenningsemisjon forbedret ved å slippe mer luft og damp inn i forbrenningsprosessen uten å påvirke andre operasjonskomponenter i turbinen. For eksempel, termisk lavsyklus utmatting av turbinrotorhjulene oppstår som følge av temperatur-gradienter som blir indusert over hjulene, forårsaket av kjøleluft som strømmer rundt turbinhjulene. Ved å erstatte kjøleluften med damp, blir termiske gradienter redusert, og levetiden for turbinrotoren blir forlenget.

Den foreliggende oppfinnelse frembringer et system for å integrere dampavkjølingstrekk for første- og andretrinns turbinblader og andretrinns dyser som fremsatt i oppfinnerens tidligere søknad, ved eksisterende luftavkjølingskretser i nåværende gassturbinkonstruksjoner. Systemet integrerer dessuten luft- og dampavkjøling for alle operasjonsmodi for turbinen, og muliggjør f.eks. en myk overgang fra luftavkjøling til damp-avkjøling under oppstart når damp blir tilgjengelig, damp-avkjøling under normal drift med valgfri luf tavkjøling i tillegg, og med tilleggsavkjøling med luft under perioder med unormal operasjon, f.eks. når man detekterer spesielt varme deler av turbinbladene.

Den foreliggende oppfinnelse frembringer således et integrert damp/luftkjølesystem for gassturbiner, som har bedre sykluseffektivitet, høyere avfyringstemperaturer, forbedret turbinavkjøling, fleksibilitet i kontroll av forbrenningsemi-sjonen, og forbedring av utmatningslevetiden for turbinens rotorhjul.

I en foretrukken utførelse ifølge den foreliggende oppfinnelse, er det anordnet et integrert damp/luftkjølesystem for en gassturbin, bestående av et par aksialt atskilte, roterbare turbintrinn som hvert har flere turbinblader for plassering i en gass-strøm gjennom turbinen, hvor i det minste noen av turbinbladene hvert har minst en innvendig passasje, et dysetrinn mellom turbintrinnene, og omfattende flere dyseblad for plassering i gass-strømmen gjennom turbinen. I det minste noen av bladene har minst en innvendig passasje. Det er en anordning for å levere kjøleluft til de indre passasjer for luftavkjøling av turbinen og for å levere damp til de indre passasjer for dampavkjøling av turbinen. Anordninger kan virke sammen med til-førselsanordning for kjøleluft og tilførselsanordning for damp, for å oppnå en overgang mellom luftavkjøling av turbinen og dampavkjøling av turbinen. I en videre foretrukken utførelse ifølge den foreliggende oppfinnelse, i en gassturbin som har et par aksialt atskilte roterbare turbintrinn, som hver har flere turbinblader for plassering i en gass-strøm gjennom turbinen hvor i det minste noen av turbinbladene har minst en innvendig passasje, et dysetrinn mellom turbintrinnene, og omfattende flere dyseblad for plassering i gass-strømmen gjennom turbinen, hvor i det minste noen av bladene har minst en innvendig passasje, en fremgangsmåte for å operere et kjølesystem for gassturbinen, omfattende trinn med først tilføring av kjøledamp til de indre passasjer i turbinbladene for å kjøle turbinen under oppstarting, og deretter tilførsel av damp til de indre passasjer i turbinbladene for å kjøle turbinen med damp under normal operasjon av turbinene etter oppstart av turbinen, og en anordning som virker sammen med tilførselsanordningen for kjøleluft og tilførselsan-ordningen av damp for å oppnå en overgang mellom luftavkjøling av turbinen og dampavkjøling av turbinen.

Følgelig er det et primært mål for den foreliggende oppfinnelse å frembringe et nytt og forbedret damp/luftkjøle-system for gassturbiner.

Disse og andre mål og fordeler med den foreliggende oppfinnelse vil fremgå fra den følgende spesifikasjon, kravene og tegningene, hvor figur 1 viser et longitudinalt tverrsnittsriss gjennom akselen for en turbin, og illustrerer skjematisk systemets komponenter for damp/luftavkjølingssystemet for turbintrinnet, figur 2 er et forstørret longitudinalt snitt gjennom turbinens aksel, og illustrerer de første og andre turbintrinn og et andre dysetrinn, figur 3 er et perspektivriss med deler skåret ut for å illustrerer kjølepassasjene inne i dysebladet for det andre trinns dyse, figur 4 er et delvis forstørret tverrsnittsriss som illustrerer tetningen mellom membranen i det andre trinns dyse og tetningsoverflaten for et avstandsstykke, og illustrerer videre strømmen av damp fra den faste membran gjennom avstandsstykket og inn i kamrene, figur 5 er et perspektivriss av et turbinblad som er konstruert ifølge den foreliggende oppfinnelse, figur 6 er et tverrsnittsriss av bladet, og illustrerer forskjellige baner for avkjølingsdamp, figur 7-10 er skjematiske blokkdiagrammer av forskjellige operasjonstrinn i kjølesystemet for turbinen, og illustrerer kontrollsystemet for denne, og figur 11 er et delvis longitudinalt utsnittsriss som illustrerer en luftkretsavledning for hulromskavitetene.

Det skal nå henvises i detalj til en for tiden foretrukken utførelse av oppfinnelsen, et eksempel på hvilken er illustrert i tegningene.

For klarhets skyld skal den følgende beskrivelse først skje i forhold til dysene og turbintrinnene for gassturbinen, i prinsippet som fremsatt i oppfinnerens tidligere søknad, fulgt av en beskrivelse av det foreliggende integrerte damp/luft-kjølesystem og dets operasjon.

Det henvises først til figur 1 og 2, som illustrerer en seksjon av en kombinert syklusgassturbin, generelt betegnet 10, omfattende første og andre turbintrinn 12 og 14, og et andre dysetrinn 16. Hvert av de første og andre turbintrinn, som illustrert på figur 2, omfatter flere turbinblad 18 og 20, montert på sokler 22 og 24, som i sin tur er montert på turbinhjulene 26 og 28. Et avstandsstykke 30 er anbragt aksialt mellom og festet til hjulene 26 og 28 for rotasjon med disse, og omfatter en tettende overflate 32 for å tette mot den indre overflate av en fast membran 34 som danner en del av det andre dysetrinn 16. Den indre overflate på membranen 34 danner fortrinnsvis en labyrintpakning med den ytre overflate 32 på avstandsstykket 30. Det andre dysetrinn 16 omfatter flere faste radiale blad 46, som er perifert atskilt fra hverandre og som strekker seg radialt utover fra membranen 34 til en turbinstøtte-ramme 36. Turbinakselen er skjematisk representert ved brutt linje 38. Man vil forstå at gass fra turbinens brennkammer T.C.

(figur 1) strømmer aksialt, f.eks. fra venstre til høyre på figur 2, gjennom førstetrinnsdysene 39, for å drive det første turbintrinn, og gassen strømmer så gjennom den faste annentrinns-dyse for å drive det andre turbintrinn.

For å integrere damp- og luftkjølingskretser i en enkelt gassturbin, blir damp ført fra en damptilførsel ST (figur 1) for kombinertsyklusturbinen gjennom en manifold 40 som har et par grener 42 koplet med rørene 44a og 44b, som strekker seg radialt innover langs det indre av hvert dyseblad 46. Rørene 44a og 44b går gjennom membranen 34 og kommer ut langs den indre overflate av membranen ved den tilstøtende tetteoverflate for membranen 34 og avstandsstykket 30. Strømmen av damp passerer så gjennom injektordysene 48 og 50 i avstandsstykket 30 innenfor av-standsstykkets tettende overflate 32 inn i de indre kammere 52 og 54 på aksialt motsatte sider av avstandsstykket 30. Dampen i kamrene 52 og 54 er i forbindelse med innløpsportene i soklene nær rotdelene av turbinbladene 18 og 20 for å levere kjøledamp til turbinbladene. Dampen kommer ut fra endeområdene på bladene 18 og 20 og inn i deksler 56 og 58.

Damp slippes også inn i kamrene 52 og 54 fra et sted nær akselen 38. Damp blir f .eks. sluppet gjennom en aksial kanal 60 for å strømme inn i rommet mellom avstandsstykket 30 og hjulene 26 og 28, og gjennom passasjer 62 inn i kamrene 52 og 54. Denne kombinerte dampstrøm passere så gjennom turbinbladene for å kjøle bladene. Blandingen av de to dampstrømmer i kamrene 52 og 54 minimaliserer eller eliminerer uønskede celler med virvelsirkulasjon i kavitetene, som ellers kunne oppstå.

Som vist på figur 3 er hvert rør 44a og 44b inne i bladet 64 omgitt med en innsats 62a og 62b som strekker seg sammen men rørene 44a og 44b, langs den hele lengde av bladet 46. Hver innsats 62a og 62b omgir et respektivt rør 44a og 44b for å definere en luftpassasje mellom den og det omliggende rør. Luft slippes inn i passasjeveiene 62a og 62b via luftkamrene 66 som er utformet i turbinens ramme. Hver innsats 62a og 62b er utstyrt med flere meget små åpninger 67 slik at luft under trykk, inne i passasjene 64a og 64b, kan ekspandere gjennom åpningene og inn i de respektive kaviteter 68a og 68b som er definert mellom innsatsene og de innvendige vegger i bladene 46. Rørene 44a og 44b har finner 70a og 70b rundt sine ytre overflater, som forårsaker at den kjølende luftstrøm i passasjene 64a og 64b blir turbulent. Den turbulente luftstrøm rundt finnene forbedrer kapasiteten til å bære ytterligere konveksjonsenergi fra veggene til rørene 44a og 44b. For det annet, finner forbedrer overførin-gen av konduksjonsvarme fra rørveggene til luften. Damp som strømmer gjennom rørene 44a og 44b blir således redusert i temperatur, mens luften bærer varmeenergien til innsatsenes vegger. Kjøleluften i passasjene 64a og 64b ekspanderer gjennom anslags-åpningene 67 inn i kavitetene 68a og 68b, for å frembringe flere stråler av kjøleluft som faller mot de indre vegger i bladene 46.

Strømningsdelerrørene 72a og 72b er anordnet på innsatsene 62a og 62b. Delerrørene er fortrinnsvis spiralformet for å dirigere luftstrømmen i en radialt innadrettet spiralstrøm, og således forbedre varmeoverføringsforholdet med de innvendige vegger i dysebladene 46. Som vist det anordnet flere radialt atskilte åpninger 74 langs en bakre kant av hvert blad 46, i forbindelse med kavi teten 68b, for å utlufte kjøleluften til gasstrømmen. Kavitetene 68a og 68b kommuniserer også gjennom utluftningsrommet 76 med det indre av membranen 34. Det indre av membranen 34, i sin tur, er i forbindelse med gasstrømmen gjennom turbinen gjennom aksiale åpninger 78.

Førstetrinnsturbinbladet 18 er montert på sin sokkel 22. Hvert turbinblad 18 har en slynget kjøleanordning, fortrinnsvis bestående av fire diskrete kjølekretser som strekker seg fra nær bladets rotområde til dets endeområde. Kretsen ved den ledende kant omfatter en radial rett passasje 80 for enkeltpassering, i kommunikasjon nær rotdelen med en innløpsport for å motta damp fra kammeret 52. Passasjeveien 80 har en utløpsport nær endedelen slik at damp kan strømme fra bladet og inn i dekslet 56. En krets langs bakre kant for enkeltpassering er anordnet, og omfatter en passasjevei 82 i forbindelse med en inn-løpsport nær rotområdet, for å motta damp fra kammeret 52. Passasjen 82 strekker seg radialt utover gjennom bladet, kommer ut gjennom en utløpsport ved dets endeområde, slik at damp kan strømme inn i dekslet 56. Passasjeveien 82 langs den bakre kant er også i forbindelse med flere radialt atskilte passasjer 84 som går gjennom åpninger 104 ved den bakre kant av bladet 18. To mellomliggende kretser omfatter fremre og bakre kretser for tre passeringer. Den fremre krets omfatter en passasje 86 i forbindelse med en innløpsport nær bladets rotområde for å motta damp fra kammeret 52. Dampen strømmer fra rotområdet langs passasjen 86 mot endedelen, radialt tilbake innover gjennom en annen passas jevei 88, og igjen mot endeområdet gjennom passasjen 90. Den bakre trepasseringskrets omfatter på liknende måte en passasje 92 med en innløpsport nær rotområdet i forbindelse med kammeret

52 for å lede strøm radialt utover gjennom passasjeveien 92 mot endedelen, tilbake mot rotområdet via passasjeveien 94, og igjen mot endeområdet via passasjeveien 96, for å gå ut i et fast deksel 56. De fremre og bakre mellomliggende kretser for flere passeringer er anordnet slik at den siste passering i hver krets ligger i det vesentlige i midten, eller halvveis i bladets aerofoilform, som illustrert på figur 5, dvs gjennom passasjene 90 og 96. Passasjeveiene er anordnet på denne måte slik at den siste passasjevei ligger i det område av aerofoilen som har den laveste metalltemperatur

Det er betydningsfullt at dampavkjøling er anordnet nær aerofoilens stagnasjonspunkt eller -område. Stagnasjonsområdet for aerofoilen er et område i hovedsak langs midtområdet av den ledende kant på aerofoilen. Det er viktig å kjøle stagnasjonsområdet fordi temperaturen kan nærme seg bladets smeltetemperatur. For å eliminere denne ekstreme termiske tilstand, er det utformet en fordypning 98, f.eks. under støping, i den ledende kant på bladet. Fordypningen 98 inneholder et porøst materiale 100, f.eks. et vevet trådgitter med stor tetthet. Fordypningen 98 ligger i direkte kommunikasjon med den ledende kants passasjevei 80 for enkeltpassering, for å tilføre damp i fordypningen og gjennom gittermaterialet for utstrømming langs motsatte sider av aerofoilbladet. Den ledende kant blir således utsatt for transpirasj onskj øling.

Det er anordnet filmavkjøling langs både sugesiden og trykksiden på bladet. Spesielt er det på trykksiden av aerofoilen, anordnet kjølepassasjer 102 som er atskilt langs bladets lengde og i forbindelse med den første passas jevei 86 av den fremre mellomliggende krets. Den første passasjevei 86 brukes som avkjølingstilførsel for tynnfilmkjølemiddel langs trykksiden på grunn av at strålevarming er sterkest langs den fremre del av trykksiden på aerofoilen. På sugesiden, er det en serie passasjer 106 som ligger i kommunikasjon med den endelige passasjevei 96 i den bakre kjølekrets for å etablere filmavkjøling langs sugesiden. Passasjene 106 er plassert langs aerofoilen, i hovedsak hvor grenselaget blir tykkere, hvilket øker den konvektive termiske belastning på dette punkt. Tynnfilmavkjø-lingen forbedrer således varmeoverføringen langs den del av aerofoilen som tidligere var hemmet fra noen vesentlig varmeover-føring fra grenselaget.

Det henvises nå til figur 1, som illustrerer et system for luftavkjøling av turbinen under oppstart eller avstengning eller tilstander utenfor konstruksjon, når damp ikke er tilgjengelig. Luftkjølingssystemet omfatter en passasjevei som er i forbindelse, via en kanal 150, med turbinens kompressor, for å strømme luft nær akselen og forbi en roterende dysekrage 120. Det er også anordnet en ikke-roterende ringformet ventildel 121 som er bevegelig ved en solenoid S for å definere en normalt lukket luftåpning 122. Aktivering av solenoid S kan frembringes av et sett pyrometere 124 (figur 2) som er installert nært endene på førstetrinns og annentrinns turbinblader for å føle metalltempe-raturen i bladene. Pyrometrene er av kjent konstruksjon, og emitterer elektriske signaler som kan sendes til analoge behandlingsenheter for forsterkning og styring av solenoid S. Følgelig, når et blad når en temperatur over en forutbestemt verdi, vil pyrometrene føle en slik temperatur og aktivere solenoid S for å åpne luftåpningen 122, slik at luft kan strømme langs akselen og radialt utover gjennom åpningen 22 og inn i rommet mellom hjulene og avstandsstykket. Luften kan så strømme radialt utover inn i kamrene 52 og 54 for å strømme inn i de slyngede passasjer i førstetrinnsturbinbladene og inn i den radiale rette passasje i annentrinnsturbinbladene, som tidligere beskrevet.

Det henvises nå til figur 1, som beskriver turbinens luftavkjølings- og dampavkjølingstilførsel og styringssystemer. Luftavkjølingssystemet omfatter en mellomliggende trykkut-trekningsport 140 fra kompressoren C i forbindelse via et rør 142 med en treveis styringsventil 144 for å levere kjøleluft til kamrene 66 rundt rørene 44, for utgang inn i membranen 34 og inn i gasstrømmen som passerer i hulrommene 146. Kjøleluft blir også frembrakt fra en høytrykksuttaksport 148 på kompressoren C for å strømme via et rør 150 nær rotoren 38. Når solenoidventilen S aktiveres for å åpne luftåpningen 122, strømmer kjøleluft gjennom kamrene på motsatte sider av avstandsstykket 30, gjennom passasjene 62 i avstandsstykket, inn i kamrene 52 og 54 og inn i passasjene i første- og andretrinns turbinblader. Dekslene 152 samler luften og dirigerer den via rørene 154 inn i en varmeveksler 166 for retur via røret 168 enten til forbrenningsregulatoren 170 eller til kompressorens utløpsport 172. Egnede styringsventiler er anordnet i disse rør for valg av returbanen i henhold til kravene til forbrenningsemisjon for en spesiell installasjon.

Med hensyn til damptilførselskretsen, blir damp levert fra damptilførselen ST via en varmeveksler 74 for å forsyne kjølerørene 44a og 44b i andretrinnsdysen med kjøledamp via en måleanordning 176, en strømningsmåler 178, rørene 180 og 182, og en manifold 184 (figur 2) i forbindelse med rørene 44a og 44b. Damp passerer gjennom rørene, kjøler andretrinnsturbinbladene, og passerer inn i kamrene 52 og 54 for å strømme radialt utover under sentrifugalkraft gjennom passasjene og inn i det første-og andretrinns turbinblader. Dampen kommer ut av passasjene i turbinbladene via rørene 154 for å strømme inn i varmeveksleren 166. Damp blir også tilført fra et rør 190, som når ventilen 192 er åpen, tilfører damp gjennom kanalen 60 inn i rommene på motsatte sider av avstandsstykket 30 og inn i kamrene 52 og 54 for kombinasjon med dampen som entrer disse kammere fra andre-trinnsdyseblader. Blandingen av damp fra de to dampbaner fremmer dampstrømningen inn i første- og andretrinns blad uten uønskede celler av virvelsirkulasjon i kavitetene. Dekslene 56 og 58 nær endene på turbinbladene samler dampen for strøm gjennom varmeveksleren 166 via rørene 154.

Operasjonen av kjølesystemet skal i det følgende beskrives, spesielt med henvisning til tegningene 1 og 7-10, hvor dampavkjølingslinjene er representert ved heltrukne linjer, luftavkjølingslinjene ved vekselvis korte og lange streker, og turbingasstrømningen med brutte linjer. Ved start av turbinen, er det ikke tilgjengelig damp for gassturbinsyklusen. Luftavkjø-lingskretsen blir således aktivert for å kjøle turbinbladene. Med henvisning til figur 1, 2 og 7, strømmer det kjøleluft fra den mellomliggende trykkuttaksport 140 gjennom rørene 142 og 180, og strømmer inn i annettrinnsdyseblad 46 for å kjøle dyseveggene gjennom varmeoverføringsmekanismen som beskrevet ovenfor. Kjøleluften kommer ut av membranen og inn i hjulrommene 146, og kombineres med gasstrømmen gjennom turbinen. For å kjøle turbinbladene, blir solenoid S aktivert for å åpne luftåpningen 122. Uttrekksluft fra kompresjonskilden 148 med høyt trykk blir levert via røret 150, forbi den åpne ventil 122 og inn i områdene på motsatte sider av avstandsstykket 30 og inn i kamrene 52 og 54 via passasjene 62, for å strømme gjennom de forskjellige passasjer i turbinbladene og avkjøle bladene 18 og 20. Dekslene 56 og 58 samler luften for passasje via rørene 154 til varmeveksleren 166 og retur via røret 168, enten til forbrenningsregulatoren 170 eller til kompresjonsutløpsporten 172. Et avlednings-uttrekksrør 200 for høyt trykk tilfører luft til rørene i varmeveksleren 166 for å kjøle luften fra turbinbladene og å varme avledningsstrømmen. Varmeveksleren virker således som en regenerator, og avledningsstrømmen går tilbake til gassyklusen enten ved kompressorens utløpsport eller forbrenningsregulatoren 170. På grunn av at returen for avledningsstrømmen er nær luftuttakspunktet, danner denne avledningskrets en første lukket luftkrets. Den avkjølte luft fra skallet til varmeveksleren 166 kan passere via rørene 202 og 180 inn i manifolden 40 via røret 182, for å kjøle annettrinns turbinblad, som tidligere beskrevet. Dette danner en andre lukkede luftkrets under startoperasjonen.

For å gå over fra luftkjøling til dampkjøling, og med henvisning til figur 1 og 8, blir dampen foroppvarmet i til-førselslinjene til minst 10°C av superoppvarming. En oppvar-mingsdrenforbindelse med en høytrykks termostatisk dampfelle er anordnet for å varme opp damptilførselslinjene. Spesielt, damptilførselen tillates å strømme gjennom en måleanordning 176, en sjekkventil 206 og oppvarmingsdrenventiler 208, til en termostatisk felle 210. Avstengningsventilene 192 er stengt. Under enhver gassturbinavstengning, blir også oppvarmingsdrenven-tilene 208 holdt åpne, mens avstengningsventilen 192 er stengt.

Som man vil huske, blir turbinbladene avkjølt i oppstartingsmodus med uttrekningsstrømmer fra kompressorkilden med høyt trykk, med solenoidventilen S åpen. Dyseavkjølingsluft strømmer gjennom styringsventilen 24 og inn i turbinbladene, og slipper ut i gasstrømmen. Når temperaturen og trykket på dampstrømningsmåleren 176 er ved et forutbestemt nivå, blir damp tilført dampturbinen. Ventilene 208 er stengt, og ventilene 192 er åpne. Solenoidventilen S stenges for å stenge av luftstrømmen via åpningen 122 til turbinbladene. Følgelig vil damp under normal drift strømme fra damptilførselen S i indre og ytre kretser, som beskrevet tidligere.

Under normal dampoperasjon, strømmer damp fra damptil-førselen ST via røret 180 (figur 1 og 9) inn i manifolden 40 i en indre krets, for å kombineres med damp som leveres via røret 190 og kanalen 60 i hjulkamrene 52 og 54. Den kombinerte damp strømmer fra turbinbladene via rørene 154 til varmeveksleren 166. Samtidig blir uttrekksluft under høyt trykk avledet via røret 200, og solenoidventilen S blir deaktivert for å stenge luftåpningen 122. Den avledede luft strømmer ut i varmeutvekslingsforhold med damp fra turbinbladene for å varme luften og kjøle dampen, slik at varmeveksleren 166 tjener som en regenerator. Den avledede luft strømmer så enten til forbrenningsregulatoren eller til kompressorens utløpsport, avhengig av kravene til forbrenningsemisjon. Damp som strømmer gjennom varmeveksleren 166 kan så bli dirigert til forbrenningsregulatoren 170 eller til kompressorens utløpsport 172, begge via røret 201. Alternativt kan damp strømme i en lukket sløyfe til måleren 176 via en regulator 207, en treveis ventil 209, varmeveksleren 174 og sjekkventilen 211, for å komplettere den ytre dampkrets.

Videre, under normal drift, strømmer damp fra damptil-førselen ST til kamrene 66 via røret 180, med treveisventilen 44 åpen for kjølende strømning inne i dysebladene, og strømning inn i gasstrømmen inn i turbinen.

I tilfelle feilfunksjoner oppstår i turbinen eller kjølekretsen, med det resultat at gasstemperaturen øker utover forutbestemte grenser, eller redusert kjølingsstrøm, vil pyrometrene 124 føle den økede temperatur i det første og det andre turbinblad. Gjennom en passende kopling, styrer pyrometrene åpningen av solenoidventilen S. Følgelig, når høye temperaturer oppstår i turbinbladene, vil solenoidventilen bli åpnet, og uttrekksluft som passerer inn i hjulromkavitetene og kamrene 52 og 54 blir blandet med dampstrømmen for å kjøle turbinbladene. Dette system er illustrert på figur 10.

I eksisterende turbinkonstruksjoner, blir kom-presjonsluft brukt bare for å kjøle deler med baner for varm gass. I tilfellet med turbinbladavkjøling, blir luft fra en uttakskilde med høyt trykk tvunget til å strømme radialt innover mot hjulromskavitetene 213, før den fortsetter til turbinbladene. Man tror at mengden av strålen som strømmer i disse kaviteter påvirker temperaturgradienten i turbinhjulene. Som følge av denne tilstand, blir turbinmaterialet termisk utmattet. Dette kan til slutt påvirke rotorens lavsyklusutmatningslevetid (LCF). For å eliminere dette problem, blir luftstrålene hindret fra å nå turbinhjulene. Ved grensesnittet mellom kompressorhjulene og avstandsstykket, er det således anordnet en avledning for å avlede luftstrømmen fra hjulromskavitetene. Dette er illustrert på figur 11. På denne figur er det også illustrert en forbindelse mellom den roterende dysekrage 214 og det stasjonære avledningsrør 215. Luft fra høytrykkskilden via røret 217 strømmer gjennom en 90° bøy. En del luftlekkasje inn i kavi teten 219 i den stasjonære krage, passerer gjennom en tetningsanordning og ekspanderer gjennom åpningen 221. Dette skaper en resirkuleringssone rundt den roterende dysekrage 214, og frembringer således en effektiv forsegling for overgangen fra roterende til stasjonære krage-komponenter. Under dampavkjøling under normal drift, er solenoidventilen S stengt. Uttrekksluften strømmer til regeneratoren 166 for å samle opp varme fra dampen før den returneres til gassturbinsyklusen. Dette kompletterer den sluttede luftkrets med den fordel at det reduserer turbinens utmatningsproblemer på grunn av uttrekning av luft under høyt trykk.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte ved drift av et kjølesystem i en gassturbin som har et par aksialt atskilte, roterbare turbintrinn (12, 14) som hvert har flere turbinblader (18, 20) for plassering i en gasstrøm gjennom turbinen, hvor i det minste noen av gassturbinbladene (18, 20) har minst en indre passasje (80), et dysetrinn (16) mellom turbintrinnene (12, 14) og flere dyseblad (46) for plassering i gasstrømmen gjennom turbinen, og hvor i det minste noen av bladene (46) har minst en indre passasje (44, 64), KARAKTERISERT VED først å tilføre kjøleluft til de indre passasjer (80) i turbinbladene (18, 20) for å luftkjøle turbinen under oppstarting, deretter å tilføre damp til de indre passasjer (80) i turbinbladene (18, 20) for å dampkjøle turbinen under normal drift av turbinen etter oppstart, og med en anordning (45, 60, 122, 192, S) å samvirke tilførselsanordningen for kjøleluft og tilførselsanordningen for damp for å oppnå en overgang mellom luftavkjøling av turbinen og dampavkjøling av turbinen.

2. Fremgangsmåte ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED under normal drift av turbinen å avkjøle turbinen kun ved dampavkjøling.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED å slippe ut damp som brukes til å kjøle turbinen under normal drift gjennom en varmeveksler (166), hvor turbinen har en kompressor (C) som leverer kjøleluft fra kompressoren (C) til varmeveksleren (166) i et varmeutvekslingsforhold med eksosdampen fra turbinbladene (18, 20) for å varme luften, og for å dirigere luften fra varmeveksleren (166) inn i turbinens gasstrøm.

4. Integrert damp/luftkjølesystem for en gassturbin, omfattende et par aksialt atskilte, roterbare turbintrinn (12, 14), som hvert har flere turbinblader (18, 20) for plassering i en gasstrøm gjennom turbinen, hvor i det minste noen av turbinbladene (18, 20) har minst en innvendig passasje (80), et dysetrinn (16) mellom turbintrinnene (12, 14), som omfatter flere dyseblad (46) for plassering i gasstrømmen gjennom turbinen, hvor i det minste noen blader (46) har minst en indre passasje (44, 64), en anordning (C) for å tilføre kjøleluft til de indre passasjer (44, 64) for å kjøle turbinen med luft, og en anordning (ST) for å tilføre damp til de indre passasjer (44, 64) for kjøle turbinen med damp, KARAKTERISERT VED at en anordning (45, 60, 122, 192, S) samvirker med anordningen (C) for lufttilførsel og anordningen (ST) for damptilførsel for å oppnå en overgang mellom luftavkjølingen av turbinen og dampavkjølingen av turbinen.

5. Kjølesystem ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at i det minste noen dysetrinnblader har to indre passasjer (44, 64), at tilførselsanordningen (C) for kjøleluft tilfører kjøleluft til en av de to indre passasjer under dampkjøling av turbinen, og at dampkjøleanordningen (ST) tilfører damp til den andre indre passasje under dampkjøling av turbinen, slik at det oppnås kombinert damp- og luftkjøling av turbinen.

6. Kjølesystem ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at det omfatter en turbinaksel (38), et avstandsstykke (30) som er plassert mellom turbintrinnene og roterbart sammen med disse, hjul (26, 28) omkring akselen, påmontert turbinbladene (18, 20) som er aksialt atskilt fra og på motsatte sider av avstandsstykket (30) for å avgrense kamre på aksialt motsatte sider av avstandsstykket (30), at tilførselsanordningen (C) for kjøleluft omfatter et kjøleluftinnløp (150) nær akselen for å tilføre kjøleluft til kamrene (52, 54), en ventil (122) som er bevegelig mellom åpen og lukket tilstand for selektivt å styre luftstrømmen fra tilførselsanordningen (C) for kjøleluft gjennom luftinnløpet, at den omfatter en varmeveksler (166), en anordning (154) som kan operere under dampavkjøling av turbinen for å lede damp fra passasjene (80) i turbinbladene til varmeveksleren, at tilførselsan-ordningen (C) for kjøleluft omfatter en luftavledningskrets (200) for å dirigere luft fra tilførselsanordningen (C) for kjøleluft når ventilen er lukket, til varmeveksleren (166) i varmeutvekslingsforhold med dampen som ledes til denne for å oppvarme luften, og en anordning (201) for å lede den oppvarmede luft inn i gasstrømmen inn i turbinen.

7. Kjølesystem ifølge krav 6, KARAKTERISERT VED at turbinen omfatter et brennkammer (TC) med en forbrennings-regulator og en kompressor (C) som har en utløpsport (140), hvor transportanordningen for oppvarmet luft er innrettet til å lede den oppvarmede luft til forbrenningsregulatoren eller kompressorens utløpsport.

8. Kjølesystem ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at det omfatter en turbinaksel (38), et avstandsstykke (30) mellom turbintrinnene (12, 14) og roterende med disse, hjul (26, 28) rundt akselen på hvilke turbinbladene (18, 20) er montert aksialt atskilt fra og på motsatte sider av avstandsstykket (30), for å definere kamre (52, 54) på aksialt motsatte sider av avstandsstykket (30), hvor damptilførselsanordningen (ST) omfatter en manifold (40) rundt de radialt ytterste deler av dysebladene (46), i kommunikasjon med dysebladenes indre passasjer (44) for å tilføre damp til disse under dampavkjøling av turbinen, en kanal (60) nær akselen for å tilføre damp til kamrene, idet kamrene har kommunikasjon med passasjene (80) i turbinbladene, slik at kjøledamp leveres fra kanalen (60) og turbinbladene (46) til kamrene (52, 54) for å strømme til turbinbladene (18, 20).

9. Kjølesystem ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at det omfatter en turbinaksel (38), hvor tilførselsanordningen (C) for kjøleluft omfatter et kjøleluftinnløp (150) nær akselen for å tilføre kjøleluft til de indre passasjer (80) i turbinbladene (18, 20), en ventil (122) for selektiv styring av luftstrømmen gjennom luftinnløpet (150), en sensor (124) for å avføle temperaturen i turbinbladene (18, 20), og en anordning (S) som er følsom for sensorens avføling av en forutbestemt temperatur i bladene (81, 20), for å åpne ventilen (122) og slippe kjøleluft gjennom kjøleluftinnløp (150).

10. Kjølesystem ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at det omfatter en turbinaksel (38), et avstandsstykke (30) som er plassert mellom turbintrinnene (12, 14) og er roterbart med disse, hjul (26, 28) omkring akselen med påmonterte turbinblader (18, 20) anordnet aksialt atskilt fra og på motsatt side av avstandsstykket (30) for å definere kamre (52, 54) på aksialt motsatte sider av avstandsstykket (30), hvor tilførselsanord-ningen (ST) for damp omfatter første- og andre damptilfør-selskretser, den første krets omfatter damptilførsel (190), en kanal (60) nær akselen og i kommunikasjon med damptilførselen (190) for å levere damp til kamrene (52, 54) og den indre passasje (80) i turbinbladene (52, 54), hvor den andre damptil-førselskrets omfatter en andre damptilførsel (180), en manifold (40) omkring dysebladene (46) for å levere damp fra damptil-førselen (180) til de indre passasjer (44) i dysebladene (46), en anordning (48, 50) i kommunikasjon mellom de indre passasjer (44) i dysebladene (46) og kamrene (52, 54), for å kombinere damp fra kamrenes (52, 54) første krets med damp fra kamrenes (52, 54) andre krets, slik at den kombinerte damp fra første og andre krets strømmer gjennom de indre passasjer (80) i turbinbladene (18, 20).