Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit Axialschubausgleich sowie eine Gasturbine mit Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
Der Axialschub einer Gasturbine ist die resultierende Kraft aus aerodynamischen Kräften und Druckkräften, die in Kompressor und Turbine eine Axialkraft auf den Rotor ausüben, sowie aller in axialer Richtung auf den Rotor wirkenden Druckkräfte. Der resultierende Schub wird von einem Axiallager aufgenommen. Typischerweise werden Gasturbinen so ausgelegt, dass sie bei Leerlauf einen Minimalschub aufweisen. Der Axialschub steigt proportional zur Last. Um den Axialschub auszugleichen, kann gegen den mit der Last zunehmenden Axialschub eine Gegenkraft zum Schubausgleich aufgebracht werden. Dadurch kann der maximale, von dem Axiallager aufzunehmende Schub reduziert werden. Entsprechend kann die Baugrösse und die Verlustleistung des Axiallagers reduziert werden.
Der Schub von Turbinen und Kompressoren sowie die in axialer Richtung auf den Rotor wirkenden Druckkräfte werden von Betriebsparametern, insbesondere der Stellung von Verdichterleitschaufeln und Kompressoraustrittsdruck sowie durch das Design bestimmt. Dabei ist er von den gewählten Geometrien, insbesondere durch die Geometrien der Schaufelkanäle und den Reaktionsgraden der Turbinenstufen bestimmt. Die Betriebsparameter sind von dem gewünschten Prozess und Betriebskonzept der Gasturbine abhängig. Die Lastabhängigkeit des Schubes kann bei einmal gewähltem Design nicht mehr verändert werden.
Das Problem des Schubausgleiches bei Gasturbinen ist lange bekannt und eine grosse Zahl von Lösungsansätzen wurde in der Literatur vorgeschlagen. Insbesondere sind verschiedene Möglichkeiten den Axialschub über Druckausgleichszylinder zu kompensieren und damit die Last auf die Axiallager zu reduzieren bekannt. Zur Regelung des Schubausgleiches mittels einer Gegenkraft in einer Gasturbine sind ebenfalls verschiedene Verfahren entwickelt worden.
In der
In der
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Eine andere Ausführung eines Druckausgleichskolbens ist in der
und insbesondere bei Ausführungen gemäss der
Ein anderer Ansatz zur Reduktion der Axialkräfte wird in der
Der vorliegenden Erfindung ist die Aufgabe gestellt, einen regelbaren Schubausgleich bei Gasturbinen ohne Verwendung zusätzlicher Strukturbauteile zu schaffen, der bei hoher Last und insbesondere im Auslegungspunkt keinen zusätzlichen Kühlluftverbrauch zur Beaufschlagung von Druckausgleichskolben oder ähnlichem zur Folge hat. Ausserdem soll der regelbare Schubausgleich in Gasturbinen nachrüstbar sein, die einen entsprechend
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
Zur Lösung der oben gegebenen Aufgabe wird eine Gasturbine in bezug auf aerodynamische Kräfte und Druckkräfte, die eine Axialkraft auf den Rotor ausüben, so ausgelegt, dass sie bei Leerlauf und tiefer Teillast einen negativen Schub hat. Ein negativer Schub ist ein Schub, der von der Turbine in Richtung Kompressor weist. Weiter wird sie so ausgelegt, dass sie bei hoher Gasturbinenlast und insbesondere bei Volllast einen positiven Schub aufweist. Um im gesamten Lastbereich der Gasturbine eine resultierende positive Kraft auf das mindestens eine Axiallager zu gewährleisten, wird bei Leerlauf und Teillast geregelt ein Zusatzschub in Hauptschubrichtung, das heisst ein positiver Schub in Richtung von Kompressor zur Turbine, aufgebracht.
Die resultierende maximale Schubkraft, die von dem mindestens einen Axiallager aufzunehmen ist, ist in Konsequenz kleiner als bei einer herkömmlich ausgelegten Gasturbine ohne Schubausgleich. Ausserdem wird durch den Zusatzschub eine Schubumkehr bei Belasten oder Entlasten der Gasturbine verhindert. Der Lastbereich in dem ein Zusatzschub aufgebracht wird, liegt beispielsweise im Bereich von Leerlauf bis etwa 60% Volllast. Bei einer Gasturbine, die für Volllastbetrieb optimiert wird, kann der Teillastbereich, in dem ein Zusatzschub aufgebracht wird, beispielsweise bis etwa 90% Volllast reichen. Bei einer Nachrüstung kann der Teillastbereich, in dem Zusatzschub aufgebracht wird, beispielsweise nur bis etwa 10% Volllast reichen.
Der Zusatzschub wird durch ein Verfahren zur Regelung des Druckes an der Stirnseite oder an einer Teilfläche der Stirnseite des Turbinenrotors erzeugt.
Zu diesem Zweck wird ein im wesentlichen ringförmiger Raum zwischen Trommelabdeckung und erster Turbinenscheibe, der durch eine Rotordichtung eine Turbinenschaufelfussdichtung abgeschlossen ist, durch eine Dichtung in einen äusseren und einen inneren Ringraum geteilt. Beispielsweise wird von dem äusseren Ringraum der Turbinenrotor mit Hochdruckkühlluft versorgt, die in diesen Ringraum mit einer möglichst hohen Tangentialgeschwindigkeit eingespeist wird. Dabei liegt der statische Druck in dem äusseren Ringraum infolge der starken Beschleunigung auf die möglichst hohe Tangentialgeschwindigkeit deutlich unter Kompressorenddruck. Zur Beschleunigung der Kühlluft auf eine möglichst hohe Tangentialgeschwindigkeit wird beispielsweise eine Dralldüse verwendet. Es können aber auch beispielsweise gerichtete Bohrungen, zur Beschleunigung in Tangentialrichtung verwendet werden.
Bei geschlossenem Regelventil, wenn keine zusätzliche Druckluft in den inneren Ringraum zugeführt wird, ist das Verhältnis des Druckabfalls über Rotordichtung und Turbinenscheibendichtung umgekehrt proportional zu dem Verhältnis der äquivalenten Flächen beider Dichtungen. Typischerweise weist die Rotordichtung eine deutlich kleinere äquivalente Fläche als die Turbinenscheibendichtung auf. Der Druckabfall über die Rotordichtung ist entsprechend viel grösser als der über die Turbinenscheibendichtung. Der Druck in dem inneren Ringraum ist daher bei geschlossenem Regelventil im wesentlichen durch den Druck im äusseren Ringraum bestimmt.
Um einen Zusatzschub in Hauptschubrichtung zu erzeugen, wird der innere Ringraum über mindestens eine Leitung vom Kompressorplenum oder einer anderen geeigneten Entnahmestelle mit Druckluft beaufschlagt. Zur Regelung der Druckbeaufschlagung ist mindestens ein Regelventil vorgesehen. Durch die Druckbeaufschlagung wird eine Zusatzkraft in Hauptschubrichtung aufgebracht, so dass im gesamten Betriebsbereich der Gasturbine ein positiver resultierender Schub auf das mindestens eine Axiallager sichergestellt ist und eine Schubumkehr vermieden wird.
Je tiefer der statische Druck im Ringraum bei geschlossenem Regelventil ist, desto grösser wird bei Verwendung von Kompressorendluft der Regelbereich der Zusatzschubkraft. Die oben erwähnte Absenkung des statischen Drucks durch Einspeisung der Kühlluft über eine Dralldüse führt also zu einer Vergrösserung des Regelbereichs.
Zur Druckbeaufschlagung kann beispielsweise auch extern zugeführte Druckluft oder Dampf verwendet werden oder ein extern zugeführtes Medium in Kombination mit Kompressorluft verwendet werden.
Neben der Nutzung bestehender Strukturteile besteht der Vorteil dieses Verfahrens darin, dass im hohen Lastbereich keine zusätzliche Druckbeaufschlagung erforderlich ist und damit keine komprimierte Luft unter Leistungs- und Wirkungsgradeinbusse verbraucht wird. Selbst wenn die Druckbeaufschlagung bei Teillast aktiv ist, wird die über die Dichtung zwischen innerem und äusseren Ringraum entweichende Luft nutzbringend der Rotorkühlluft beigemischt.
Zur Regelung der Druckbeaufschlagung sind verschiedene Verfahren denkbar. Beispielsweise kann das mindestens eine Regelventil bei tiefer Last geöffnet sein und beim Überschreiten eines diskreten Grenzwerts geschlossen werden. Umgekehrt wird das mindestens eine Regelventil beim Unterschreiten des diskreten Grenzwertes wieder geöffnet. Um bei Lasten nahe des Grenzwertes ständiges Schalten des mindestens einen Regelventils zu vermeiden, kann eine Hysterese vorgesehen werden.
Eine andere Regelungsmöglichkeit ist beispielsweise ein Schliessen des Regelventils proportional zur Last.
In einer weitern Regelung wird nicht die Stellung des Regelventils in Abhängigkeit der Last vorgegeben, sondern das Druckverhältnis zwischen innerem Ringraum und Kompressorenddruck vorgegeben und dies Verhältnis über das Regelventil geregelt. Dabei ist der Zielwert nicht notwendig konstant, sondern ist beispielsweise eine Funktion der Last. Die Funktion kann beispielsweise so bestimmt werden, dass über einen möglichst weiten Betriebsbereich ein konstanter Axialschub erreicht wird.
Die Stellung des Regelventils oder der Zielwert der Druckverhältnisse im inneren Ringraum kann beispielsweise auch in Abhängigkeit von dem Verdichtereintrittsleitschaufelwinkel oder der relativen Last vorgesehen werden. Regelungen abhängig von Kombinationen von Parametern oder weiteren relevanten Parametern sind ebenfalls möglich.
Neben der Anwendung des Verfahrens für die Auslegung und Entwicklung von Neuanlagen, ist ein Spezialfall die Anwendung in Verbindung mit dem Upgrade einer Gasturbine. Bei dem Upgrade einer Gasturbine kann es durch Änderung an einer der Hauptkomponenten Turbine oder Kompressor zu einer Reduktion des Axialschubes kommen. Dies wird zum Beispiel der Fall sein, wenn durch einen Upgrade- Kompressor bei praktisch unverändertem Ansaugmassenstrom und damit praktisch unverändertem Kompressoraustrittsdruck und Turbinenschub der Kompressorschub zunimmt. Durch die Zunahme des Kompressorschubes kann es nach dem Upgrade zu einer Schubumkehr kommen. Um diese zu vermeiden, kann das erfindungsgemässe Verfahren angewandt werden und ein geregelter Zusatzschub aufgebracht werden.
Neben dem Verfahren ist eine Gasturbine mit reduziertem maximalen Axialschub, mit wenigstens einer mit Druck beaufschlagbare Teilfläche des Turbinenrotors, beschrieben.
Eine Ausführung ist eine Gasturbine mit einer Dichtung, die den im wesentlichen ringförmigen Raum zwischen Trommelabdeckung und erster Turbinenscheibe in einen äusseren und einen inneren Ringraum teilt. Sie verfügt über mindestens eine Leitung vom Kompressorplenum zur Trommelabdeckung, mindestens ein Regelventil in dieser Leitung und mindestens eine Einleitung in den inneren Ringraum. Es gibt verschiedene, dem Fachmann bekannte Möglichkeiten eine Dichtung zwischen der Stirnfläche des Turbinenrotors und Trommelabdeckung auszuführen. Eine Labyrinthdichtung ist ein Beispiel für eine geeignete Dichtung.
Bei einer Gasturbine mit mehr als einer Turbine sind Ringräume zur Druckbeaufschlagung an der Stirnfläche mindestens einer Turbine oder in Kombination bei mehreren oder allen Turbinen geteilt und mit mindestens einer regelbaren Druckluftversorgung ausgeführt.
Für die Einleitung der Druckluft in den inneren Ringraum sind ebenfalls verschiedene Möglichkeiten bekannt. Dies kann beispielsweise eine Bohrung durch die Trommelabdeckung sein. In einer weiteren beispielhaften Ausführung ist die Einleitung in den inneren Ringraum der Trommelabdeckung ein im wesentlichen ringförmiges Plenum, das durch eine Vielzahl von Öffnung mit dem inneren Ringraum verbunden ist.
In einer weiteren Ausführung ist ausserdem mindestens ein Druckmessgerät in dem inneren Ringraum und im Kompressorplenum vorgesehen.
In einer weiteren Ausführung ist die mindestens eine Zuleitung für Druckbeaufschlagung des inneren Plenums nicht mit dem Kompressorplenum, sondern einer anderen geeigneten Entnahmestelle für Kompressorluft über mindestens ein Regelventil verbunden.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den
Es zeigen:
Eine Gasturbine mit einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens weist im wesentlichen mindestens einen Verdichter, mindestens eine Brennkammer und mindestens eine Turbine auf, die über mindestens eine Welle den Verdichter und einen Generator antreibt.
Der Verdichter 1 verdichtet die Luft. Der grösste Teil der Luft wird über das Kompressorplenum 2 in eine Brennkammer 3 eingeleitet und mit Brennstoff vermischt, der dort verbrennt. Von dort fliessen die heissen Brenngase unter Arbeitsabgabe durch eine Turbine 4 ab. Turbine 4 und Verdichter 1 sind auf einer gemeinsamen Welle 18 angeordnet, wobei der zwischen Verdichter 1 und Turbine 4 gelegene Teil der Welle als Trommel 6 ausgeführt ist.
Der Hochdruckteil der Rotorkühlluft wird nach der letzten Kompressorschaufel drallbehaftet durch einen Ringkanal 7 zwischen Rotor- Trommel 6 und Trommelabdeckung 5 abgeleitet und über die Rotorkühlluftzuführung 12 und ein Drallgitter 13 in einen Ringraum zwischen Trommelabdeckung und einer ersten Turbinenscheibe eingeleitet. Dieser Ringraum wird durch eine Dichtung 9 in einen inneren Ringraum 10 und einen äusseren Ringraum 11 geteilt.
Der äussere Ringraum wird beispielsweise durch die Hinterseite einer Trommelabdeckung 5, einer dem Rotor 18 zugewandten innere Plattform einer ersten Turbinenleitschaufel, einer ersten Turbinenscheibe sowie der Dichtung 9 begrenzt.
Der innere Ringraum wird beispielsweise durch die Hinterseite einer Trommelabdeckung 5, einer Dichtung 9, einer ersten Turbinenscheibe einer Rotordichtung 8 sowie den Wänden eines stromab einer Rotordichtung 8 liegenden Teils eines Ringkanals 7 begrenzt.
Die Dichtung 9 kann beispielsweise als Labyrinthdichtung 21 ausgeführt werden. Zur Aufnahme der Labyrinthdichtung 21 können beispielsweise, wie in
Die Rotorkühlluftzuführung 12 kann beispielsweise über ein Drallgitter 13 mit einem äusseren Ringraum 11 verbunden sein, dass die Rotorkühlluft tangential beschleunigt und damit den statischen Druck in einem äusseren Ringraum 11 absenkt. Von dem einen äusseren Ringraum 11 tritt die Rotorkühlluft in eine erste Turbinenscheibe ein. Ein Ringraum wird vor einer ersten Turbinenscheibe, d.h. der im wesentlichen ringförmige Raum zwischen Trommelabdeckung 5 und erster Turbinenscheibe, der durch eine Rotordichtung 8 eine Turbinenschaufelfussdichtung 24 abgeschlossen ist, durch eine Dichtung 9 in einen inneren 10 und äusseren Ringraum 11 geteilt. Diese Teilung erlaubt es, den inneren Ringraum 10 über eine Druckleitung 14 und ein Regelventil 15 mit Druckluft aus dem Kompressorplenum 2 zu beaufschlagen. Die Einleitung 16 der Druckluft in den inneren Ringraum 10 kann dabei über Bohrungen durch die Trommelabdeckung erfolgen oder, wie in
Der innere Ringraum 10 wird bei Teillast zur Erhöhung der Schubkraft durch öffnen des Regelventils 15 über die Druckleitung 14 und die Einleitung 16 mit Druck beaufschlagt. Über die Turbinenscheibendichtung 9 gelangt diese Luft zusammen mit der Leckageluft der Rotordichtung 8 in den äusseren Ringraum 11. Für die Regelung der Druckbeaufschlagung sind mehrere Möglichkeiten gegeben.
In
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die hier gezeigten und beschriebenen Ausführungen beschränkt. Beispielsweise können die Dichtungen (8 und/ oder 9) als Bürstendichtung ausgeführt sein.
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