Kaasuturbiinin polttoainesuuttimien virtausmittaus

Abstract

Tässä diplomityössä suunniteltiin ja rakennettiin kaasuturbiinin kaasusuuttimien virtausmittauslaitteisto. Suuttimien epätasainen toiminta kasvattaa kaasuturbiinin poistolämpötilahajontaa. Virtausmittauksien perusteella voidaan määrittää suuttimien efektiivinen virtauspoikkipinta-ala. Suuttimien asennusjärjestys opti-moidaan suuttimien välisten pinta-alaerojen mukaisesti, jolloin polttoainevirtaus polttokammioihin on mahdollisimman tasainen ja poistolämpötilahajonta pienenee.

Kaasuturbiinin MS6001 esittelyssä keskityttiin tärkeimpiin komponentteihin sekä polttoainesuuttimien testauksen kannalta oleellisiin osiin ja niiden toimintaan. Teoriaosuudessa tarkasteltiin tilavuusvirran sekä suutinvirtauksen laskennassa käytettäviä yhtälöitä. Mittalaitteiston suunnittelu ja toteutus olivat tämän työn laajin osa-alue. Laitteiston keskeiset osat ovat kuristuselin ja suutintestausosa. Kuristuselintyypiksi valittiin rengaskammiollinen kuristuslaippa, joka suun-niteltiin standardin SFS-EN ISO 5167:2003 mukaisesti. Standardissa annettujen yhtälöiden antamia tuloksia verrattiin numeerisella virtauslaskentamallilla lasket-tuihin tuloksiin. Suutinrunkojen ja -kärkien mittauksien suunnittelussa sovellettiin samaa standardia sekä numeerista virtauslaskentaa optimaalisen sijainnin löytämiseksi paineyhteelle. Mittauksissa syntyvien epävarmuuksien arviointiin kiinnitettiin erityistä huomiota.

Kokeellisessa osuudessa mitattiin yhden kunnostetun suuttimen, käytetyn suut-timen ja suutinrungon virtausta. Tuloksien perusteella laskettiin efektiiviset pinta-alat, joita verrattiin turbiinivalmistajan ilmoittamiin pinta-aloihin.

Lopuksi arvioitiin mittaustulosten perusteella laitteiston toimivuutta. Virhe-arvioinnin ja mittaustulosten perusteella laadittiin teknisiä parannusehdotuksia suutintestauslaitteiston luotettavan toiminnan varmistamiseksi.

The aim of this Master’s Thesis was to design and construct a nozzle flow test device for the gas fuel nozzles of a gas turbine. Exhaust temperature spreads rise due to the differences in the fuel nozzle performance. The effective nozzle area is calculated based on the flow measurement results. The nozzle assembly order can be optimized based on the results. Equalized fuel flow to the combustion system minimizes temperature spreads measured by the exhaust thermocouples.

In the introductory part, attention was directed both to the MS6001 gas turbines main components and the vital parts associated with nozzle flow testing. The theoretical part deals with the equations used in the volumetric flow and nozzle flow calculations. The main part of this work was the design and realization of the test equipment. The main parts of the test device are the orifice plate and the nozzle test section. An orifice plate with annular pressure tappings was chosen for flow measurement and it was designed based on the SFS-EN ISO 5167:2003 standard. Results of equations given in the standard were compared to the results achieved with numerical fluid calculations. The same standard was applied in the design of flow measurements for the nozzle body and tip. The location of the pressure tapping was optimized based on the numerical fluid calculations. Special consideration was drawn to the uncertainties in the measurements.

In the practical part, one repaired nozzle and one used nozzle with and without a nozzle body were measured. The effective areas were calculated based on the test results and then compared to the effective area values provided by the manufacturer.

In the end, the functionality of the test device was evaluated based on the results. Technical improvement suggestions based on the uncertainty analysis and flow measurement results were made to increase accuracy and the reliability of the nozzle flow test device.