CH697812A2

CH697812A2 - Vorrichtung und Verfahren zur Druckbeaufschlagten Einlass-Verdampfungskühlung von Gasturbinenmotoren.

Info

Publication number: CH697812A2
Application number: CH01331/08A
Authority: CH
Inventors: Rahul J Chillar; Douglas Scott Byrd
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2007-08-22
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2009-02-27
Also published as: CH697812B1; CN101382088A; US20090053040A1; JP2009047169A; US8360711B2; DE102008039048A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Kühlen von Luft für einen Einlass (9) einer Gasturbine geschaffen und diese schliesst eine Druckwasserverrohrungs- und Düsenvorrichtung (17) zur Erzeugung eines Wassersprühnebels (13) in eine Luftströmung zu dem Einlass (9); und ein Verdampfungsmedium (14) ein, um den Sprühnebel (13) aufzunehmen und eine Druckbeaufschlagung der Luft in der Luftströmung zu bewirken.

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

[0001] Die Lehren im vorliegenden Dokument betreffen Gasturbinenmotoren, und insbesondere ein druckbeaufschlagtes Verdampfungskühlersystem zur Gasturbineneinlasskühlung.

Beschreibung des relevanten Standes der Technik

[0002] Ein typisches Verdampfungskühlsystem für einen Gasturbinenmotor ist in einem Einlassfiltergehäuse für die Gasturbine angeordnet und befindet sich unterstromig der Filterelemente. Die Funktion des Verdampfungskühlersystems besteht darin, die Leistungsabgabe von dem Motor durch Kühlung der Einlassluft zu der Maschine durch Verdampfung von Wasser zu erhöhen. Ein typisches Verdampfungskühlermodul für eine Gasturbine schliesst ein: eine äussere Verdampfungskühlerschale; ein Verdampfungskühlmedium-Kissen; Verrohrung zur Wasserverteilung sowie einen Sumpf.

Ausführungsformen der Wasserverteilungs- und Sammelsysteme versorgen das Medium mit zur Verdampfungskühlung erforderlichem Wasser. Einige Ausführungsformen schliessen des Weiteren ein Tropfenabscheidersystem unterstromig des Verdampfungskühlersystems ein, um jeglichen Wasserübertrag von dem Medium in den Gasturbinenmotor hinein zu verhindern.

[0003] In einem herkömmlichen Verdampfungskühlersystem strömt Wasser über das Verdampfungskühlermedium von der Oberseite des Medienkissens bis zum Boden. Dieses Wasser sättigt das Medium von oben nach unten. Umgebungsluft, die durch Einlassfilter gefiltert wurde, strömt durch das Verdampfungskühlermedium, und dabei verdampft das Wasser. Dies lässt die Umgebungsluft abkühlen, bevor sie in die Turbine eintritt.

Wasser, das nicht in dem Medium verdampft, sickert durch das poröse Medienkissen und wird in dem Sumpf am Boden des Mediums gesammelt. Dieses Wasser wird durch das Medium rezirkuliert.

[0004] Während der Einsatz eines Verdampfungskühlsystems den Wirkungsgrad der Gasturbine erhöht, verursacht die Anordnung des Systems und anderer Komponenten vor dem Einlass der Gasturbine dennoch einen Druckabfall, der eine Last auf die Turbine erzeugt.

[0005] Typische Werte für den Druckabfall an einem Gasturbineneinlass variieren von einem Zoll Wassersäule bis zu sechs Zoll Wassersäule. Dieser Einlasswiderstand reduziert die Leistungsabgabe von einer Gasturbine. Typischerweise resultiert ein Druckeinfall am Einlass in Höhe von einem Zoll in Verlusten bei der Leistungsabgabe von 1,0 bis 2,0 MW für einen Gasturbinenmotor industrieller Grösse.

Wenn der Druckabfall über das Einlassfiltergehäuse reduziert werden kann, könnte der Gasturbinenmotor mehr Leistung erzeugen.

[0006] Fig. 1 stellt ein typisches Eintrittsfiltrationssystem einer Gasturbine nach dem Stand der Technik dar, mit einem Verdampfungskühlermodul unterstromig der Filterelemente. Darüber hinaus wird eine Darstellung des Verdampfungskühlermediums sowie eine Seitenansicht des Verdampfungskühlersystems gegeben. Das Filtrationsmodul vor dem Verdampfungskühler schliesst typischerweise eine Vielzahl von Luftfiltern ein.

[0007] Fig. 2 gibt eine dreidimensionale (3D) Ansicht eines Verdampfungskühlersystems nach dem Stand der Technik mit einem Verdampfungskühlermedium wieder. Unterstromig des Mediums sind die Tropfenabscheider dargestellt, die jegliches Wasser entfernen, das möglicherweise über das Medium hinaus weiter getragen wird.

Fig. 3 ist eine stark schematisierte Darstellung, die Aspekte des Verdampfungskühlsystems nach dem Stand der Technik wiedergibt, und zeigt einen Mechanismus zur Wasserverteilung, die hier von oben auf das Medium erfolgt. Diese Darstellung gibt eine detaillierte Ansicht des Verdampfungskühlermediums wieder, welche eine Wasserströmung von oben und eine seitliche Luftströmung zeigt.

[0008] Dementsprechend werden Techniken zur Schaffung einer Einlasskühlung für eine Gasturbine, wie etwa die im vorliegenden Dokument offenbarten Techniken, benötigt, während die Last, die durch Kühlsysteme nach dem Stand der Technik geschaffen wird, beschränkt,

reduziert oder beseitigt wird.

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0009] In einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung zum Kühlen von Luft für einen Einlass einer Gasturbine geschaffen und umfasst eine Druckwasserverrohrungs- und Düsenvorrichtung zur Erzeugung eines Wassersprühnebels in eine Luftströmung zu dem Einlass und ein Verdampfungsmedium, um den Sprühnebel aufzunehmen und eine Druckbeaufschlagung der Luft in der Luftströmung zu bewirken.

[0010] In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Aufladung eines Einlasses einer Gasturbine geschaffen und schliesst ein: das Einsprühen von Wasser in eine Luft-Strömung oberstromig des Einlasses;

und das Bewirken einer Druckbeaufschlagung der Luft in der Luftströmung.

[0011] In einer weiteren Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Erhöhung des Ausgabewirkungsgrades einer Gasturbine geschaffen und schliesst Mittel zur Druckbeaufschlagung von Luft an einem Einlass zu der Gasturbine durch Einsprühen von Wasser in die Luftströmung für den Einlass ein.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0012] Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in welchen gleiche Elemente innerhalb der verschiedenen Figuren gleich bezeichnet sind, wobei:
<tb>Fig. 1A, Fig. 1B und Fig. 1C<sep>die im vorliegenden Dokument zusammen als Fig. 1 bezeichnet werden, Aspekte eines Verdampfungskühlsystems nach dem Stand der Technik darstellen;

<tb>Fig. 2 und Fig. 3<sep>weitere Aspekte des Systems von Fig. 1 nach dem Stand der Technik darstellen;

<tb>Fig. 4<sep>einen Überblick über ein Verdampfungs-Sprühnebelsystem nach den Lehren des vorliegenden Dokuments gibt;

<tb>Fig. 5<sep>weitere Aspekte des Verdampfungs-Sprühnebelsystems von Fig. 4 zeigt; und

<tb>Fig. 6A und Fig. 6B<sep>die im vorliegenden Dokument zusammen als Fig. 6 bezeichnet werden, Ausführungsformen von Sprühnebelmustern darstellen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0013] Im vorliegenden Dokument wird ein druckbeaufschlagtes Verdampfungskühlsystem für einen Gasturbinenmotor offenbart. Das druckbeaufschlagte Verdampfungskühlsystem sorgt für eine verbesserte Leistung im Vergleich zu Verdampfungskühlsystemen nach dem Stand der Technik, indem die Last auf die Gasturbine, die durch Kühlsysteme nach dem Stand der Technik geschaffen wird, eingeschränkt und/oder reduziert und/oder beseitigt wird.

[0014] Nunmehr Bezug nehmend auf Fig. 4 wird dort eine beispielhafte Ausführungsform des druckbeaufschlagten Verdampfungskühlsystems 10 gezeigt.

In dem druckbeaufschlagten Verdampfungskühlsystem 10 ist eine Vielzahl von Wassersprühdüsen 12 zur Luftaufladung enthalten, die jeweils zur Erzeugung eines Wassersprühnebels 13 zur Luftaufladung dienen. Jeder der Wassersprühnebel 13 zur Luftaufladung ist in ein Verdampfungsmedium 14 mit niedrigem Druckgradienten hinein gerichtet. Unterstromig des Verdampfungsmediums 14 mit niedrigem Druckgradienten ist auch ein Tropfenabscheider 15 enthalten. Der Tropfenabscheider sorgt unter anderem dafür, dass ein Wasserübertrag aus dem Verdampfungsmedium 14 mit niedrigem Druckgradienten in einen Einlass 9 der Gasturbine hinein verhindert wird.

[0015] Wasser zur Verdampfung wird unter Verwendung der Düsen 12 auf das Verdampfungsmedium 14 mit niedrigem Druckgradienten gesprüht. Das Sprühwasser wirbelt das Medium auf und befeuchtet es, was eine Kühlung der Luft bewirkt.

Darüber hinaus drückt das Sprühwasser Einlassluft in den Luftstrom zu dem Einlass 9 hinein, wodurch der Gasturbineneinlass mit Druck beaufschlagt wird.

[0016] In Fig. 4 sind zwei Konusse 16 aus Wasser gezeigt, die von einer Druckwasserverrohrungs- und Düsenvorrichtung 17 versprüht werden. Die Druckwasserverrohrungs- und Düsenvorrichtung 17 schliesst im Allgemeinen eine Pumpe, eine Verrohrung zur Verteilung, Durchflussregler, die Düsen 12 sowie weitere Komponenten ein, die zur Erzeugung des Wassersprühnebels 13 von Nutzen sind. Der Wassersprühnebel 13 kann in Form der Konusse 16, oder aber in einer beliebigen anderen Form verwirklicht werden. In dieser Ausführungsform werden die Konusse 16 in einer Richtung der Luftströmung in den Luftströmungspfad hinein auf das Verdampfungsmedium 14 mit niedrigem Druckgradienten versprüht.

Wenn das Verdampfungsmedium 14 mit niedrigem Druckgradienten mit Wasser besprüht wird, wird es mit Wasser gesättigt, und während die Luft über das Medium strömt, bewirkt dies eine Kühlung der Luft. Die so gekühlte Luft tritt dann in den Einlass 9 der Turbine ein. Darüber hinaus drückt der Sprühnebel 13 aus Wasser die Luft zu dem Einlass 9 hin. Dementsprechend nehmen sowohl die Geschwindigkeit als auch der Druck der Luft zu und resultieren zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Gasturbine.

Der Impuls von dem Wassersprühnebel 13 wird zumindest zum Teil von den Wasserfächern an den Luftstrom übertragen und bewirkt so den Anstieg des Luftdrucks.

[0017] Bei der Konstruktion des druckbeaufschlagten Verdampfungskühlsystems 10 können der gewünschte Grad an Druckbeaufschlagung sowie beliebige damit zusammenhängende Eigenschaften in Betracht gezogen und berücksichtigt werden.

[0018] Das Verdampfungsmedium 14 mit niedrigem Druckgradienten ist für das Zusammenwirken mit dem Sprühnebelsystem ausgelegt. Zum Beispiel sorgt das Verdampfungsmedium 14 mit niedrigem Druckgradienten für verbesserte Eigenschaften bezüglich Druckabfall versus Luftgeschwindigkeit sowie für eine bessere Befeuchtungsfähigkeit. So wird das erzielte Ausmass an Kühlung gesteigert.

In dem Verdampfungsmedium 14 mit niedrigem Druckgradienten strömen sowohl das Wasser als auch die Luft in die Richtung des Einlasses 9. In einigen Ausführungsformen strömt das Wasser im Allgemeinen in der Richtung des Luftstroms, während überschüssiges Wasser aus dem Medium heraus, z.B. abwärts, weiterläuft (wie dies durch Schwerkraftsammlung am Sumpf 18 verwirklicht sein kann).

[0019] Im Gegensatz dazu strömen in Konstruktionen nach dem Stand der Technik Wasser und Luft mit verschiedenen Winkeln, typischerweise in Kanälen. Dazu sei auf Fig. 1B verwiesen, wo das Wasser in einem abwärts gerichteten Winkel von 45 deg. strömt und die Luft in einem abwärts gerichteten Winkel von 15 deg. strömt. Diese Konstruktion nach dem Stand der Technik verursacht eine Erhöhung des Druckabfalls mit zunehmender Geschwindigkeit.

Wie in Fig. 4 dargestellt, wird das Problem des Standes der Technik durch die hier vorgestellte Medienanordnung beseitigt. Dieses Problem wird zumindest zum Teil auf Grund von Änderungen der Luftströmungswinkel und Wasserströmungswinkel gelöst. Das druckbeaufschlagte Verdampfungskühlsystem 10 kann jedoch mit jedem dieser Typen von Verdampfungsmedium sowie mit weiteren Typen betrieben werden, die im Stand der Technik bereits bekannt sind oder noch entwickelt werden.

[0020] Die Lehren im vorliegenden Dokument schaffen eine Verringerung des Druckabfalls in dem Verdampfungskühlsystem 10, um so "Ladeluft" oder eine "positive Druckbeaufschlagung" für einen Gasturbineneinlass 9 zu schaffen, was zu erhöhter Leistung des Gasturbinenmotors führt. Die Druckbeaufschlagung kompensiert zumindest zum Teil den an dem Einlass durch die Gasturbine erzeugten Ansaugdruck.

Dies resultiert in erhöhter Leistungsabgabe und einem erhöhten Wirkungsgrad des Gasturbinenmotors. Die von der Druckwasserverrohrungs- und Düsenvorrichtung 17 verbrauchte Pumpenergie ist viel geringer als die Leistungssteigerung, die durch Hineindrücken der Luft in den Turbineneinlass 9 von dem Gasturbinenmotor erzielt wird. Somit wird eine erhöhte Leistungsabgabe von der Gasturbine verwirklicht.

[0021] Der Einfachheit halber soll hier der Begriff "Einlass" alle Anlagenteile einschliessen, die oberstromig eines Kompressors der Gasturbine angeordnet werden können. Solche Anlagenteile können z.B. Schalldämpferplatten und einen Zapflufterhitzer einschliessen.

Dementsprechend ist der Begriff "Einlass" nicht auf eine Einspeisung in den Kompressor der Gasturbine begrenzt.

[0022] Die Sprühmuster des Wassers bzw. der Wasserfächer kann modifiziert werden, um die Luft möglichst effektiv voranzudrücken. Mit anderen Worten ist das Sprühmuster nicht auf konische Sprühnebel, konvexe Sprühnebel, Wasserfächer oder andere im vorliegenden Dokument offenbarte Muster beschränkt.

[0023] Fig. 5 zeigt einen Wasserfächer 21, der Luft in den Einlass 9 hinein drückt. In naheliegender Weise kommen mehrere Konfigurationen aus Düsen 12, Wasserflussrate und Düsenwasserdruck in Frage, um das gewünschte Ausmass an Druckverstärkung am Einlass 9 zu erreichen.

Der Wasserfächer 21 kann konisch oder konvex (wie in Fig. 5 abgebildet) sein oder eine beliebige Form annehmen, die für geeignet gehalten wird.

[0024] In einer weiteren Ausführungsform schliesst das druckbeaufschlagte Verdampfungskühlsystem 10 einen Luftwäscher mit Wassersprühern ein. Zusätzlich zu den anderen in diesem Dokument beschriebenen Funktionen wäscht der abwärts gerichtete Sprühnebel Schmutz und Partikel aus der einströmenden Luft aus. Es ist anzumerken, dass in dieser Ausführungsform der Sprühnebel senkrecht zu der Luftströmung verläuft, während er in einigen anderen Ausführungsformen im Allgemeinen parallel ist.

Dementsprechend kann der Sprühnebel mit einem Winkel oder einer Kombination von Winkeln vorgesehen sein, wobei der Sprühnebel im Verhältnis zu der Luftströmung parallel, senkrecht oder abgewinkelt ist.

[0025] Fig. 6 stellt das druckbeaufschlagte Verdampfungskühlsystem 10 dar, wobei die Wassersprühnebel 21 / 22 die gesamte Fläche eines Filtergehäuses abdecken. In Fig. 6A sind die Wassersprühnebel 21 auf das Medium 14 und die Düsen 12 über die Fläche des Filtergehäuses verteilt angeordnet. Die Geometrie sorgt für eine vollständige Abdeckung des Mediums 14 des Verdampfungskühlsystems 10.

Fig. 6B gibt eine Seitenansicht des Systems von Fig. 6A wieder.

[0026] In dieser Darstellung tritt heisse Luft links von dem Filtrationssystem ein, kühlt beim Passieren des Verdampfungskühlsystems 10 ab und tritt dann in den Kompressor ein.

[0027] Es versteht sich, dass eine Reihe von verschiedenen Anordnungen der Medien 14 und der Tropfenabscheider möglich ist.

Zum Beispiel sind die Düsen 12 nicht auf ein einzelnes flaches Array begrenzt und können in vielen flachen Arrays angeordnet werden, wobei dazwischen ein Medium und/oder Tropfenabscheider eingesetzt wird.

[0028] Neben den verschiedenen dadurch geschaffenen Vorteilen sorgt das Verdampfungskühlsystem 10 für folgende Vorteile: das Filtergehäuse kann auf Bodenniveau gehalten werden, im Vergleich zu Konstruktionen nach dem Stand der Technik ist ein kleineres Filtergehäuse ausreichend, freie Leistungssteigerung (zum Beispiel eine Steigerung um 80% im Vergleich zu einem Sättigungs-Verdampfungskühler nach dem Stand der Technik);

Verringerung der Belagsbildung sowie der Salze und Verunreinigungen und verbesserte Lebensdauer der Filter.

[0029] Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können bzw. Elemente darin durch Gleichwertiges ersetzt werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Darüber hinaus können viele Änderungen an der Lehre dieser Erfindung zur Anpassung an eine bestimmte Situation oder an ein bestimmtes Material vorgenommen werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.

Daher ist nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die spezielle Ausführungsform zu beschränken, die als beste in Erwägung gezogene Art der Ausführung der Erfindung offenbart wurde, sondern die Erfindung soll alle Ausführungsformen einschliessen, die in den Schutzbereich der folgenden Ansprüche fallen.

Claims

1. Vorrichtung zur Kühlung von Luft für einen Einlass (9) einer Gasturbine, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Druckwasserverrohrungs- und Düsenvorrichtung (17) zur Erzeugung eines Wassersprühnebels (13) in eine Luftströmung zu dem Einlass (9); und ein Verdampfungsmedium (14), um den Sprühnebel (13) aufzunehmen und eine Druckbeaufschlagung der Luft in der Luftströmung zu bewirken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verdampfungsmedium (14) ein Verdampfungsmedium (14) mit niedrigem Druckgradienten umfasst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei Wasser in dem Verdampfungsmedium (14) in einer Richtung der Luftströmung und/oder einer Richtung der Schwerkraft strömt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verdampfungsmedium (14) ein Medium mit Kanälen umfasst, die eine Strömung in einem aufwärts gerichteten Winkel und in einem abwärts gerichteten Winkel erzeugt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend zumindest einen Tropfenabscheider (15).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Tropfenabscheider (15) entweder oberstromig oder unterstromig einer Düse (12) in der Druckwasserverrohrungs- und Düsenvorrichtung (17) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine Konstruktion der Düsen (12) der Druckwasserverrohrungs- und Düsenvorrichtung (17), die entweder ein konisches Sprühmuster, ein konvexes Sprühmuster, einen Luftwäscher oder einen Wasserfächer (21) erzeugen.

8. Verfahren zur Aufladung eines Einlasses einer Gasturbine, wobei das Verfahren umfasst: das Einsprühen von Wasser in eine Luftströmung oberstromig des Einlasses (9); und das Bewirken einer Druckbeaufschlagung der Luft in der Luftströmung.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Druckbeaufschlagung einen Saugdruck an dem Einlass (9) der Gasturbine kompensiert.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Sprühen die Erzeugung eines Musters aus einem konischen Wassersprühnebel und/oder einem Wasserfächer und/oder einem Luftwäscher und/oder einem konvexen Wassersprühnebel (21) umfasst.