DE10048789A1

DE10048789A1 - Strömungsmaschine und Verfahren zur Leistungssteigerung

Info

Publication number: DE10048789A1
Application number: DE2000148789
Authority: DE
Inventors: Erhard Liebig
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Switzerland GmbH
Priority date: 2000-10-02
Filing date: 2000-10-02
Publication date: 2002-04-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine sowie ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer Strömungsmaschine. Die Strömungsmaschine weist eine oder mehrere Abgasturbinen (5) auf, die durch die kinetische Energie der durch den Abgaskanal (3) der Strömungsmaschine (1) ausströmenden Abgase angetrieben werden. Weiterhin sind ein oder mehrere Booster-Gebläse (4) im Abgaskanal (3) vorgesehen, die durch die eine oder mehreren Abgasturbinen (5) angetrieben werden. DOLLAR A Mit der vorliegenden Erfindung lässt sich auf einfache Weise eine Leistungssteigerung einer Strömungsmaschine erreichen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungs maschine sowie ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer Strömungsmaschine, bei der sich an eine Turbinen stufe direkt oder über Zwischenelemente ein Abgaskanal anschließt, an dessen ausgangsseitigem Ende ein oder mehrere Abgasturbinen angeordnet sind, die durch die kinetische Energie von aus dem Abgaskanal ausströmenden Abgasen antreibbar ausgestaltet sind.

Die vorliegende Erfindung ist dabei insbesondere zur Steigerung der Leistung von Gasturbinenanlagen oder Kombianlagen geeignet.

Stand der Technik

Zur Steigerung des Wirkungsgrades oder der Leistung von Gasturbinenanlagen sind unterschiedliche Techniken bekannt. Bei vielen bekannten Verfahrens techniken werden die aus der Turbine austretenden heißen Abgase einer Wärmerückgewinnungsstufe zugeführt, um die in den Abgasen noch enthaltende Wärmeenergie auszunutzen. Mit dieser Wärmeenergie kann beispiels weise eine Vorwärmung von in die Brennkammer ein tretenden Arbeitsmitteln oder die Erzeugung von Dampf für den Antrieb einer zusätzlichen Dampfturbine realisiert werden.

Eine Möglichkeit zur Leistungssteigerung einer Gasturbinenanlage besteht in der Anordnung von einem oder mehreren Booster-Gebläsen im Abgaskanal der Gas turbine. Diese so genannten Exhaust-Gas-Booster führen zu einer Absenkung des Druckes im Abgaskanal und somit zu einer Vergrößerung des Expansionsgefälles der aus der Turbine austretenden Heißgase. Diese Vergrößerung des Expansionsgefälles führt zu einer Leistungs steigerung der Gasturbinenanlage.

Die Booster-Gebläse müssen hierbei allerdings durch gesonderte elektrische Antriebe angetrieben werden. Sie können insbesondere in Spitzenlastzeiten sowie bei Notwendigkeit der Bereitstellung einer zusätzlichen Reserveleistung zugeschaltet werden. Weiterhin dienen sie zur Verringerung von Abgasdruck verlusten in Zusammenhang mit dem Einsatz von Abhitze kesseln, Katalysatoren u. ä. Mit derartigen Booster- Systemen lässt sich jedoch der Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage aufgrund der Notwendigkeit des zusätzlichen elektrischen Antriebes nicht wesentlich verbessern.

Eine weitere Technik zur Steigerung des Wirkungs grades bzw. der Leistung einer Gasturbinenanlage nutzt die in den Abgasen enthaltene kinetische Energie, um zusätzliche elektrische Energie bereitzustellen. Hierbei wird am Ende des Abgaskanals, der in der Regel als Abgaskamin ausgestaltet ist, eine Windturbine angebracht, die durch die austretende Abgasströmung angetrieben wird. Die Austrittsgeschwindigkeit der Abgase liegt bei bekannten Gasturbinenanlagen in der Regel zwischen (10)15 und 20(30) m/s. Diese durch die Abgase angetriebene Abgasturbine bzw. Windturbine ist mit einem Generator verbunden, um hierdurch elektrische Energie bereitzustellen. Mit einer derartigen Zusatz einrichtung lassen sich somit die elektrische Leistung und auch der Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage steigern.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Strömungsmaschine sowie ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer Strömungsmaschine, insbeson dere einer Gasturbinenanlage, anzugeben, welche bei geringem Aufwand und ohne zusätzlichen Energieeinsatz auch einen erhöhten Wirkungsgrad ermöglichen.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Strömungsmaschine gemäß Patentanspruch 1 bzw. mit dem Verfahren gemäß Patent anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Strömungsmaschine sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Strömungsmaschine weist sowohl ein oder mehrere Abgasturbinen als auch ein oder mehrere Booster-Gebläse auf, die über die ein oder mehreren Abgasturbinen angetrieben werden. Die Abgasturbinen sind hierbei derart ausgestaltet und dimensioniert, dass sie am Austritt der Abgase aus dem Abgaskanal einer Strömungsmaschine anbringbar sind und durch die ausströmenden Abgase angetrieben werden können. Die ein oder mehreren Booster-Gebläse sind für den Einbau in den Abgaskanal der Strömungsmaschine ausgebildet.

Durch die Kombination von Abgasturbinen mit Booster-Gebläsen kann eine permanente Leistungs steigerung bzw. Wirkungsgraderhöhung der Strömungs maschine erreicht werden, ohne zusätzliche externe Energie oder durch die Turbinenstufe erzeugte Leistung für die Booster-Gebläse aufbringen zu müssen. Die vor liegende Kombination der beiden Komponenten, der Abgas- bzw. Windturbine und des Exhaust-Gas-Boosters, wurde bisher im Stand der Technik nicht in Erwägung gezogen. Beide Komponenten dienten bei bekannten Anwendungen unterschiedlichen Anwendungszwecken und wurden daher jeweils nur einzeln und unabhängig voneinander einge setzt. Mit der vorliegenden Kombination, bei der die Booster-Gebläse durch die Abgasturbine angetrieben werden, lässt sich in vorteilhafter Weise eine Leistungs- und Wirkungsgraderhöhung der Strömungs maschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, bei gleichzeitiger Kostenreduktion erreichen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Strömungsmaschine werden die Booster- Gebläse durch mechanische Kopplung mit den Abgas turbinen angetrieben. Die mechanische Kopplung wird vorzugsweise durch eine gemeinsame Welle oder ein Getriebe realisiert. Erforderlichenfalls kann zwischen Abgasturbine und Booster-Gebläse eine Kupplung zum Einsatz kommen. Durch diese sehr vorteilhafte Ausgestaltung ist kein Generator mehr erforderlich, über den die Windturbine elektrische Leistung erzeugen muss. Weiterhin fallen die elektrischen Antriebe und die elektrische Anspeisung für die Booster-Gebläse sowie die erforderlichen Regelungen weg. Diese bevorzugte Ausgestaltung bringt somit eine deutliche Einsparung an elektrischen Komponenten und eine Vereinfachung der Betriebsweise einer derartigen Anordnung. Die Booster-Gebläse werden hierbei direkt durch die Rotation der Wind- bzw. Abgasturbine angetrieben.

Bei der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine sind die ein oder mehreren die Abgasturbinen am ausgangs seitigen Ende des Abgaskanals vorgesehen. Die ein oder mehreren Booster-Gebläse sind zwischen der(den) Abgasturbine(n) und der Turbinenstufe im Abgaskanal angeordnet. Hierbei können zwischen den Booster- Gebläsen und der Turbinenstufe Zwischenelemente, insbesondere eine Stufe zur Wärmerückgewinnung, wie beispielsweise ein Abhitzekessel, vorgesehen sein.

Es versteht sich von selbst, dass die vorliegende Kombination von Abgasturbinen mit Booster-Gebläsen nicht nur bei Gasturbinenanlagen, sondern auch bei anderen Strömungsmaschinen einsetzbar ist. Der sonstige Aufbau der Strömungsmaschinen vor Eintritt der heißen Gase in die Turbinenstufe ist hierbei unterheblich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Strömungsmaschine wird nachfolgend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Figur nochmals kurz erläutert.

Die einzige Figur zeigt hierbei schematisch eine Gasturbinenanlage, bei der die vorliegende Kombination von Abgasturbinen mit Booster-Gebläsen eingebaut ist.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Figur zeigt eine Gasturbinenanlage 1, die in üblicher Weise eine Kompressionsstufe 1a, eine Brenn kammer 1c sowie eine Turbinenstufe 1b aufweist. Dieser Aufbau ist dem Fachmann bekannt und in der Figur nicht im Detail dargestellt.

Die Verbrennungsgase werden über den Ansaugkanal 7 angesaugt, in der Kompressionsstufe 1a komprimiert und anschließend mit Brennstoff vermischt. Nach der Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches in der Brennkammer 1c strömen die komprimierten heißen Abgase durch die Turbinenstufe 1b und treiben diese unter Expansion zur Energieerzeugung an. Nach Austritt der heißen Abgase aus der Turbinenstufe 1b werden sie im vorliegenden Beispiel durch einen Abhitzekessel 2 geführt, in dem den heißen Abgasen Wärme zur Erzeugung von Dampf entzogen wird. Dieser Heißdampf kann zum Antrieb einer hier nicht dargestellten Dampfturbine eingesetzt werden. Im Anschluss an den Abhitzekessel 2 schließt sich der Abgaskanal 3 an, über den die Abgase in die Atmosphäre entlassen werden. Der Abgaskanal 3 ist im vorliegenden Fall als Kamin ausgestaltet, an dessen Ausgang die Abgasturbine 5 angeordnet ist. Diese Abgasturbine 5 ist in Form einer Windturbine ausge staltet, wie sie aus dem Bereich der Windkrafterzeugung bekannt ist. Sie wird durch die aus dem Kamin aus strömenden Abgase angetrieben, die eine hohe kinetische Energie aufweisen. Die Abgasturbine 5 sitzt auf einer gemeinsamen Welle 6 mit einem Exhaust-Gas-Booster 4, der innerhalb des Kamins 3 angeordnet ist.

Die über den Kamin 3 austretenden Abgase geben somit einen Teil ihrer kinetischen Energie an die Abgasturbine 5 ab. Durch die Rotation der Abgasturbine 5 wird über die Welle 6 das Booster-Gebläse 4 ange trieben, das eine Erhöhung des Expansionsgefälles über der Turbinenstufe 1b erzeugt und somit eine Leistungs steigerung der Gasturbinenanlage bewirkt. Hierbei muss keine von der Turbinenstufe bereitgestellte Leistung abgezweigt werden.

Durch diese Ausgestaltung lässt sich auf einfache Weise ohne zusätzliche elektrische Antriebe oder Generatoren eine Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung der Gasturbinenanlage erreichen.

Selbstverständlich können parallel mehrere Abgas turbinen 5 mehrere Booster-Gebläse 4 antreiben. Auch können über zwischengeschaltete Getriebe durch eine Abgasturbine 5 mehrere Booster-Gebläse 4 bzw. durch mehrere Abgasturbinen 5 ein Booster-Gebläse 4 angetrieben werden. Hinsichtlich der Kombinationen von Abgasturbinen 5 und Exhaust-Gas-Boostern 4 gibt es keinerlei Einschränkungen.

Bezugszeichenliste

1

Gasturbinenanlage

1

a Kompressionsstufe

1

b Turbinenstufe

1

c Brennkammer

2

Abhitzekessel

3

Abgaskanal, Kamin

4

Exhaust-Gas-Booster, Booster-Gebläse

5

Abgasturbine, Windturbine

6

gemeinsame Welle

7

Ansaugkanal

Claims

1. Strömungsmaschine, bei der sich an eine Turbinen stufe (1b) direkt oder über Zwischenelemente (2) ein Abgaskanal (3) anschließt, an dessen ausgangs seitigem Ende ein oder mehrere Abgasturbinen (5) angeordnet sind, die durch die kinetische Energie von aus dem Abgaskanal (3) ausströmenden Abgasen antreibbar ausgestaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgaskanal (3) zwischen der(den) Abgas turbine(n) (5) und der Turbinenstufe (1b) ein oder mehrere Booster-Gebläse (4) angeordnet sind, die durch die Abgasturbine(n) (5) angetrieben werden.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Booster-Gebläse (4) mit der(den) Abgasturbine(n) (5) mechanisch gekoppelt sind.

3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Booster-Gebläse (4) mit der(den) Abgasturbine(n) durch eine Welle (6) mit oder ohne Getriebe verbunden sind.

4. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ein oder mehreren Booster- Gebläsen (4) und der(den) Abgasturbine(n) (5) ein oder mehrere Kupplungen vorgesehen sind.

5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Abgaskanal (3) und der Turbinen stufe (1b) ein Wärmerückgewinnungssystem (2) als Zwischenelement vorgesehen ist.

6. Verfahren zur Leistungssteigerung einer Strömungs maschine, bei dem an einem ausgangsseitigem Ende eines Abgaskanals (3), der sich an eine Turbinenstufe (1b) direkt oder über Zwischenelemente (2) anschließt, ein oder mehrere Abgasturbinen (5) angeordnet und in den Abgaskanal (3) zwischen der(den) Abgas turbine(n) (5) und der Turbinenstufe (1b) ein oder mehrere Booster-Gebläse (4) eingebracht werden, wobei die Booster-Gebläse (4) durch die Abgas turbine(n) (5) angetrieben werden.