DE102005042889A1

DE102005042889A1 - Gasturbogruppe

Info

Publication number: DE102005042889A1
Application number: DE102005042889A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Althaus
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2025-09-10
Also published as: JP2009508037A; JP4909349B2; DE102005042889B4; WO2007028693A1; US7568335B2; US20080173005A1

Abstract

Bei einer Gasturbogruppe, welche einen Verdichter (1), eine erste Brennkammer (3), eine erste Turbine (4), eine zweite Brennkammer (5) und eine zweite Turbine (6) umfasst, werden die erste Brennkammer stromab des Verdichters, DOLLAR A die erste Turbine stromab der ersten Brennkammer, DOLLAR A die zweite Brennkammer stromab der ersten Turbine DOLLAR A und die zweite Turbine stromab der zweiten Brennkammer angeordnet, DOLLAR A wobei die zweite Brennkammer eine konvektiv gekühlte Wand aufweist. DOLLAR A Eine Kühlluftzuführung (8) für die zweite Brennkammer zweigt stromab des Verdichters und stromauf der ersten Brennkammer aus dem Hauptströmungsweg der Gasturbogruppe ab. Eine Rückführung (10) für erwärmte Kühlluft mündet von der zweiten Brennkammer stromauf der ersten Turbine in den Hauptströmungsweg.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbogruppe gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der EP 620 362 ist eine Gasturbogruppe mit sogenannter sequenzieller Verbrennung bekannt geworden. Bei dieser Gasturbogruppe ist stromab einer ersten Brennkammer eine erste Turbine angeordnet, und stromab der ersten Turbine ist eine zweite Brennkammer und stromab davon eine zweite Turbine angeordnet. Dabei ist die zweite Brennkammer als sogenannte selbstzündende Brennkammer ausgeführt. Die Kühlung einer derartigen Brennkammer ist in der EP 669 500 beschrieben. Dort ist die Brennkammerwand konvektiv gekühlt. Die Kühlluft wird auf dem Druckniveau der zweiten Brennkammer in die Hauptströmung der Gasturbogruppe eingebracht. Die WO 03/038255 hat diesbezüglich eine Gasturbogruppe beschrieben, bei der die zweite Brennkammer oder Niederdruckbrennkammer mit Luft gekühlt wird, welche in einer Zwischenstufe des Verdichters entnommen wird. Das heisst, die Luft, die zur Kühlung der zweiten Brennkammer verwendet wird, wird bei reduziertem Druck bereitgestellt, wobei dieser Druck dem Druck in der zweiten Brennkammer und stromab der zweiten Brennkammer angepasst ist. In der WO 03/038255 sind Betriebszustände der Gasturbogruppe beschrieben, bei denen sich der Druckaufbau innerhalb des Verdichters verschiebt, und die Zwischenentnahme von Kühlluft bei vermindertem Druck aus dem Verdichter problematisch sein kann.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt gemäss einem Aspekt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbogruppe der eingangs genannten Art derart anzugeben, dass eine Alternative zum Stand der Technik geschaffen wird. Gemäss einem spezifischeren Aspekt der Erfindung soll eine Weiterbildung des Standes der Technik angegeben werden. Eine weitere der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden die Kühlung der zweiten Brennkammer so auszuführen, dass eine erhöhte Leistung und ein verbesserter Wirkungsgrad der Gasturbogruppe erreicht wird. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, den Massenstrom und den Volumenstrom im Hochdruckteil der Gasturbogruppe und insbesondere in den Endstufen des Verdichters zu erhöhen. Eine weitere Wirkung, die mittels der Erfindung erreicht wird, ist, bei einer Vormischverbrennung in der ersten Brennkammer durch eine Vorwärmung der Verbrennungsluft die Verbrennungsstabilität zu erhöhen und/oder die Stickoxidbildung zu vermindern. Eine weitere Wirkung der Erfindung ist, die Anordnung einer Zwischenentnahmestelle des Verdichters zu umgehen.

Erreicht wird dies mit der im Anspruch 1 beschriebenen Gasturbogruppe.

Bei der im Anspruch 1 beschriebenen Gasturbogruppe wird die Kühlluft für die zweite Brennkammer stromab des Verdichters und stromauf der ersten Brennkammer aus dem Hauptströmungsweg der Gasturbogruppe entnommen. Diese Kühlluft wird dann zur zweiten Brennkammer der Gasturbogruppe geführt, und überströmt die der Verbrennungszone abgewandte Oberfläche der Brennkammerwand der zweiten Brennkammer. Dabei wird die Brennkammerwand konvektiv gekühlt, indem die überströmende Kühlluft Wärme aus der Brennkammerwand aufnimmt. Die Kühlluftströmung wird in einer Ausführungsform der Erfindung im Gegenstrom zur im Inneren der Brennkammer strömenden Heissgasströmung beziehungsweise Reaktionsströmung geführt. Dabei erwärmt sich die Kühlluft. Nach erfolgter Kühlung wird die verbrauchte Kühlluft stromauf der ersten Turbine wieder in den Hauptströmungsweg der Gasturbogruppe eingeleitet. Auf diese Weise wird die unter Druck befindliche und erwärmte Kühlluft bestmöglich zur Erzeugung mechanischer Leistung verwendet. Insbesondere wird auch die der zweiten Brennkammer entzogene Wärme zur Leistungsgewinnung eingesetzt.

In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Rückführung der Kühlluft in die erste Brennkammer oder stromauf der ersten Brennkammer. Damit steht der Verbrennung in der ersten Brennkammer mehr Luft zur Verfügung, woraus einerseits ein höherer Leistungsumsatz und andererseits eine schadstoffärmere Verbrennung resultiert. Auch verbessert die Erwärmung der Verbrennungsluft durch die Zumischung der aufgeheizten Kühlluft gegebenenfalls die Verbrennungsstabilität in der ersten Brennkammer, insbesondere, wenn diese mit Vormischbrennern und einem mageren Brennstoff-Luft-Gemisch betrieben wird. In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform erfolgt die Rückführung der Kühlluft in ein Plenum der ersten Brennkammer. In einer anderen Weiterbildung erfolgt die Rückführung der Kühlluft zu Brennern der ersten Brennkammer. Insbesondere kann die Kühlluft gezielt zu einzelnen Brennern der ersten Brennkammer geführt werden, um deren Verbrennungsstabilität zu erhöhen, wodurch diese für die erste Brennkammer als Stützbrenner wirken können.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Rückführung der erwärmten Kühlluft von der zweiten Brennkammer in den Verdichter der Gasturbogruppe, beispielsweise stromauf der letzten ein bis vier Stufen. Damit wird die Kühlluft nachverdichtet, wodurch gegebenenfalls Druckverluste des Kühlluftsystems ausgeglichen werden. Zwar erfordert die Nachverdichtung der bereits erwärmten Luft vergleichsweise viel Leistung, dieser Nachteil wird aber wenigstens teilweise dadurch kompensiert, dass durch den erhöhten Volumenstrom in den letzten Verdichterstufen die Effizienz der Verdichtung steigt. Die Nutzung der Kühlluft auf hohem Druckniveau sorgt dann für eine per Saldo verbesserte Effizienz des Gesamtprozesses.

Alternativ hierzu kann eine Zusatzverdichtung der Kühlluft auch in einem externen Zusatzverdichter erfolgen, welcher im Strömungsweg der Kühlluft, bevorzugt in der Zuströmung zur zweiten Brennkammer, angeordnet ist.

Zum Ausgleich allfälliger Druckverluste der Kühlluftströmung erweist sich auch eine Ausführungsform als geeignet, bei der wenigstens ein Teil der vom Verdichter zur ersten Brennkammer strömenden Luft durch ein konvergentdivergentes Strömungselement geleitet wird, und die Strömung der verbrauchten Kühlluft im Bereich einer Strömungsverengung dieses Strömungselementes einmündet.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:

1 eine erste beispielhafte Ausführungsform der Erfindung;

2 eine erste Weiterbildung dieser Ausführungsform;

3 eine zweite Weiterbildung der Erfindung; und

4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Die dargestellten Zeichnungen sind stark vereinfacht, und zum Verständnis der Erfindung nicht erforderliche Elemente sind weggelassen worden. Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele sind rein illustrativ zu verstehen und sollen nicht zur Einschränkung der in den Ansprüchen beschriebenen Erfindung herangezogen werden.

Wege zur Ausführung der Erfindung
In der 1 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung an einer Gasturbogruppe mit sequenzieller Verbrennung, wie sie aus EP 620 362 bekannt geworden ist, schematisch dargestellt. Eine Gasturbogruppe, von der nur der zum Verständnis der Erfindung notwendige Teil dargestellt ist, umfasst einen Verdichter 1, dessen letzte drei Stufen dargestellt sind. Von dem Verdichter verdichtete Verbrennungsluft strömt in das Brennkammerplenum 2 ein. Eine Brennkammer 3 ist mit Doppelkegelbrennern 31 versehen, wie sie beispielsweise aus EP 321 809 bekanntgeworden sind. Durch die Drallerzeuger der Doppelkegelbrenner 31 strömt die verdichtete Verbrennungsluft in die Brennkammer 3 ein. In den Brennern wird der Verbrennungsluft Brennstoff zugemischt, und dieser wird in der Flamme 32 verbrannt. Dabei entstehendes gespanntes Rauchgas strömt zu einer ersten Turbine 4 und wird dort teilweise, typischerweise mit einem Druckverhältnis um 2, entspannt. Das teilentspannte Rauchgas, welches sich noch auf hoher Temperatur befindet, und typischerweise zwischen 15 und 17 Prozent Sauerstoff enthält, strömt in eine zweite Brennkammer 5 ein. Diese zweite Brennkammer ist in der dargestellten Ausführungsform eine selbstzündende Brennkammer des Typs, wie er beispielsweise aus EP 669 500 bekannt geworden ist. Dem aus der ersten Turbine 4 abströmenden teilentspannten Rauchgas wird in einer Brennstofflanze 51 Brennstoff zugemischt. Auf Grund der noch hohen Temperatur des Rauchgases entzündet sich der Brennstoff in dem teilentspannten Heissgas an einem Querschnittssprung der Brennkammer und bildet eine Verbrennungszone 52 aus. Dabei entstehendes Rauchgas 54 wird in der Turbine 6 im Wesentlichen bis auf Umgebungsdruck entspannt. Die Turbinen und der Verdichter sind auf einer gemeinsamen Welle 7 angeordnet ist, über welche auch eine Nutzleitung, beispielsweise zum Antrieb eines Generators, abgenommen werden kann. Die erste Brennkammer und die Turbinen der Gasturbogruppe werden auf an sich bekannte Weise gekühlt, wobei die Kühlluft nach erfolgter Kühlung dem Heissgas zugemischt wird. Das Kühlsystem der zweiten Brennkammer 5 ist in der Figur näher dargestellt. Eine Kühlluft-Zuführleitung 8 zweigt aus dem ersten Brennkammerplenum 2 ab, und leitet verdichtete Luft zu einem stromabwärtigen Ende des Brennkammerplenums 53 der zweiten Brennkammer 5. Diese Luft durchströmt als Kühlluftströmung 9 das Brennkammerplenum 53 im Gegenstrom zur Heissgasströmung innerhalb der Brennkammer, und umströmt dabei die Brennraumwand der zweiten Brennkammer 5. Dabei nimmt die Kühlluftströmung 9 Wärme aus der Brennkammerwand auf, und kühlt die Brennkammer dadurch konvektiv. Am stromaufwärtigen Ende des Plenums 53 schliesst sich eine Kühlluftrückführung 10 an. Nach erfolgter Kühlung strömt die verbrauchte Kühlluft 9 in die Rückführung 10 ein, und strömt zurück zur ersten Brennkammer. Damit wird die Kühlluft dem Arbeitsprozess der Gasturbogruppe auf dem Druckniveau wieder zur Verfügung gestellt, auf dem sie entnommen wurde, und zusätzlich wird die durch die Kühlung der zweiten Brennkammer 5 entnommene Wärme effizient bei der Entspannung in der ersten Turbine 4 als auch in der zweiten Turbine 6 genutzt.
In der 2 ist eine Weiterbildung der Vorrichtung aus 1 dargestellt. In der Kühlluftzuführung 8 ist ein Zusatzkompressor 81 angeordnet, welcher die aus dem Plenum 2 entnommene Luft weiter verdichtet, und somit im Kühlsystem entstehende Druckverluste ausgleicht.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in der 3 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der Ausführungsform der 1 darin, dass die Rückführung 10 nicht im Bereich der ersten Brennkammer mündet, sondern im Verdichter 1 zwischen der zweitletzten und der drittletzten Verdichterstufe. Die Kühlluft, welche bei der Durchströmung des Kühlluftsystems Druckverluste erlitten hat, wird somit nachverdichtet. Die Verdichtung der bereits erwärmten Luft erfordert zwar eine hohe spezifische Arbeit, dieser vordergründige Nachteil wird aber dadurch ausgeglichen, dass der Volumenstrom in den letzten Verdichterstufen gesteigert wird, was die Verdichtereffizienz erhöht.
Bei der Ausführungsform gemäss der 4 ist stromab des Verdichters ein Bereich eines konvergent-divergenten Querschnittes 11 angeordnet. Die aus dem Verdichter abströmende Luft wird hierbei zunächst beschleunigt, wodurch der statische Druck abfällt, und im divergenten Teil wieder verzögert, wobei der statische Druck zurückgewonnen wird. Die Kühlluftrückführung 10 mündet in dieser Ausführungsform im engsten Querschnitt dieses konvergent-divergenten Bereichs, und somit im Bereich des geringsten statischen Druckes, wodurch die Strömung der Kühlluft trotz der im Kühlluftsystem auftretenden Druckverluste sichergestellt wird.
Obschon die Erfindung vorstehend anhand von beispielhaften Ausführungsformen erläutert wurde, versteht der Fachmann, dass im Umfang der Patentansprüche auch hier nicht dargestellte Ausführungsformen enthalten sind, die sich dem Fachmann im Lichte der oben gemachten Ausführungen ohne weiteres erschliessen.

Claims

Gasturbogruppe, umfassend einen Verdichter (1), eine erste Brennkammer (3), eine erste Turbine (4), eine zweite Brennkammer (5), und eine zweite Turbine (6), wobei die erste Brennkammer stromab des Verdichters angeordnet ist, die erste Turbine stromab der ersten Brennkammer angeordnet ist, die zweite Brennkammer stromab der ersten Turbine angeordnet ist, und die zweite Turbine stromab der zweiten Brennkammer angeordnet ist, bei welcher Gasturbogruppe die zweite Brennkammer eine konvektiv gekühlte Wand aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlluftzuführung (8) für die zweite Brennkammer stromab des Verdichters und stromauf der ersten Brennkammer aus dem Hauptströmungsweg der Gasturbogruppe abzweigt, und dass eine Rückführung (10) für erwärmte Kühlluft von der zweiten Brennkammer stromauf der ersten Turbine in den Hauptströmungsweg mündet.
Gasturboguppe gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung (10) in die erste Brennkammer (3) mündet.
Gasturbogruppe gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung (10) stromauf der ersten Brennkammer (3) in den Hauptströmungsweg mündet.
Gasturbogruppe gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung (10) in einem Plenum (2) der ersten Brennkammer mündet.
Gasturbogruppe gemäss einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung (10) der Kühlluft zu Brennern (31) der ersten Brennkammer führt.
Gasturbogruppe gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung der Kühlluft gezielt zu einzelnen Brennern der ersten Brennkammer geführt ist.
Gasturbogruppe gemäss einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung (10) in den Verdichter (1) mündet, bevorzugt stromauf der letzten ein bis vier Stufen.
Gasturbogruppe gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kühlluftzuführung (8) ein Zusatzverdichter (81) angeordnet ist.
Gasturbogruppe gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung (10) im Bereich einer Strömungsverengung eines konvergent-divergenten Strömungselementes (11) einmündet.