DE102011056566A1 - Gasturbine und Verfahren für ihren Betrieb - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine umfasst das Komprimieren eines Luftstroms in einem Verdichter und das Erzeugen eines Nachverbrennungsgases durch Verbrennen eines komprimierten Luftstroms, der den Verdichter verlässt, in einer Brennkammer. Das Nachverbrennungsgas wird in einer ersten Turbine entspannt. Das entspannte Verbrennungsgas, das die erste Turbine verlässt, wird in einen ersten Strom und einen zweiten Strom aufgeteilt. Der erste Strom des entspannten Verbrennungsgases wird in einer Zwischenerhitzerbrennkammer verbrannt. Die Zwischenerhitzerbrennkammer wird unter Verwendung des zweiten Stroms des entspannten Verbrennungsgases gekühlt.
Description
- ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
- Die Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere die Kühlung einer Zwischenerhitzerbrennkammer in einer Gasturbine.
- Eine herkömmliche Gasturbine umfasst einen Verdichter zum Komprimieren von Luft (die manchmal als Oxidationsmittel bezeichnet wird, da die Luft aufgrund des Vorhandenseins von Sauerstoff über Oxidationskraft verfügt), die in einer Brennkammer mit Kraftstoff vermischt wird, und das Gemisch wird verbrannt, um einen Hochdruck- und Hochtemperatur-Gasstrom zu erzeugen, der als Nachverbrennungsgas bezeichnet wird. Das Nachverbrennungsgas wird in einer Turbine (Hochdruckturbine) entspannt, die Wärmeenergie aus dem Nachverbrennungsgas in mechanische Energie umwandelt, mit der eine Turbinenwelle gedreht wird.
- Während des Vorgangs der Verbrennung in der Brennkammer wird der Sauerstoffgehalt in der Luft im Allgemeinen nicht vollständig aufgebraucht. Das heiße Nachverbrennungsgas, das die Hochdruckturbine verlässt, weist folglich ungefähr 15 Gewichtsprozent bis ungefähr 18 Gewichtsprozent Sauerstoff auf und hat damit das Potenzial, mehr Kraftstoff zu oxidieren. Bei einigen Gasturbinen wird daher eine Zwischenerhitzerbrennkammer verwendet, in der das Nachverbrennungsgas nach dem Vermischen mit weiterem Kraftstoff erneut verbrannt wird. Das erneut verbrannte Nachverbrennungsgas wird in einem weiteren Turbinenteil (Niederdruckturbine) entspannt, um zusätzliche Energie zu erzeugen. Durch die Verwendung der Zwischenerhitzerbrennkammer und der Niederdruckturbine wird deshalb die Oxidationskraft des Nachverbrennungsgases ausgenutzt und dadurch der Wirkungsgrad der Turbine erhöht.
- Die Zwischenerhitzerbrennkammern haben jedoch während des Betriebs einen hohen Bedarf an Kühlluft, die im Allgemeinen bereitgestellt wird, indem ein Luftstrom vom Verdichter angesaugt wird. Durch das Ansaugen von Luft nimmt der Wirkungsgrad der Turbine ab, da der Strom angesaugter Luft nicht für die Entspannung in der Hochdruckturbine zur Verfügung steht. Durch das Ansaugen von Verdichterluft zum Kühlen der Zwischenerhitzerbrennkammer werden damit die Vorteile der Verwendung der Zwischenerhitzerbrennkammer vermindert.
- Es ist daher wünschenswert, ein alternatives Verfahren vorzusehen, um die Zwischenerhitzerbrennkammer zu kühlen, ohne den Wirkungsgrad der Turbine nachteilig zu beeinflussen.
- KURZE BESCHREIBUNG
- Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine offenbart. Das Verfahren umfasst das Komprimieren eines Luftstroms in einem Verdichter und das Erzeugen eines Nachverbrennungsgases durch Verbrennen eines komprimierten Luftstroms, der den Verdichter verlässt, in einer Brennkammer. Das Nachverbrennungsgas wird in einer ersten Turbine entspannt. Das entspannte Verbrennungsgas, das die erste Turbine verlässt, wird in einen ersten Strom und einen zweiten Strom aufgeteilt. Der erste Strom des entspannten Verbrennungsgases wird in einer Zwischenerhitzerbrennkammer verbrannt. Die Zwischenerhitzerbrennkammer wird unter Verwendung des zweiten Stroms des entspannten Verbrennungsgases gekühlt.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Gasturbine offenbart. Die Gasturbine umfasst einen Verdichter zum Komprimieren von Luft und eine Brennkammer zum Erzeugen eines Nachverbrennungsgases durch Verbrennen komprimierter Luft, die den Verdichter verlässt. Die Gasturbine umfasst auch eine erste Turbine zum Entspannen des Nachverbrennungsgases. Die Gasturbine umfasst ferner einen Aufteilungsbereich zum Aufteilen eines entspannten Verbrennungsgases, das die erste Turbine verlässt, in einen ersten Strom und einen zweiten Strom. Die Gasturbine umfasst auch eine Zwischenerhitzerbrennkammer zum Verbrennen des ersten Stroms des entspannten Verbrennungsgases. Die Zwischenerhitzerbrennkammer wird unter Verwendung des zweiten Stroms des entspannten Verbrennungsgases gekühlt.
- ZEICHNUNGEN
- Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind mit der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in sämtlichen Zeichnungen gleiche Teile darstellen, besser zu verstehen, wobei:
-
1 eine Gasturbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt. -
2 eine Gasturbine mit einer aerodynamischen Kopplung zwischen einer ersten und zweiten Turbine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. -
3 einen Aufteilungsbereich und eine Zwischenerhitzerbrennkammer einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform von1 und2 darstellt. -
4 einen Aufteilungsbereich mit Strömungsteilern in einer komplett geöffneten Position gemäß einer Ausführungsform von1 und2 darstellt. -
5 einen Aufteilungsbereich mit Strömungsteilern in einer teilweise geöffneten Position gemäß einer Ausführungsform von1 und2 darstellt. -
6 einen Aufteilungsbereich mit Strömungsteilern in einer geschlossenen Position gemäß einer Ausführungsform von1 und2 darstellt. -
7 einen Aufteilungsbereich mit Strömungsteilern darstellt, die mit einem Servomotor gekoppelt sind, der von einer Steuerung gesteuert wird. - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
- Wie nachstehend ausführlich erläutert ist, stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Kühlen einer Zwischenerhitzerkammer einer Gasturbine bereit. Diese Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollte nicht so ausgelegt werden, dass sie auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt ist; diese Ausführungsformen sind vielmehr dafür vorgesehen, dass diese Offenbarung eingehend und umfassend ist und dem Fachmann den Geltungsbereich der Erfindung vollständig vermittelt.
-
1 veranschaulicht eine Gasturbine10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.1 veranschaulicht einen Verdichter12 , eine Brennkammer14 , eine erste Turbine16 , einen Aufteilungsbereich18 , eine Zwischenerhitzerbrennkammer20 und eine zweite Turbine22 . Ein Luftstrom24 , der atmosphärische Luft enthält, wird zur Kompression auf die gewünschte Temperatur und den gewünschten Druck in den Verdichter12 geleitet. Nach der Kompression verlässt der Luftstrom24 den Verdichter12 als komprimierter Luftstrom26 und wird mit einem Kraftstoffstrom28 in der Brennkammer14 vermischt. Das Gemisch wird in der Brennkammer14 entflammt (verbrannt), wodurch ein Hochtemperatur- und Hochdruck-Strom aus einem Nachverbrennungsgas30 entsteht. Das Nachverbrennungsgas30 wird in der ersten Turbine16 entspannt, um die Wärmeenergie, die mit dem Nachverbrennungsgas28 verbunden ist, in mechanische Energie umzuwandeln, und verlässt die erste Turbine16 als entspanntes Verbrennungsgas32 . Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Turbine16 mit dem Verdichter12 über eine Welle34 gekoppelt und treibt den Verdichter12 an. In einer speziellen Ausführungsform ist die erste Turbine16 eine Hochdruckturbine. - Das entspannte Verbrennungsgas
32 weist eine gewisse Menge nicht ausgenutzten erhitzten Sauerstoff (etwa 15 Gewichtsprozent bis etwa 18 Gewichtsprozent) auf. Statt das entspannte Verbrennungsgas32 in die Atmosphäre entweichen zu lassen, verwendet die Gasturbine10 deshalb die Zwischenerhitzerbrennkammer20 und die zweite Turbine22 zur Erzeugung von zusätzlicher Energie. Gemäß einer Ausführungsform wird das entspannte Verbrennungsgas32 vor dem Einströmen in die Zwischenerhitzerbrennkammer20 durch den Aufteilungsbereich18 geführt, in dem das entspannte Verbrennungsgas32 in zwei Ströme aufgeteilt wird (in nachfolgenden Figuren dargestellt). Ein erster Strom des entspannten Verbrennungsgases32 wird in der Zwischenerhitzerbrennkammer20 verbrannt, während ein zweiter Strom des entspannten Verbrennungsgases32 zum Kühlen der Zwischenerhitzerbrennkammer20 verwendet wird. Einzelheiten zum Aufteilungsbereich18 und zum Aufteilen des entspannten Verbrennungsgases32 werden in Verbindung mit nachfolgenden Figuren weiter erörtert. Nach der Verwendung zum Kühlen wird der zweite Strom des entspannten Verbrennungsgases32 mit dem verbrannten ersten Strom in der Zwischenerhitzerbrennkammer20 vermischt und das Gemisch wird als Strom33 in die zweite Turbine22 geleitet. Es sollte hier festgehalten werden, dass der zweite Strom des entspannten Verbrennungsgases32 nach der Verwendung zum Kühlen der Zwischenerhitzerbrennkammer20 teilweise oder vollständig am Verbrennungsprozess in der Zwischenerhitzerbrennkammer20 beteiligt sein kann. Der Strom33 wird in der zweiten Turbine22 entspannt, um Energie zu erzeugen. In einer Ausführungsform ist die zweite Turbine22 mit der ersten Turbine16 über eine Welle36 gekoppelt -
1 veranschaulicht auch einen Strom Verdichterluft35 und einen Strom Verdichterluft37 , die aus verschiedenen Stufen des Verdichters12 angesaugt werden, um die erste Turbine16 beziehungsweise die zweite Turbine22 zu kühlen. Während des Betriebs einer Gasturbine wird herkömmlicherweise Luft aus verschiedenen Stufen des Verdichters angesaugt, um die verschiedenen Bauteile wie die Brennkammer, die Zwischenerhitzerbrennkammer und die Hochdruck- und Niederdruckturbine zu kühlen. Die Verwendung von Verdichterluft zum Kühlen der verschiedenen Bauteile führt zu einer Verminderung des Wirkungsgrads der herkömmlichen Gasturbine, da der Anteil der Verdichterluft, der zum Kühlen verwendet wird, nicht für die vollständige Beschleunigung und Entspannung in der Hochdruckturbine zur Verfügung steht. Es sollte hier festgehalten werden, dass diese Verminderung des Wirkungsgrads bei der herkömmlichen Gasturbine am stärksten bei der Verdichterluft ist, die zum Kühlen der Zwischenerhitzerbrennkammer und der Niederdruckturbine verwendet wird. Die vorliegende Erfindung schlägt die Verwendung des entspannten Verbrennungsgases32 zum Kühlen der Zwischenerhitzerbrennkammer20 vor, wodurch die Verdichterluftmenge, die für Kühlzwecke angesaugt wird, verringert wird und der Wirkungsgrad verbessert wird. - In einer Ausführungsform der Erfindung wird der zweite Strom des entspannten Verbrennungsgases mit einem Kühlmittel
39 vermischt und das Gemisch wird zum Kühlen der Zwischenerhitzerbrennkammer20 verwendet. Das Kühlmittel39 kann mit jedem geeigneten Mittel in die Zwischenerhitzerbrennkammer20 eingebracht werden. Das Kühlmittel39 kann zum Beispiel durch eine Reihe von in Umfangsrichtung beabstandeten Einlassdüsen eingebracht werden, die hinter der Ansaugstelle für das entspannte Verbrennungsgas32 , jedoch vor den Kühlmitteleinspritzlöchern des Zwischenerhitzerbrennkammereinsatzes (in1 nicht dargestellt) platziert sind, sodass das entspannte Verbrennungsgas32 und das Kühlmittel39 ausreichend Volumen aufweisen und genug Zeit haben, um sich zu vermischen. In einer speziellen Ausführungsform umfasst das Kühlmittel39 Verdichterluft. Es sollte festgehalten werden, dass bei Verwendung eines Teils der Verdichterluft als Kühlmittel39 zusammen mit einem Teil des entspannten Verbrennungsgases32 zum Kühlen im Vergleich zum herkömmlichen Mechanismus des Kühlens der Zwischenerhitzerbrennkammer allein durch Verdichterluft immer noch eine beträchtliche Menge Verdichterluft eingespart wird. In einer weiteren Ausführungsform enthält das Kühlmittel Dampf. - In einigen Ausführungsformen liegt die Temperatur des entspannten Verbrennungsgases
32 in einem Bereich von ungefähr 1500 Grad Fahrenheit bis ungefähr 1600 Grad Fahrenheit. In einer speziellen Ausführungsform wird das entspannte Verbrennungsgas32 zum Kühlen der Zwischenerhitzerbrennkammer20 verwendet, sodass die Temperatur von allen metallischen Werkstoffen der Zwischenerhitzerbrennkammer20 unter beispielsweise 1700 Grad Fahrenheit oder darunter bleibt. Ein Zwischenerhitzerbrennkammer-Gas29 (in3 dargestellt) kann je nach Turbinenkonstruktion und Betriebspunkt eine Temperatur im Bereich von 2200 bis 3200 Grad Fahrenheit aufweisen. Umfang und Wirksamkeit der Kühlmechanismen bestimmen die resultierende Materialtemperatur. -
2 zeigt eine alternative Ausführungsform, in der die zweite Turbine22 aerodynamisch mit der ersten Turbine16 gekoppelt ist, jedoch auf einer unabhängigen Welle31 . In dieser Ausführungsform treibt die erste Turbine16 den Verdichter12 an und die zweite Turbine22 sorgt für Wellenleistung, um beispielsweise einen elektrischen Generator27 anzutreiben. -
3 veranschaulicht eine vergrößerte Darstellung des Aufteilungsbereichs18 und der Zwischenerhitzerbrennkammer20 . Im Aufteilungsbereich18 wird das entspannte Verbrennungsgas32 unter Verwendung eines Teilers38 und eines Teilers40 in einen ersten Strom32 und einen zweiten Strom36 aufgeteilt. Es sollte festgehalten werden, dass die Teiler38 ,40 Ausführungsbeispiele zum Aufteilen des entspannten Verbrennungsgases32 sind. Zum Aufteilen des entspannten Verbrennungsgases32 können verschiedene andere Mittel verwendet werden. In anderen Ausführungsbeispielen muss das Teilersystem auch nicht auf zwei Teiler beschränkt sein. Mit anderen Worten können ein oder mehr dieser Teiler, oder ein Teilersystem, um den Umfang der Zwischenerhitzerbrennkammer20 herum verwendet werden. Gemäß einer Ausführungsform sind der Teiler38 und der Teiler40 vor der Zwischenerhitzerbrennkammer20 platziert. Bei einer speziellen Ausführungsform sind der Teiler38 und der Teiler40 über Gelenkverbindungen an einer Stelle42 beziehungsweise einer Stelle44 mit dem Körper der Zwischenerhitzerbrennkammer20 gekoppelt. Der Teiler38 und der Teiler40 können sich um die Gelenkverbindungen an der Stelle42 und der Stelle44 drehen und die Aufteilung des Stroms des entspannten Verbrennungsgases32 in den ersten Strom34 und den zweiten Strom36 steuern, wie in nachfolgenden Figuren besprochen wird. Der erste Strom34 stellt den Hauptstrom zur Zwischenerhitzerbrennkammer20 dar und wird in einer Hauptkammer46 der Zwischenerhitzerbrennkammer20 verbrannt. - In einer Ausführungsform umfasst die Zwischenerhitzerbrennkammer
20 ein Gehäuse41 und einen äußeren Einsatz43 . Der Teiler38 und der Teiler40 sind dafür eingerichtet, das entspannte Verbrennungsgas32 derart aufzuteilen, dass der zweite Strom36 des entspannten Verbrennungsgases32 durch den Kanal48 zwischen dem Gehäuse41 und dem äußeren Einsatz43 der Zwischenerhitzerbrennkammer20 und den Kanal51 zwischen einem inneren Einsatz47 und einer Mittellinie53 der Turbine strömt. Der zweite Strom36 wird zum Kühlen des inneren und äußeren Einsatzes43 ,47 der Zwischenerhitzerbrennkammer20 verwendet. Der zweite Strom36 wird zum Kühlen der Zwischenerhitzerbrennkammer20 über verschiedene Mechanismen verwendet. In einer Ausführungsform wird die Prallkühlung verwendet, wobei der zweite Strom36 auf die kalte Fläche der Zwischenerhitzerbrennkammer20 , das heißt die Fläche in Berührung mit dem zweiten Strom36 , auftrifft. In einer weiteren Ausführungsform wird die Effusionskühlung oder Filmkühlung verwendet, wobei der zweite Strom36 durch Einspritzlöcher49 der Einsätze43 ,47 eingespritzt wird, um eine dünne Filmkühlschicht über der Fläche der Zwischenerhitzerbrennkammer20 zu bilden, die durch die Zwischenerhitzerverbrennungsgase begrenzt wird. Es ist festzuhalten, dass auch eine Kombination aus zwei oder mehr Mechanismen zum Kühlen der Zwischenerhitzerbrennkammer20 unter Verwendung des zweiten Stroms36 verwendet werden kann. - Nach der Verwendung für die Kühlung strömt der zweite Strom
36 in die Hauptkammer46 der Zwischenerhitzerbrennkammer20 , wie in der Figur dargestellt ist. Der äußere Einsatz43 der Zwischenerhitzerbrennkammer20 kann die Einspritzlöcher49 enthalten, die das Einströmen des zweiten Stroms36 in die Hauptkammer46 vereinfachen. Die Einspritzlöcher49 können zu Verdünnungs- oder Filmkühlungszwecken verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der innere Einsatz47 die Einspritzlöcher55 aufweisen. Nach dem Einströmen in die Hauptkammer46 wird der zweite Strom36 mit dem ersten Strom34 (der verbrannt wird) vermischt und bei dem Vorgang kann auch ein Teil des zweiten Stroms36 in der Hauptkammer46 verbrannt werden. Das Gemisch aus dem verbrannten ersten Strom34 und dem zweiten Strom36 (wovon ein Teil verbrannt worden sein kann) verlässt die Zwischenerhitzerbrennkammer20 als der Strom33 . Der Strom33 wird in der zweiten Turbine22 entspannt (in1 dargestellt). - In einigen Ausführungsformen wird der zweite Strom
36 in dem Kanal48 mit dem Kühlmittel39 vermischt und das Gemisch wird zum Kühlen der Zwischenerhitzerbrennkammer20 verwendet. In einer speziellen Ausführungsform ist das Kühlmittel39 Luft, die aus einer Stufe des Verdichters12 angesaugt wird (1 ). In einer weiteren Ausführungsform ist das Kühlmittel39 Dampf. -
4 veranschaulicht eine weitere vergrößerte Darstellung des Aufteilungsbereichs18 . Der Aufteilungsbereich18 umfasst den Teiler38 und den Teiler40 , die vor der Zwischenerhitzerbrennkammer20 (1 ) platziert sind. Bei der dargestellten Ausführungsform sind der Teiler38 und der Teiler40 über Gelenkverbindungen an der Stelle42 beziehungsweise der Stelle44 mit dem Körper der Zwischenerhitzerbrennkammer20 gekoppelt (in1 und2 dargestellt). Gemäß einer Ausführungsform weist jeder der Teiler38 ,40 eine aerodynamische Form auf, um Strömungsabrisse und damit verbundene Druckverluste zu minimieren. Die Teiler38 ,40 teilen den Strom des entspannten Verbrennungsgases32 in den ersten Strom34 und den zweiten Strom36 auf. Durch die Drehung der Teiler38 ,40 um die jeweiligen Gelenkverbindungen wird die Menge des zweiten Stroms36 reguliert, der von dem Nachverbrennungsgas32 zum Kühlen der Zwischenerhitzerbrennkammer20 (in1 ,2 dargestellt) abzutrennen ist.4 stellt die Teiler38 ,40 in einer komplett geöffneten Position dar, wodurch über die Kanäle48 ,51 die maximale Menge des zweiten Stroms36 aus dem entspannten Verbrennungsgas32 angesaugt werden kann. Je höher die Eintrittstemperatur der Zwischenerhitzerbrennkammer20 , umso höher ist der Kühlungsbedarf der Zwischenerhitzerbrennkammer20 . Die Öffnung der Kanäle48 ,51 wird deshalb mit steigender Eintrittstemperatur der Zwischenerhitzerbrennkammer20 durch Drehung der Teiler38 ,40 so vergrößert, dass eine größere Menge des zweiten Stroms36 aus dem Nachverbrennungsgas32 zum Kühlen der Zwischenerhitzerbrennkammer20 angesaugt werden kann. -
5 veranschaulicht den Aufteilungsbereich18 mit den Strömungsteilern38 ,40 in einer teilweise geöffneten Position. Im Vergleich zur komplett geöffneten Position der Teiler38 ,40 in4 wird bei der teilweise geöffneten Position die Öffnung der Kanäle48 ,51 für den Durchfluss des zweiten Stroms36 verkleinert, wodurch die Menge des zweiten Stroms36 , der aus dem entspannten Verbrennungsgas32 angesaugt wird, verringert wird. Wenn die Belastung der Turbine sinkt, nimmt der Kühlbedarf für die Zwischenerhitzerbrennkammer (1 ) ab und die Teiler werden aus einer vollständig geöffneten Position in die teilweise geöffnete Position gedreht. -
6 veranschaulicht den Aufteilungsbereich18 mit den Strömungsteilern38 ,40 in einer geschlossenen Position. Im Vergleich zur komplett geöffneten Position der Teiler38 ,40 , die in4 darggestellt ist, und zur teilweise geöffneten Position, die in5 dargestellt ist, lässt die geschlossene Position nur eine geringe Leckströmung des zweiten Stroms36 zu und es strömt beinahe das gesamte Nachverbrennungsgas32 als erster Strom34 in die Zwischenerhitzerbrennkammer20 (1 ). Die Teiler38 ,40 werden für gewöhnlich in einer geschlossenen Position gehalten, wenn kein Bedarf daran besteht, dass die Zwischenerhitzerbrennkammer20 (1 ) das entspannte Verbrennungsgas32 verbrennen muss. In einem solchen Fall besteht kein Bedarf an einer Kühlung der Zwischenerhitzerbrennkammer20 (1 ) und damit wird kein entspanntes Verbrennungsgas32 als zweiter Strom36 (4 ,5 ) zum Kühlen der Zwischenerhitzerbrennkammer20 (1 ) umgeleitet. -
7 veranschaulicht den Aufteilungsbereich18 mit dem Teiler38 und dem Teiler40 , die mit einem Servomotor52 gekoppelt sind, der von einer Steuerung54 gesteuert wird. Die Steuerung54 steuert die Drehung des Teilers38 und des Teilers40 über den Servomotor52 , wodurch die Öffnung der Kanäle48 ,51 geregelt wird. Die aerodynamisch geformten Strömungsteiler38 ,40 sind dafür eingerichtet, das entspannte Verbrennungsgas auf der Grundlage eines Betriebspunkts der Gasturbine aufzuteilen. Der Betriebspunkt kann von der Last, der Ansauglufttemperatur, der Kraftstoffart oder Ähnlichem abhängen. In einer Ausführungsform steuert die Steuerung54 die Aufteilung des entspannten Verbrennungsgases32 auf der Grundlage der Last der Gasturbine10 (1 ) oder der Eintrittstemperatur der Zwischenerhitzerbrennkammer20 , sodass der Teiler38 und der Teiler40 in einer vollständig geöffneten, teilweise geöffneten oder geschlossenen Position sind, wie in Verbindung mit4 ,5 und6 erörtert wurde. In einer speziellen Ausführungsform wird die Öffnung der Kanäle48 ,51 durch Drehen der Teiler38 ,40 so angepasst, dass der zweite Strom36 ungefähr 20% bis ungefähr 45% der Menge des Stroms des Nachverbrennungsgases32 entspricht. - Es sind hier lediglich bestimmte Merkmale der Erfindung dargestellt und beschrieben worden, jedoch sind für einen Fachmann viele Abwandlungen und Änderungen denkbar. Es sollte sich deshalb verstehen, dass die beigefügten Ansprüche alle diese Abwandlungen und Änderungen umfassen sollen, die in den wahren Geist der Erfindung fallen.
- Ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine umfasst das Komprimieren eines Luftstroms in einem Verdichter und das Erzeugen eines Nachverbrennungsgases durch Verbrennen eines komprimierten Luftstroms, der den Verdichter verlässt, in einer Brennkammer. Das Nachverbrennungsgas wird in einer ersten Turbine entspannt. Das entspannte Verbrennungsgas, das die erste Turbine verlässt, wird in einen ersten Strom und einen zweiten Strom aufgeteilt. Der erste Strom des entspannten Verbrennungsgases wird in einer Zwischenerhitzerbrennkammer verbrannt. Die Zwischenerhitzerbrennkammer wird unter Verwendung des zweiten Stroms des entspannten Verbrennungsgases gekühlt.
Claims (22)
- Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Komprimieren eines Luftstroms in einem Verdichter, Erzeugen eines Nachverbrennungsgases durch Verbrennen eines komprimierten Luftstroms, der den Verdichter verlässt, in einer Brennkammer, Entspannen des Nachverbrennungsgases in einer ersten Turbine, Aufteilen eines entspannten Verbrennungsgases, das die erste Turbine verlässt, in einen ersten Strom und einen zweiten Strom, Verbrennen des ersten Stroms des entspannten Verbrennungsgases in einer Zwischenerhitzerbrennkammer, und Kühlen der Zwischenerhitzerbrennkammer unter Verwendung des zweiten Stroms des entspannten Verbrennungsgases.
- Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Vermischen des zweiten Stroms des entspannten Verbrennungsgases nach dem Kühlen der Zwischenerhitzerbrennkammer mit einem verbrannten ersten Strom des entspannten Verbrennungsgases der Zwischenerhitzerbrennkammer.
- Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend das Entspannen eines Gemischs, das den zweiten Strom des entspannten Verbrennungsgases und den verbrannten ersten Strom der Zwischenerhitzerbrennkammer umfasst, in einer zweiten Turbine.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Strom des entspannten Verbrennungsgases ungefähr 20% bis ungefähr 45% der Menge des entspannten Verbrennungsgases, das die erste Turbine verlässt, entspricht.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kühlen die Kühlung der Zwischenerhitzerbrennkammer unter Verwendung des zweiten Stroms des entspannten Verbrennungsgases über Prallkühlung, Effusionskühlung und/oder Filmkühlung umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Vermischen des zweiten Stroms des entspannten Verbrennungsgases mit einem Kühlmittel vor dem Kühlen der Zwischenerhitzerbrennkammer.
- Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Kühlen die Kühlung der Zwischenerhitzerbrennkammer unter Verwendung eines Gemischs, das den zweiten Strom des entspannten Verbrennungsgases und das Kühlmittel umfasst, über Prallkühlung, Effusionskühlung und/oder Filmkühlung umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Kühlmittel Luft, die aus dem Verdichter angesaugt wird, enthält.
- Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Kühlmittel Dampf enthält.
- Gasturbine, umfassend: einen Verdichter zum Komprimieren von Luft, eine Brennkammer zum Erzeugen eines Nachverbrennungsgases durch Verbrennen komprimierter Luft, die die den Verdichter verlässt, eine erste Turbine zum Entspannen des Nachverbrennungsgases, einen Aufteilungsbereich zum Aufteilen eines entspannten Verbrennungsgases, das die erste Turbine verlässt, in einen ersten Strom und einen zweiten Strom, und eine Zwischenerhitzerbrennkammer zum Verbrennen des ersten Stroms des entspannten Verbrennungsgases, wobei die Zwischenerhitzerbrennkammer unter Verwendung des zweiten Stroms des entspannten Verbrennungsgases gekühlt wird.
- Gasturbine nach Anspruch 10, wobei der Aufteilungsbereich ein oder mehrere aerodynamisch geformte Strömungsteiler umfasst, die dafür eingerichtet sind, das entspannte Verbrennungsgas derart aufzuteilen, dass der zweite Strom des entspannten Verbrennungsgases durch einen inneren Einsatz und/oder einen äußeren Einsatz der Zwischenerhitzerbrennkammer strömt.
- Gasturbine nach Anspruch 11, wobei der innere Einsatz und/oder der äußere Einsatz der Zwischenerhitzerbrennkammer Einspritzlöcher umfasst, damit der zweite Strom des entspannten Verbrennungsgases nach dem Kühlen der Zwischenerhitzerbrennkammer in die Zwischenerhitzerbrennkammer einströmt und sich mit einem verbrannten ersten Strom vermischt.
- Gasturbine nach Anspruch 12, ferner umfassend eine zweite Turbine zum Entspannen eines Gemischs aus einem verbrannten ersten Strom von der Zwischenerhitzerbrennkammer und dem zweiten Strom des entspannten Verbrennungsgases.
- Gasturbine nach Anspruch 13, ferner umfassend eine Welle, die die erste Turbine mit der zweiten Turbine koppelt.
- Gasturbine nach Anspruch 11, wobei der eine oder die mehreren aerodynamisch geformten Strömungsteiler vor der Zwischenerhitzerbrennkammer platziert sind.
- Gasturbine nach Anspruch 11, wobei der eine oder die mehreren aerodynamisch geformten Strömungsteiler mechanisch mit der Zwischenerhitzerbrennkammer gekoppelt sind.
- Gasturbine nach Anspruch 11, wobei der eine oder die mehreren aerodynamisch geformten Strömungsteiler dafür eingerichtet sind, das entspannte Verbrennungsgas auf der Grundlage eines Betriebspunkts der Gasturbine aufzuteilen.
- Gasturbine nach Anspruch 11, ferner umfassend mindestens einen Servomotor zum Betätigen des einen oder der mehreren aerodynamisch geformten Strömungsteiler(s) zum Aufteilen des entspannten Verbrennungsgases.
- Gasturbine nach Anspruch 18, ferner umfassend mindestens einen Servomotor zum Steuern der Betätigung des einen oder der mehreren aerodynamisch geformten Strömungsteiler(s).
- Gasturbine nach Anspruch 18, wobei das Betätigen des einen oder der mehreren aerodynamisch geformten Strömungsteiler(s) das Positionieren des einen oder der mehreren aerodynamisch geformten Strömungsteiler(s) in einer vollständig geöffneten, teilweise geöffneten oder geschlossenen Position umfasst.
- Gasturbine nach Anspruch 10, wobei die Zwischenerhitzerbrennkammer ferner einen inneren Einsatz und einen äußeren Einsatz umfasst, wobei der innere Einsatz und der äußere Einsatz unter Verwendung des zweiten Stroms des entspannten Verbrennungsgases gekühlt werden.
- Verfahren, umfassend: Aufteilen eines Stroms eines entspannten Verbrennungsgases aus einer ersten Turbine in einen ersten Strom und einen zweiten Strom, Verbrennen des ersten Stroms des entspannten Verbrennungsgases in einer Zwischenerhitzerbrennkammer, und Kühlen der Zwischenerhitzerbrennkammer unter Verwendung des zweiten Stroms des Nachverbrennungsgases.
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