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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Gegenstand der hier beschriebenen Erfindung sind Gasturbinensysteme und spezieller ein System zur Reduktion des Gegendrucks auf die Turbine.
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Gasturboantriebsmaschinensysteme ziehen Vorteile aus einem verbesserten Wirkungsgrad. Bei Gasturbinenkonstruktionen werden Ineffizienzen minimiert, um aus einem Brennstoff maximale Energie zu gewinnen. Speziell nutzt das Gasturbinensystem den Brennstoff, um heiße, verdichtete Abgase zu erzeugen, die durch eine Turbine strömen. Die Turbine verwendet den Impuls der Abgase, um Rotationsenergie zu erzeugen, die durch eine Last (z.B. einen Generator) genutzt wird. Während die Abgase die Turbine in einen Auslassabschnitt hinein verlassen, können sie unerwünschten Gegendruck/Staudruck hervorrufen. Der Gegendruck kann den Wirkungsgrad des Gasturbinensystems reduzieren, was dazu führt, dass das System mehr Energie braucht, um die Abgase aus der Turbine zu befördern.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im Folgenden sind spezielle Ausführungsbeispiele gemäß dem Gegenstand der ursprünglich vorliegenden Erfindung zusammenfassend beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele sollen den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht beschränken, vielmehr sollen diese Ausführungsbeispiele lediglich eine Kurzbeschreibung möglicher Ausprägungen der Erfindung geben. In der Tat kann die Erfindung vielfältige Ausprägungen abdecken, die den nachstehend dargelegten Ausführungsbeispielen ähneln oder sich von diesen unterscheiden können.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel gehören zu einem System ein Abgaskanal, der dazu eingerichtet ist, einen Abgasstrom zu kanalisieren, und ein Lufteinspeisungssystem, das mit dem Abgaskanal verbunden ist, wobei das Lufteinspeisungssystem einen ersten Luftinjektor enthält, der dazu eingerichtet ist, in den Abgaskanal Luft einzuspeisen, um den Strom des Abgases durch den Abgaskanal hindurch zu fördern.
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Das System kann ein Abgaskanalmodul aufweisen, bei dem das Lufteinspeisungssystem mit dem Abgaskanal verbunden ist, wobei das Lufteinspeisungssystem mehrere Luftinjektoren aufweisen kann, zu denen der erste Luftinjektor gehört.
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Jedes der oben erwähnten Systeme kann einen Verdichter aufweisen, der dazu eingerichtet ist, dem Lufteinspeisungssystem verdichtete Luft zuzuführen.
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Jedes der oben erwähnten Systeme kann eine Gasturbine enthalten, die das Abgas in den Abgaskanal ausstößt.
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Das Lufteinspeisungssystem jedes der oben erwähnten Systeme kann einen zweiten Luftinjektor enthalten, wobei der erste und zweite Luftinjektor verschiedene Größen, unterschiedliche Formen, unterschiedliche Tiefen in den Abgaskanal, verschiedene Winkel gegenüber dem Abgaskanal, oder eine Kombination davon aufweisen können.
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Der erste Luftinjektor jedes der oben erwähnten Systeme kann eine Luftschaufel beinhalten.
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Der erste Luftinjektor jedes der oben erwähnten Systeme kann eine Luftdüse beinhalten.
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Das Lufteinspeisungssystem jedes der oben erwähnten Systeme kann einen Rechen enthalten, der in dem Abgaskanal angeordnet ist, und der Rechen beinhaltet den ersten Luftinjektor.
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Das Lufteinspeisungssystem jedes der oben erwähnten Systeme kann mehrere Rechen beinhalten, die in dem Abgaskanal angeordnet sind, und jeder der mehreren Rechen beinhaltet mehrere Luftinjektoren.
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Der erste Luftinjektor jedes der oben erwähnten Systeme kann mit einer Innenfläche des Abgaskanals im Wesentlichen bündig sein.
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Der erste Luftinjektor jedes der oben erwähnten Systeme kann in den Abgaskanal ragen.
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Das Lufteinspeisungssystem jedes der oben erwähnten Systeme kann eine erste Einspeisungsstufe mit dem ersten Luftinjektor und eine zweite Einspeisungsstufe mit einem zweiten Luftinjektor enthalten, wobei die erste und zweite Einspeisungsstufe an verschiedenen axialen Positionen entlang des Abgaskanals angeordnet sein können.
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Das Lufteinspeisungssystem jedes der oben erwähnten Systeme kann eine Steuereinrichtung enthalten, die Befehle zum Steuern eines Luftstroms durch das Lufteinspeisungssystem in den Abgaskanal enthält, um einen Gegendruck, der in Zusammenhang mit dem durch den Abgaskanal strömenden Abgasstrom auftritt, zu reduzieren.
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In einem zweitem Ausführungsbeispiel gehört zu einem System eine Steuereinrichtung, die Befehle zum Steuern eines Luftstroms durch ein Lufteinspeisungssystem in einen Abgaskanal enthält, um einen Gegendruck in Zusammenhang mit dem durch den Abgaskanal strömenden Abgasstrom zu reduzieren.
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Die Steuereinrichtung jedes der oben erwähnten Systeme kann Befehle enthalten, um den Luftstrom von einem Verdichter einer Gasturbine zu dem stromabwärts einer Turbine der Gasturbine angeordneten Abgaskanal zu steuern/regeln.
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Das System kann Die Gasturbine enthalten.
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Das System kann den Abgaskanal enthalten, der das Lufteinspeisungssystem aufweist.
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Die Steuereinrichtung jedes der oben erwähnten Systeme kann Befehle enthalten, um mehrere Stufen des Lufteinspeisungssystems zu steuern.
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In einem dritten Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren geschaffen, mit den Schritten: Aufnehmen des Luftstroms einer Gasturbine, Verzweigen des Luftstroms durch das Lufteinspeisungssystem in den Abgaskanal stromabwärts einer Turbine der Gasturbine, und Reduzieren des Gegendrucks mittels des Luftstroms.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher, in denen übereinstimmende Teile durchgängig mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind:
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1 veranschaulicht schematisch ein Gasturbinensystem, das ein Lufteinspeisungssystem nutzt;
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2 veranschaulicht in einer Querschnittsansicht eines Abgaskanals entlang der Schnittlinie 2-2 in 1 eine Luftinjektorstufe mit Rechen;
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3 veranschaulicht anhand einer Querschnittsansicht des Abgaskanals entlang der Schnittlinie 2-2 in 1 eine Luftinjektorstufe mit Rechen;
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4 zeigt in einer quergeschnittenen perspektivischen Ansicht des Abgaskanals entlang der Schnittlinie 4-4 in 1 eine Luftinjektorstufe mit Luftinjektordüsen;
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5 zeigt in einer quergeschnittene perspektivische Ansicht des Abgaskanals entlang der Schnittlinie 4-4 in 1 eine Luftinjektorstufe mit Luftschaufeln;
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6 zeigt in einer quergeschnittenen perspektivischen Ansicht des Abgaskanals entlang der Schnittlinie 6-6 in 1 eine Luftinjektorstufe mit Luftinjektordüsen; und
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7 zeigt in einer quergeschnittenen perspektivischen Ansicht des Abgaskanals 18 entlang der Schnittlinie 7-7 in 1 die Luftinjektorstufe mit Luftinjektordüsen und Luftschaufeln.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nachfolgend werden ein oder mehrere spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. In dem Bemühen, eine kurzgefasste Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele vorzulegen, sind möglicherweise nicht sämtliche Merkmale einer tatsächlichen Verwirklichung in der Beschreibung aufgeführt. Es sollte als Vorteil erachtet werden, dass bei der Entwicklung einer jeden solchen Verwirklichung, wie in jedem technischen oder konstruktiven Projekt, zahlreiche anwendungsspezifische Entscheidungen zu treffen sind, um spezielle Ziele der Entwickler zu erreichen, z.B. Konformität mit systembezogenen und wirtschaftlichen Beschränkungen, die von einer Verwirklichung zur anderen unterschiedlich sein können. Darüber hinaus sollte es verständlich sein, dass eine solche Entwicklungsbemühung komplex und zeitraubend sein könnte, jedoch nichtsdestoweniger für den Fachmann, der über den Vorteil dieser Beschreibung verfügt, eine Routinemaßnahme der Entwicklung, Fertigung und Herstellung bedeuten würde.
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Wenn Elemente vielfältiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die unbestimmten und bestimmten Artikel "ein", "eine" bzw. "der, die, das" und dergleichen das Vorhandensein von mehr als einem Element einschließen. Die Begriffe "umfassen", "enthalten" und "aufweisen" sind als einschließend zu verstehen und bedeuten, dass möglicherweise zusätzliche Elemente vorhanden sind, die sich von den aufgelisteten Elementen unterscheiden.
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Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein ein Gasturbinensystem mit einem Lufteinspeisungssystem, das einen Gegendruck auf eine Gasturbine reduziert. Insbesondere trägt das Lufteinspeisungssystem dazu bei, die den Gegendruck hervorrufenden Abgase aus der Gasturbine abzuführen. Dies verbessert den Wirkungsgrad, indem die Energie, die die Gasturbine braucht, um Abgase auszustoßen, verringert wird. In speziellen Ausführungsbeispielen enthält das Lufteinspeisungssystem mehrere Luftinjektorstufen, die das Abgas aus der Gasturbine abführen. Jede Injektorstufe kann einen oder mehrere Luftinjektoren enthalten. Die Luftinjektoren können Luftschaufeln oder Luftinjektordüsen beinhalten. Die Injektoren oder Luftschaufeln sind dazu eingerichtet, den Luftstau zu minimieren und die Luftaufladung zu maximieren. Im Betrieb nehmen die Luftinjektoren und Luftdüsen umgebende und/oder stromaufwärts vorhandene Luft auf, die anschließend mit einer geringen Menge verdichteter Luft energetisch aufgeladene wird. Auf diese Weise sind die Luftinjektoren und Luftschaufeln in der Lage, große Volumina von Luft mit hoher Geschwindigkeit zu bewegen. Diese Luftschaufeln und -düsen können auf vielerlei Weise modifiziert werden, indem beispielsweise deren Form; der Winkel, unter dem sie Luft einspeisen; Abmessungen; die Menge; und der Abstand zwischen dem Kanal und benachbarte Luftinjektoren verändert wird. Außerdem können die Luftinjektoren auf unterschiedliche Weise mit dem Abgaskanal zusammenwirken. Beispielsweise können einige Luftinjektoren in den Abgaskanal ragen, während andere mit Abgaskanalwänden bündig abschließen oder gegenüber diesen zurückgesetzt sind.
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1 veranschaulicht schematisch ein Gasturbinensystem 10, das ein Lufteinspeisungssystem 12 nutzt. Das Gasturbinensystem 10 enthält das Lufteinspeisungssystem 12, eine Gasturbine 14, eine Last 16 und einen Abgaskanal 17 mit einem Abgaskamin 18. Das Lufteinspeisungssystem 12 kann vorteilhafterweise den Wirkungsgrad des Gasturbinensystems 10 verbessern. Speziell kann das Lufteinspeisungssystem 12 überschüssige verdichtete Luft aus der Gasturbine 14 zu dem Abgaskanal 17 (einschließlich des Abgaskamins 18) bewegen, um einen auf die Gasturbine 14 ausgeübten Gegendruck zu reduzieren. Das Lufteinspeisungssystem 12 kann eine oder mehrere Luftinjektorstufen oder Module 11 enthalten, die in dem Abgaskanal 17 befestigt oder mit diesem einstückig hergestellt sind und jeweils einen oder mehrere Luftinjektoren 13 enthalten. Jeder Injektor 13 speist Luft ein, um den Strom der Abgase in einer stromabwärts verlaufenden Richtung zu unterstützen, so dass ein Gegendruck verringert wird.
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Die Gasturbine 14 enthält einen Verdichter 20, eine Brennkammeranordnung 22, eine Brennstoffdüse 24 und eine Turbine 26. Im Betrieb saugt der Verdichter 20 Luft in die Gasturbine 14 und verdichtet sie für die Verbrennung. Wie zu sehen, enthält der Verdichter mehrere Laufräder oder Verdichterstufen 28, 30 und 32, die jeweils mehrere Verdichterlaufschaufeln aufweisen. Während lediglich drei Laufräder oder Stufen gezeigt sind, kann ein Verdichter 20 zusätzliche Laufräder oder Stufen (z.B. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10 oder mehr) enthalten. Jede Stufe 28, 30 und 32 verwendet die Schaufeln, um die Luft fortschreitend mit höherem Druck zu verdichten. Nachdem die Luft den Verdichter 20 durchströmt hat, tritt sie in die Brennkammeranordnung 22 ein. In der Brennkammer 22 vereinigt sich die Luft mit Brennstoff aus der Brennstoffdüse 24 und verbrennt mit diesem. Die Verbrennung der Luft und des Brennstoffs erzeugt heißes verdichtetes Verbrennungsgas, das sich anschließend durch die Turbine 26 bewegt.
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Die Turbine 26 enthält, wie der Verdichter 20, einige Laufräder oder Turbinenstufen 34, 36 und 38, die jeweils mehrere Turbinenlaufschaufeln aufweisen. Während lediglich drei Laufräder oder Stufen gezeigt sind, kann eine Turbine 26 zusätzliche Laufräder oder Stufen (z.B. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10 oder mehr) enthalten. Die Bewegung der Verbrennungsgase durch die Turbine 26 versetzt die Turbinenlaufschaufeln und Laufräder in Drehung. Die Rotation der Laufräder oder Turbinenstufen 34, 36 und 38 bewirkt eine Rotation der Welle 40, die anschließend eine Last 16 (z.B. einen Generator) antreibt. Während die heißen Verbrennungsgase mit hoher Geschwindigkeit nacheinander die Turbinenstufen 34, 36 und 38 durchströmen, werden die Abgase 42 Gase aufgrund der Wände 19, Biegungen und allgemeiner Strömungsbehinderung der Stationen Abgas 42 behindert, so dass dadurch auf den Strom von Abgasen 42 wirkender Gegendruck akkumuliert wird, sie expandieren, kühlen ab und verlangsamen sich fortschreitend, bevor sie als relativ langsam strömendes Abgas 42 in den Abgaskamin 18 eintreten. Der Abgaskanal 17 entspricht dem Abgasstrom 42 im Wesentlichen und verlangsamt allgemein den Strom der Bewegung durch die Turbine 26. Der Gegendruck bewirkt, dass die Gasturbine stärker gefordert ist und mehr Brennstoff verbrennt, um den Gegendruck zu bewältigen. Vorteilhafterweise kann das Gasturbinensystem 10 ein Lufteinspeisungssystem 12 enthalten, das den Gegendruck reduziert und den Wirkungsgrad steigert. Speziell ist das Lufteinspeisungsystem 12 dazu eingerichtet, den Abgasstrom aufzuladen oder ihm Impuls hinzuzufügen, um den Effekten der Strömungsbehinderung entgegenzuwirken.
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Zu dem Lufteinspeisungssystem 12 gehören: eine Steuereinrichtung 44; Luftinjektormodule oder -stufen 46, 48, 50 und 72; eine Verdichterluftzufuhr 54; eine Druckaufbauventilanordnung 56; eine Druckentlastungsventilanordnung 58; und ein Sensor 59. Vorteilhafterweise kann das Lufteinspeisungssystem 12 verdichtete Luft aus der Gasturbine 14 nutzen, um den Gegendruck zu reduzieren, der durch das Abgas 42 verursacht ist. Wie oben erläutert, verdichtet der Verdichter 20 Luft für die Verbrennung in der Brennkammeranordnung 22. Der Verdichter 20 erzeugt möglicherweise mehr verdichtete Luft als die Gasturbine 14 während der Verbrennung nutzen kann. Anstatt diese überschüssige verdichtete Luft nutzlos abzuführen, nutzt das Lufteinspeisungssystem 12 die verdichtete Luft in den Luftinjektorstufen 46, 48, 50 und 72 für die Reduzierung des Gegendrucks.
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Das Lufteinspeisungssystem 12 verwendet die Ventilvorrichtungen 56 und 58, um den Strom der von dem Verdichter stammenden verdichteten Luft 20 in die Luftinjektorstufen 46, 48, 50 und 72 zu steuern. Die Steuereinrichtung 44 enthält einen Prozessor 45, einen Speicher 47 und Befehle, die in dem Speicher 47 gespeichert sind und durch den Prozessor 45 ausgeführt werden können. Die Steuereinrichtung 44 wirkt mit dem Sensor 59 zusammen und nimmt von ihm Daten auf (die z.B. die Abgasgeschwindigkeit, den Druck in dem Abgaskanal 17 und dergleichen betreffen). Die Steuereinrichtung verarbeitet diese Daten anschließend mittels des Prozessors 45 und führt Befehle aus, die in dem Speicher 47 gespeichert sind. Während lediglich ein einziger Sensor 59 veranschaulicht ist, können andere Ausführungsbeispiele mehrere Sensoren enthalten, die an unterschiedlichen Orten in dem Abgaskanal 17 Eigenschaften messen. Im Betrieb führt die Steuereinrichtung 44 Befehle aus, um die Ventile 60, 62 und 64 in der Ventilanordnung 56 zu öffnen und zu schließen, um selektiv überschüssige verdichtete Luft aus entsprechenden Verdichterstufen 28, 30 und 32 in die Verdichterluftzufuhr 54 strömen zu lassen. Während lediglich drei Ventile veranschaulicht sind, kommen in verschiedenen Konstruktionen auch mehr Ventile in Betracht. Die Ventilanordnung 56 kann z.B. 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15 oder mehr Ventile enthalten. In einigen Ausführungsbeispielen kann jedes Ventil die Freigabe verdichteter Luft aus einer entsprechenden Verdichterstufe in dem Verdichter 20 steuern. In weiteren Ausführungsbeispielen kann ein einzelnes Ventil die Freigabe verdichteter Luft aus einer einzelnen Stufe, aus sämtlichen Stufen, oder aus einigen der Stufen steuern. In noch weiteren Ausführungsbeispielen stellen Ventile eine strömungsmäßige Verbindung möglicherweise lediglich mit einigen der Stufen (z.B. mit den Stufen, die den höchsten Druck oder den geeigneten Druck für den Abgaskanal 17 aufweisen) her.
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Die Verdichterluftzufuhr 54 kann einen Luftverteilerkrümmer, einen Speicherbehälter, Leitungen, oder eine beliebige Kombination davon beinhalten. In speziellen Ausführungsbeispielen kann die Zufuhr 54 einfach die Quelle verdichteter Luft beinhalten, d.h. den Verdichter 20 selbst. Die Ventilanordnung 56 nimmt die verdichtete Luft aus der Zufuhr 54 auf und verzweigt sie zu den Luftinjektorstufen 46, 48, 50 und 72. Die Ventilanordnung 58 enthält Ventile 66, 68, 70 und 72. Jedes Ventil entspricht einer entsprechenden Luftinjektorstufe 46, 48, 50 und 72. In weiteren Ausführungsbeispielen sind möglicherweise eine größere Anzahl von Luftinjektorstufen (z.B. 1, 2, 3, 4, 6, 8, 14 oder mehr) und eine entsprechende Anzahl von Ventilen (z.B. 1, 2, 3, 4, 6, 8, 14 oder mehr) vorhanden. In noch weiteren Ausführungsbeispielen sind möglicherweise weniger Ventile als Luftinjektorstufen vorhanden (z.B. ein Ventil für sämtliche Luftinjektoren). Im Betrieb führt die Steuereinrichtung 44 Befehle aus, um die Ventile 66, 68, 70 und 72 zu öffnen und zu schließen, um verdichtete Luft in die entsprechenden Luftinjektorstufen 46, 48, 50 und 72 einzuspeisen. Die Luftinjektorstufen 46, 48, 50 und 72 lenken anschließend die verdichtete Luft in die Luftinjektoren 13. Die Luftinjektoren 13 nutzen die verdichtete Luft, um die Geschwindigkeit oder den Impuls des Abgases 42 zu steigern, während es durch den Abgaskanal 17 (der den Abgaskamin 18 einschließt) strömt, so dass dadurch Gegendruck an der Gasturbine 14 verringert wird. Die Steuereinrichtung 44 führt Befehle zur selektiven Steuerung der Ventile aus, um den Massendurchsatz und die Verteilung auf die unterschiedlichen Stufen und Injektoren 13 einzustellen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 44 Befehle ausführen, um die Geschwindigkeit des Abgases zwischen den Stufen 46, 48, 50 und 72 durch Erhöhung der Menge verdichteter Luft in jeder Stufe in fortschreitendem Maße zu steigern. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Steuereinrichtung 44 Befehle ausführen, um die Geschwindigkeit des Abgases 42 in derjenigen Stufe zu steigern, die der Turbine 26 am nächsten ist (z.B. in der Stufe 46), und um anschließend die Einspeisung verdichteter Luft in die nachfolgenden Stufen 48, 50 und 72 in fortschreitendem Maße zu reduzieren. In jeder Anordnung fördern die Injektoren 13 in jeder Stufe oder in jedem Modul 11 die Aufladung des Abgasstroms, um der Strömungsbehinderung, während das Abgas 42 durch den Abgaskanal strömt, entgegenzuwirken. Außerdem kann jede Stufe bzw. jedes Modul 11 den Strom auf unterschiedliche Weise aufladen oder mit diesem wechselwirken. Beispielsweise können die Stufen oder Module 11 Luftinjektoren 13 aufweisen, die in den Strom ragen, bündig mit dem Abgaskanal 17 sind, oder gegenüber dem Strom abgewinkelt sind. Durch das Hineinragen in den Strom kann der Luftinjektor 13 die Mitte des Stroms wirkungsvoller aufladen. Im Gegensatz dazu können die Injektoren 13, die mit dem Abgaskanal 17 bündig sind, die äußeren Bereiche der Strömung wirkungsvoller aufladen. Weiter kann der Winkel der Luftinjektoren 13 gegenüber dem Strom die Strömung wirkungsvoller in einer aus dem Abgaskanal 17 herausführenden Richtung aufladen. Folglich kann eine Stufe bzw. ein Modul 11 in Abhängigkeit von dem Ausführungsbeispiel die Art und Weise anpassen, in der der eine (oder die mehreren) Luftinjektor(en) 13 mit der Strömung wechselwirken (d.h. ob die Strommitte, die Stromränder oder die Richtung der Strömung aufgeladen wird).
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2 veranschaulicht in einer Querschnittsansicht des Abgaskanals 17 entlang der Schnittlinie 2-2 in 1 ein Ausführungsbeispiel der Luftinjektorstufe 46 mit Rechen 90, 92 und 94. Während lediglich drei Rechen gezeigt sind, sind in Abhängigkeit von dem Ausführungsbeispiel möglicherweise mehr Rechen (z.B. 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15 oder mehr) vorhanden. Wie zu sehen, weist der Abgaskanal 17 die Gestalt eines Rechtecks mit vier Seitenwänden 96, 98, 100 und 102 auf. In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Abgaskanal 17 kreisförmig, quadratisch, oval, hexagonal und dergleichen sein. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Rechen 90, 92 und 94 zwischen den Seitenwänden 96 und 98 angeordnet und durch Abstände 104, 106, 108 und 110 voneinander beabstandet. Die Abstände 104, 106, 108 und 110 können sich in Abhängigkeit von dem Ausführungsbeispiel ändern, um spezielle Strömungscharakteristiken zu erreichen. Beispielsweise können die Abstände 104 und 110 klein sein, um die Rechen 90 und 94 in der Nähe der Seitenwände 100 und 102 zu positionieren. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Rechen 90, 92 und 94 zueinander näher beabstandet sein. Die Rechen 90, 92 und 94 können auch verschiedene Ausrichtungen aufweisen, um vertikale Ausrichtungen zwischen den Wänden 100 und 102 einzuschließen. In noch weiteren Ausführungsbeispielen können die Rechen zwischen den Wänden 96, 98, 100 und 102 diagonal ausgerichtet sein.
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Die Rechen 90, 92 und 94 enthalten einen oder mehrere Luftinjektoren 13, z.B. Luftinjektordüsen 112. Jeder Rechen 90, 92 und 94 kann eine oder mehrere Düsen 112 (z.B. 1, 2, 3, 4, 5, 10, 25 oder mehr) enthalten. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Anzahl von Düsen 112 zwischen den Rechen 90, 92 und 94 unterschiedlich sein. Beispielsweise kann der Rechen 94 zwölf Düsen 112 haben, während die Rechen 90 und 92 jeweils vier aufweisen. Weiter können sich die Düsen 112 hinsichtlich ihrer Form und Größe unterscheiden. Die Formen sind beispielsweise kreisförmig, zickzackförmig, rechteckig, quadratisch, halbmondförmig und ellipsenförmig. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Größe der Düsen 112 über den Rechen hinweg fortschreitend zunehmen, um die Charakteristik der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases zwischen den Seitenwänden 96, 98, 100 und 102 des Abgaskanals 17 zu verbessern. Beispielsweise können kleinere Düsen 112, die verdichtete Luft mit hoher Geschwindigkeit ausgeben, näher an den Seiten des Abgaskanals 17 angeordnet sein, wo die Strömung möglicherweise am langsamsten ist, während Düsen 112 mit geringerem Druck sich in der Nähe der Mitte des Abgaskanals 17 befinden. In noch weiteren Ausführungsbeispielen können die Abstände und Größen der Düsen 112 übereinstimmen. Dies kann die Strömung des Abgases 42 durch den Abgaskanal 17 hindurch verbessern. Darüber hinaus kommen durch Variieren von Düsenabmessung, Düsengestalt, Düsenanzahl, Düsenabstand und Rechenbeabstandung viele Kombinationen in Betracht.
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3 veranschaulicht in einer Querschnittsansicht des Abgaskanals 17 entlang der Schnittlinie 2-2 in 1 die Luftinjektorstufe 46 mit Rechen 140, 142 und 144. Die Rechen 140, 142 und 144 weisen Luftschaufelschlitze 146, 148, 150 und 152 auf. Die Luftschaufeln 146, 148 und 150 wirken ähnlich wie die Luftdüsen 112 in 2 und geben Luft aus, um Abgase 42 aufzuladen oder durch den Abgaskanal 17 zu drücken. Außerdem können die Luftschaufeln 146 die Strömung gleichmäßiger aufladen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Rechen 140, 142 und 144 zwischen den Seitenwänden 100 und 102 in einer vertikalen Ausrichtung. Die Rechen 140, 142 und 144 können in Abhängigkeit von dem Ausführungsbeispiel (z.B. horizontale, diagonale) Ausrichtungen ändern und Abstände 154, 156, 158 und 160 zwischen sich und den Seitenwänden 96, 98, 100 und 102 ändern. Außerdem können die Rechen 140, 142 und 144 mehr als eine Luftschaufel aufweisen. Wie zu sehen, weist der Rechen 140 zwei Luftschaufeln 150 und 152 auf, während die Rechen 142 und 144 eine Luftschaufel 146 bzw. 148 aufweisen. Andere Ausführungsbeispiele können eine größere Anzahl von Luftschaufeln in jedem Rechen (z.B. 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr) oder unterschiedliche Anzahlen von Rechen (z.B. 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr) aufweisen. Beispielsweise kann der Rechen 140 zwei Schaufeln aufweisen, während der Rechen 144 fünf und der Rechen 142 drei Schaufeln aufweist. Zuletzt können die Gestalt der Luftschaufel unterschiedlich sein (z.B. geradlinig, wellenförmig, zickzackförmig und dergleichen). Beispielsweise bildet die Schaufel 148 einen wellenförmigen Schlitz, während die übrigen Schaufeln 146, 150 und 152 einen geraden rechteckigen Schlitz bilden.
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4 veranschaulicht in einer Querschnittsansicht des Abgaskanals 17 entlang der Schnittlinie 4-4 in 1 die Luftinjektorstufe 48 mit Luftinjektordüsen 180. Wie zu sehen, sind die Düsen 180 mit den Seitenwänden 96, 98, 100 und 102 bündig. Dementsprechend können die Luftinjektordüsen 180 die Bereiche der Strömung beeinflussen, die sich in nächster Nähe der Seitenwände 96, 98, 100 und 102 befinden. Die Luftinjektorstufe 48 kann mit den Luftdüsen 180 unter Verwendung der Variablen von Form, Winkel, Größe, Menge und Beabstandung vielfältige Anordnungen bilden. Beispielsweise können die Seitenwände 96, 98, 100 und 102 übereinstimmende oder unterschiedliche Anzahlen (z.B. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, oder 10) von Düsen 180 aufweisen. Die Seitenwand 96 kann z.B. drei Düsen 180 aufweisen, während die übrigen Wände 98, 100 und 102 sechs, sieben bzw. vier Düsen 180 aufweisen. Jede dieser Düsen 180 kann unterschiedlich gestaltet sein, z.B. kreisförmig, zickzackförmig, rechteckig, quadratisch, halbmondförmig und ellipsenförmig. Außerdem kann die Luftinjektorstufe 48 unterschiedlich gestaltete Düsen 180 an unterschiedlichen Orten (z.B. an einigen oder sämtlichen der Seitenwände 96, 98, 100 und 102) aufweisen.
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Weiter können die Luftdüsen 180 bezüglich der Seitenwände 96, 98, 100 und 102 in der Richtung des Abgasstroms einen Winkel 182 bilden. Der Winkel der Luftdüsen 180 kann die Art und Weise der Aufladung der Strömung beeinflussen (d.h. kleinere Winkel können die Strömung in einer Richtung aufladen, die parallel zu dem Abgaskanal 17 verläuft, während ein großer Winkel den Strom in einer senkrecht zu dem Abgaskanal 17 verlaufenden Richtung zunehmend aufladen wird). Der Winkel 182 kann ein beliebiger Winkel im Bereich von etwa 0 und 90° sein (z.B. im Bereich von etwa 10–30, 20–70, 45–65 Grad liegen). Beispielsweise kann der Winkel 182 etwa 18, 20 oder 30 Grad betragen. In einigen Ausführungsbeispielen können die Luftdüsen 180 an der Seitenwand 96 einen Winkel von etwa 90 Grad bilden, während die Luftdüsen 180 an der Seitenwand 100 mit einem Winkel von etwa 45° angeordnet sind. In noch weiteren Ausführungsbeispielen kann jede der Luftdüsen 180 einen Winkel 182 bilden, der sich von den übrigen unterscheidet.
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Wie oben erörtert, können die Luftdüsen 180 verschiedene Abmessungen bilden und in Bezug zueinander unterschiedlich beabstandet sein. Wie zu sehen, weist die Seitenwand 102 unterschiedlich große Luftdüsen 180 auf. Die verschiedenen Größen der Luftdüsen 180 können den Luftstrom in Bereichen der Luftinjektorstufe steigern oder verringern, die den Strom des Abgases 42 optimieren. Die Luftdüsen 180 an der Seitenwand 102 sind voneinander durch Abstände 184, 186, 188, 190 und 192 getrennt. Die Beabstandung zwischen den Luftdüsen 180 kann das Profil des durch die Luftinjektorstufe 48 strömenden Stroms von Abgas 42 ändern. Beispielsweise können die Luftinjektoren 180 durch eine Verringerung der Abstände 184, 186, 190 und 192 und durch eine Vergrößerung des Abstands 188 einen kräftigeren Luftstrom in der Nähe der Seitenwände 96 und 98 bereitstellen, um dadurch eine größere Aufladung des Stroms von Abgas 42 entlang der Seitenwände 96 und 98 zu bereitzustellen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann durch Verringern des Abstands 188 und Vergrößern der Abstände 184, 186, 190 und 192 das Gegenteil auftreten.
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5 veranschaulicht in einer quergeschnittenen perspektivischen Ansicht des Abgaskanals 17 entlang der Schnittlinie 4-4 in 1 die Luftinjektorstufe 48 mit Luftschaufeln 210. Wie die Düsen in 4, bewegen die Schaufeln 210 Abgas 42 durch den Abgaskanal 17. Die Luftschaufeln 210 sind, wie die Düsen in 4, mit dem Abgaskanal 17 bündig und werden daher die Bereiche der Strömung beeinflussen, die sich in nächster Nähe der Seitenwände 96, 98, 100 und 102 befinden. Die Luftschaufeln 210 können durch Änderung der Form, des Winkels und der Anzahl vielfältige Konstruktionen bilden. Die Luftschaufeln 210 können unterschiedliche Formen, beispielsweise wellenförmige, zickzackförmige und gerade rechteckige Schlitze, bilden. Die Luftschaufeln 210 können aus den Seitenwänden 96, 98, 100 und 102 ragen. Dieser Winkel 212 kann ein beliebiger Winkel im Bereich von etwa 0 und 90° sein (z.B. im Bereich von 10–30, 20–70, oder 45–65 Grad liegen). Beispielsweise kann der Winkel 212 etwa 10, 20 oder 30 Grad betragen. In speziellen Ausführungsbeispielen kann eine der Luftschaufeln 210 einen Winkel 212 von etwa 90 Grad zu der Seitenwand 96 bilden, während die anderen Luftschaufeln 210 bezüglich der Seitenwände 98, 100 und 102 einen Winkel 212 von etwa 30 Grad aufweisen. In noch weiteren Ausführungsbeispielen kann jede der Luftschaufeln 210 einen Winkel 212 bilden, der sich von den übrigen unterscheidet. Außerdem kann jede Seitenwand 96, 98, 100 und 102 mehr als eine Luftschaufel 210 aufweisen, oder einige Wände weisen möglicherweise keine Luftschaufeln 210 auf.
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6 zeigt in einer quergeschnittenen perspektivischen Ansicht des Abgaskanals 17 entlang der Schnittlinie 6-6 in 1 die Luftinjektorstufe 50 mit Luftinjektordüsen 240. Wie zu sehen, ragen die Düsen 240 aus den Seitenwänden 96, 98, 100 und 102. In weiteren Ausführungsbeispielen können anstelle der Düsen 240 Luftschaufeln aus den Seitenwänden 96, 98, 100 und 102 ragen. Dadurch dass die Luftdüsen 240 (oder Luftschaufeln) in den Strom ragen, können sie die Mitte der Strömung wirkungsvoller aufladen.
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Die Luftinjektorstufe 50 kann in Zusammenhang mit den Luftdüsen 240 mittels der Variablen der Form, der Winkel, der Abmessungen, der Anzahl und der Beabstandung vielfältige Anordnungen bilden. Beispielsweise können die Seitenwände 96, 98, 100 und 102 übereinstimmende oder unterschiedliche Anzahlen (z.B. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, oder 10) von Düsen 240 an jede Wand aufweisen. Die Seitenwand 96 kann z.B. drei Düsen 240 haben, während die übrigen Wände 98, 100 und 102 vier, fünf bzw. sechs Düsen 240 aufweisen. In einigen Ausführungsbeispielen weisen einige Wände möglicherweise keine Düsen 240 auf. Jede dieser Düsen 240 kann vielfältige Formen bilden, um beispielsweise kreisförmige, zickzackförmige, rechteckige, quadratische, halbmondförmige und ellipsenförmige Düsen zu beinhalten. Außerdem kann die Luftinjektorstufe 50 an unterschiedlichen Orten (z.B. an verschiedenen Seitenwänden 96, 98, 100 und 102) unterschiedlich ausgebildete Düsen 240 anordnen.
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Weiter können die Luftdüsen 240 bezüglich der Seitenwände 96, 98, 100 und 102 in der stromabwärts verlaufenden Richtung des Abgasstroms einen Winkel 242 bilden. Der Winkel der Luftdüsen 240 kann die Art und Weise der Aufladung der Strömung beeinflussen (d.h. kleinere Winkel können die Strömung in einer Richtung aufladen, die parallel zu dem Abgaskanal 17 verläuft, während ein großer Winkel den Strom in einer senkrecht zu dem Abgaskanal 17 verlaufenden Richtung zunehmend aufladen wird). Der Winkel 242 kann ein beliebiger Winkel im Bereich von etwa 0 und 90° sein (z.B. im Bereich von etwa 10–30, 20–70 oder 45–65 Grad liegen). Beispielsweise kann jede Düse 240 einen Winkel 242 von etwa 10, 20 oder 30 Grad aufweisen. In einigen Ausführungsbeispielen können die Luftdüsen 240, die mit der Seitenwand 96 verbunden sind, einen Winkel von etwa 90 Grad bilden, während die Luftdüsen 240, die mit der Seitenwand 98 verbunden sind, unter einem Winkel von etwa 45° angeordnet sind. In noch weiteren Ausführungsbeispielen kann jede der Luftdüsen 240 einen Winkel 242 bilden, der sich von den übrigen unterscheidet.
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Wie oben erörtert, kann die Luftinjektorstufe 50 Beabstandungen und Maße zwischen den Düsen 240 ändern. Die unterschiedliche Bemessung von Luftdüsen 240 kann den Luftstrom in Abschnitten der Luftinjektorstufe 50 steigern oder verringern, um den Strom des Abgases 42 zu optimieren. Weiter können die Luftdüsen 240 Abstände in Bezug zueinander ändern. Beispielsweise sind die Düsen 240 voneinander durch Abstände 244, 246, 248 und 250 beabstandet. Die Beabstandung zwischen den Luftdüsen 240 kann, wie die Größe der Luftdüsen 240, die Art und Weise der Beschleunigung des durch die Luftinjektorstufe 50 strömenden Abgases 42 ändern. Beispielsweise kann eine Veränderung der Abstände 244, 246, 248 und 250 die Düsen 240 näher an die Seitenwände 96 und 98 heranbringen, mit der Folge einer Beschleunigung des Abgases in der Nähe der gegenüberliegenden Ränder der Seitenwand 102. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Gegenteil auftreten, indem die Düsen 240 durch eine Verringerung der Abstände 244, 246, 248 und 250 den Strom des Abgases 42 in der Nähe der Mitte des Abgaskanals 18 beschleunigen können.
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7 zeigt in einer quergeschnittenen perspektivischen Ansicht des Abgaskanals 18 entlang der Schnittlinie 7-7 in 1 die Luftinjektorstufe 52 mit Luftinjektordüsen 270 und 280 und Luftschaufeln 300 und 310. Das in 7 gezeigte Ausführungsbeispiel vereinigt die verschiedenen Luftdüsen und Luftschaufeln der vorangehenden Ausführungsbeispiele von 2–6 in der Luftinjektorstufe 52. Insbesondere enthält die Luftinjektorstufe 52 Düsen 270, die mit der Wand 96 bündig sind, Düsen 280, die aus der Seitenwand 98 in den Kanal 17 ragen, eine Luftschaufel 300, die aus der Wand 102 in den Kanal 17 ragt, und die Luftschaufel 310, die mit der Wand 100 bündig ist. Während 7 eine mögliche Anordnung veranschaulicht ist, kommen viele andere Anordnungen in Betracht. Beispielsweise können einige Wände Kombinationen von Luftschaufeln und Luftdüsen aufweisen, die relativ zu dem Abgaskanal 17 bündig, zurückgesetzt oder vorragend sind. In noch weiteren Ausführungsbeispielen können verschiedene Wände vorragende Luftdüsen 280 mit bündigen Düsen 270 an sämtlichen Wänden 96, 98, 100 und 102 kombinieren, oder ein Ausführungsbeispiel kombiniert vorragende Luftschaufeln 300 und bündige Luftschaufeln 310. Darüber hinaus kann die Luftinjektorstufe 52 die Luftdüsen 270 und 280 und die Luftschaufeln 300 und 310 in 7 mittels der oben in 2–6 erörterten Variablen, beispielsweise durch Änderung der Formen, des Winkels 312, der Größe, der Anzahl und der Beabstandung, zusätzlich modifizieren.
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Technische Effekte der Erfindung beinhalten die Fähigkeit, einen auf ein Gasturbinensystem ausgeübten Gegendruck unter Nutzung von überschüssiger verdichteter Luft aus dem Verdichter zu reduzieren. Insbesondere reduzieren die offenbarten Ausführungsbeispiele den Gegendruck an einer Gasturbine mittels Luftinjektorstufen entlang eines Abgaskanals. Die Luftinjektorstufen enthalten Luftinjektoren, die die überschüssige verdichtete Luft nutzen, um die Abgase beschleunigt aus dem System abzuführen. Auf diese Weise reduziert das System den auf die Gasturbine ausgeübten Gegendruck, was ihren Wirkungsgrad verbessert.
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Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung einschließlich des besten Modus zu beschreiben und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, beispielsweise beliebige Vorrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen, und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche enthalten.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel gehören zu einem System ein Abgaskanal, der dazu eingerichtet ist, einen Abgasstrom zu kanalisieren, und ein Lufteinspeisungssystem, das mit dem Abgaskanal verbunden ist, wobei das Lufteinspeisungssystem einen ersten Luftinjektor enthält, der dazu eingerichtet ist, Luft in den Abgaskanal einzuspeisen, um den Strom des Abgases durch den Abgaskanal zu fördern.
