DE102014111842A1

DE102014111842A1 - Einlasszapflufterwärmungssystem und zugehöriges Verfahren für einen kompakten Gasturbineneinlass

Info

Publication number: DE102014111842A1
Application number: DE102014111842.1A
Authority: DE
Inventors: Laxmikant Merchant; Douglas Carl Hofer; Valery Ivanovich Ponyavin; Douglas Scott Byrd
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2014-08-19
Publication date: 2015-03-12
Also published as: US9359951B2; CH708572A2; CN104420998A; CN104420998B; JP2015052320A; US20150068217A1; JP6514463B2

Abstract

Ein Einlasssystem für eine Gasturbine enthält: einen Einlassluftkanal; einen in dem Einlassluftkanal angeordneten Lärmminderer, wobei der Lärmminderer mehrere Paneele mit Zwischenräumen zwischen den Paneelen enthält; und eine Leitung mit Öffnungen, die zur Injektion von Einlasszapfluftwärme in jeden von den Zwischenräumen angeordnet sind. Ein Verfahren zum Konditionieren von Einlassluft für eine Gasturbine enthält ein Strömenlassen von Luft durch Zwischenräume zwischen Paneelen eines Lärmminderers in einem Einlassluftkanal der Gasturbine und Injizieren von Einlasszapfluftwärme durch Öffnungen hindurch und in jeden von den Zwischenräumen hinein

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft ein Zapfluftsystem zur Erwärmung der Einlassluft (Einlasszapflufterwärmungs-(IBH, Inlet Bleed Heat)-System) und Verfahren für einen kompakten Gasturbineneinlass. Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft insbesondere ein Einlasszapflufterwärmungssystem und ein Verfahren für einen kompakten Gasturbineneinlass mit verbesserter Zumischung der Zapfluftwärme für die Einlassluft (Einlasszapfluftwärme).
Die US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009/0241552 offenbart ein Einlasszapflufterwärmungssystem mit einer Versorgungsleitung, mehreren sich von der Versorgungsleitung aus erstreckenden Zuführungsrohren und einem Führungsrohr zur Aufnahme von zu der Versorgungsleitung entgegengesetzten Enden der Zuführungsrohre. Die Zuführungsrohre weisen jeweils mehrere Injektionsöffnungen auf, und die Zuführungsrohre sind derart ausgerichtet, dass die Injektionsöffnungen im Wesentlichen in einen Strom ankommender Luft zeigen.
Ein weiteres Einlasszapflufterwärmungssystem ist in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2013/0115061 offenbart, welches mit an die General Electric Company übertragen ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009/0241552 offenbarte System hat gewisse Nachteile. Ein erster Nachteil ist, dass eine größere Kanallänge erforderlich ist, um eine angemessene Zumischung der Einlasszapfluftwärme zu schaffen. Ein zweiter Nachteil ist, dass die Anordnung der Injektionsöffnungen zu übermäßigem Lärm führt. Ein dritter Nachteil ist, dass die Anordnung der Zuführungsrohre eine sehr hohe Anzahl von Zuführungsrohren erfordert, was zu hohen Kosten und hoher Komplexität des Systems führt.
Aspekte des hierin beschriebenen Einlasszapflufterwärmungssystems stellen Lösungen für ein oder mehrere Probleme oder Nachteile, die mit dem Stand der Technik verbunden sind, bereit.
In einem exemplarischen, aber nicht-einschränkenden Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Einlasssystem für eine Gasturbine. Das System weist auf: einen Einlassluftkanal; einen in dem Einlassluftkanal angeordneten Lärmminderer, wobei der Lärmminderer mehrere Paneele mit Zwischenräumen zwischen den Paneelen aufweist; und eine Leitung mit Öffnungen, die zum Injizieren von Einlasszapfluftwärme in jeden von den Zwischenräumen angeordnet sind.
In dem zuvor erwähnten System können sich die Öffnungen zwischen einem stromaufwärtigen Ende und einem stromabwärtigen Ende der Paneele befinden.
In dem System jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs können die Öffnungen so ausgerichtet sein, dass sie die Einlasszapfluftwärme mit einer ersten positiven Geschwindigkeitskomponente entgegengesetzt zu einer Richtung eines Einlassluftstroms durch die Paneele injizieren.
Zusätzlich oder alternativ können die Öffnungen so ausgerichtet sein, dass sie die Einlasszapfluftwärme mit einer zweiten positiven Geschwindigkeitskomponente rechtwinklig zu der Richtung des Einlassluftstroms durch die Paneele injizieren.
In dem System jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann jede von den Öffnungen entlang der Leitung im Wesentlichen an einem Mittelpunkt zwischen zwei Paneelen von den mehreren Paneelen angeordnet sein.
In dem System jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs können die Paneele im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sein, und die Leitung kann im Wesentlichen rechtwinklig zu den Paneelen ausgerichtet sein.
Das System jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann ferner eine zweite Leitung im Wesentlichen parallel zu und im Wesentlichen gleichartig wie die Leitung aufweisen.
In dem System jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs können die Öffnungen so dimensioniert sein, dass sie die Einlasszapfluftwärme mit Schallgeschwindigkeit injizieren.
In dem System jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann eine Anzahl der Öffnungen ein ganzzahliges Vielfaches einer Anzahl der Zwischenräume sein.
In dem System jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs können die Öffnungen derart zum Injizieren der Einlasszapfluftwärme angeordnet sein, dass die Einlasszapfluftwärme aufgrund des Einlassluftstroms durch die Zwischenräume die Strömungsrichtung in den Zwischenräumen verändert.
In einem weiteren exemplarischen, jedoch nichteinschränkenden Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Kraftwerk. Das Kraftwerk weist auf: eine Gasturbine, die einen Verdichter, ein Verbrennungssystem und ein Turbinensystem enthält; eine mechanische oder elektrische Last; und ein Einlasssystem für die Gasturbine. Das Einlasssystem weist auf: einen Einlassluftkanal; einen in dem Einlassluftkanal angeordneten Lärmminderer, wobei der Lärmminderer mehrere Paneele mit Zwischenräumen zwischen den Paneelen enthält; und eine Leitung mit Öffnungen, die zum Injizieren von Einlasszapfluftwärme in jeden der Zwischenräume angeordnet sind.
In dem vorstehend erwähnten Kraftwerk der vorliegenden Erfindung kann das Einlasssystem eine beliebige der vorstehend erwähnten Ausführungsformen aufweisen.
In einem weiteren exemplarischen, aber nichteinschränkenden Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Konditionieren von Einlassluft für eine Gasturbine. Das Verfahren weist ein Strömenlassen von Luft durch Zwischenräume zwischen Paneelen eines Lärmminderers in einem Einlassluftkanal der Gasturbine und Injizieren von Einlasszapfluftwärme durch Öffnungen hindurch und in jeden der Zwischenräume auf.
In dem zuvor erwähnten Verfahren der vorliegenden Erfindung kann die Einlasszapfluftwärme zwischen einem stromaufwärtigen Ende und einem stromabwärtigen Ende der Paneele injiziert werden.
In dem Verfahren jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann die Einlasszapfluftwärme mit einer ersten positiven Geschwindigkeitskomponente entgegengesetzt zu einer Richtung eines Einlassluftstroms durch die Paneele injiziert werden.
Zusätzlich oder alternativ kann die Einlasszapfluftwärme mit einer zweiten positiven Geschwindigkeitskomponente rechtwinklig zu der Richtung des Einlassluftstroms durch die Paneele injiziert werden.
In dem Verfahren jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann die Einlasszapfluftwärme stromaufwärts von den Paneelen injiziert werden.
Das Verfahren jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann ferner aufweisen, dass veranlasst wird, dass sich eine Richtung, in die die Einlasszapfluftwärme strömt, aufgrund des Einlassluftstroms durch die Zwischenräume verändert.
Das Verfahren jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann ferner ein Umkehren der Strömungsrichtung der Einlasszapfluftwärme in den Zwischenräumen nach dem Verlassen der Öffnungen aufweisen.
Das Verfahren jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann ferner ein ausgelöstes Zumischen der Einlasszapfluftwärme stromabwärts von dem Lärmminderer, mit fortgesetztem Zumischen in dem Lärmminderer und stromaufwärts von den Öffnungen aufweisen.
Das Verfahren jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann ferner ein Abschließen der Zumischung stromabwärts von dem Lärmminderer aufweisen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine vereinfachte Seitenaufrissansicht eines bekannten Einlasssystems für eine Gasturbinenmaschine;
2 ist eine vereinfachte Seitenaufrissansicht für eine Gasturbinenmaschine gemäß einem exemplarischen, aber nicht-einschränkenden Aspekt der Offenbarung;
3 zeigt ein aus 1 entnommenes vergrößertes Detail;
4 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren bekannten Lärmminderer- und Einlasszapflufterwärmungssystem;
5 veranschaulicht eine horizontale Teilquerschnittsansicht des Lärmminderer- und Einlasszapfluftsystems von 4;
6 veranschaulicht eine weitere bekannte Beziehung zwischen Lärmmindererpaneelen und Einlasszapfluftwärmeleitungen;
7 zeigt ein aus 2 entnommenes vergrößertes Detail;
8 veranschaulicht eine bekannte Beziehung zwischen einem Lärmminderer und der Einlasszapfluftwärmeleitung gemäß Darstellung in 7;
9 veranschaulicht eine isometrische Ansicht der Komponenten in 8;
10 veranschaulicht das in 8 dargestellte System mit Blick in stromabwärtiger Richtung zu den Lärmmindererpaneelen und Öffnungen der Zapfluftwärmeleitungen hin;
11 veranschaulicht eine alternative Ausgestaltung der in 8 dargestellten Komponenten;
12 veranschaulicht die Komponenten von 11, aus einer Richtung parallel zu den Zapfluftwärmeleitungen betrachtet;
13 veranschaulicht eine alternative Ausgestaltung der in 8 dargestellten Komponenten;
14 veranschaulicht die Komponenten von 13, aus einer Richtung parallel zu den Zapfluftwärmeleitungen betrachtet;
15 veranschaulicht einen Abschnitt eines Lärmminderer- und Einlasszapflufterwärmungssystems, das für ein Fluiddynamik-Berechnungsmodell verwendet wird;
16 veranschaulicht eine bekannte Ausgestaltung eines Lärmminderer- und Einlasszapflufterwärmungssystems, das für ein Fluiddynamik-Berechnungsmodell verwendet wird;
17 veranschaulicht eine Ausgestaltung eines Lärmminderer- und Einlasszapflufterwärmungssystems, das für ein Fluiddynamik-Berechnungsmodell von Komponenten, ähnlich den in 8, verwendet wird; und
18 veranschaulicht Ergebnisse eines Fluiddynamik-Berechnungsmodells.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine oder mehrere spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nachstehend beschrieben. In dem Bemühen, eine konzise Beschreibung dieser Ausführungsformen zu geben, können nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung in der Beschreibung beschrieben werden. Es dürfte erkennbar sein, dass bei der Entwicklung von jeder derartigen tatsächlichen Implementierung, wie bei jedem technischen oder konstruktiven Projekt, zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele, wie z.B. Übereinstimmung mit systembezogenen und geschäftsbezogenen Einschränkungen, zu erreichen, welche von einer Implementation zur anderen variieren können. Ferner dürfte erkennbar sein, dass eine derartige Entwicklungsanstrengung komplex und zeitaufwendig sein kann, aber trotzdem hinsichtlich Auslegung, Herstellung und Fertigung für den normalen Fachmann mit dem Vorteil dieser Offenbarung eine Routineaufgabe wäre.
Detaillierte Beispielausführungsformen sind hierin offenbart. Jedoch sind hierin offenbarte strukturelle und funktionale Details lediglich für die Zwecke der Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen repräsentativ. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können jedoch in vielen alternativen Formen verkörpert sein und sollten nicht als nur auf die hierin dargestellten Ausführungsformen beschränkt betrachtet werden.
Dementsprechend sind, obwohl beispielhafte Ausführungsformen verschiedene Modifikationen und alternative Formen annehmen können, deren Ausführungsformen im Rahmen von Beispielen in den Figuren veranschaulicht und hierin im Detail beschrieben. Es dürfte sich jedoch verstehen, dass keine Absicht einer Beschränkung von Beispielausführungsformen auf die hierin offenbarten speziellen Formen vorliegt, sondern im Gegenteil Beispielausführungsformen alle in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallenden Modifikationen, Äquivalente und Alternativen mit umfassen sollen.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung spezieller Ausführungsformen und soll nicht die Erfindung einschränken. So wie hierin verwendet, sollen die Singularformen "einer, eine, eines" und "der, die, das" auch die Pluralformen mit einschließen, soweit der Kontext nicht deutlich anderes anzeigt. Die Begriffe "weist auf", "aufweisend", "enthält" und/oder "enthaltend", wenn sie hierin verwendet werden, spezifiziern das Vorliegen festgestellter Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten, schließen aber das Vorliegen oder die Hinzufügung von einem/einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, primär, sekundär hierin zur Beschreibung verschiedener Elemente verwendet werden können, sollten diese Elemente nicht durch diese Begriffe eingeschränkt sein. Diese Begriffe werden nur zur Unterscheidung eines Elements von einem anderen verwendet. Beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, könnte ein erstes Element als ein zweites Element bezeichnet werden, und ebenso könnte ein zweites Element als ein erstes Element bezeichnet werden, ohne von dem Umfang der Beispielausführungsformen abzuweichen. So wie hierin verwendet beinhaltet der Begriff "und/oder" jede und alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten angegebenen Elemente.
Eine bestimmte Terminologie wird hierin nur zur Vereinfachung für den Leser verwendet und ist nicht als eine Einschränkung bezüglich des Umfangs der Erfindung anzusehen. Beispielsweise beschreiben Worte, wie z.B. "obere", "untere", "links", "rechts", "vordere", "hintere", "oben", "unten", "horizontal", "vertikal", "stromaufwärts", "stromabwärts", "vorne", "hinten" und dergleichen lediglich die in den Figuren dargestellte Ausgestaltung. Tatsächlich kann/können das Element oder die Elemente einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in jeder beliebigen Richtung ausgerichtet sein, und die Terminologie sollte daher als solche Varianten mit umfassend verstanden werden, sofern es nicht anderweitig spezifiziert wird.
So wie durch die gesamte Beschreibung und die Ansprüche hindurch verwendet, beinhaltet "im Wesentlichen" wenigsten Abweichungen von Ideal- oder Nominalwerten, die innerhalb von Fertigungs- und/oder Prüftoleranzen liegen.
Die vorliegende Offenbarung kann auf eine Vielfalt von Verbrennungsturbinenmaschinen angewendet werden, die eingesaugte Luft verdichten, wie z.B., jedoch nicht darauf beschränkt, eine Hochleistungsgasturbine, eine von Flugzeugturbinen abgeleitete Gasturbine und dergleichen. Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann auf eine weitere einzelne Verbrennungsturbinenmaschine oder mehrere Verbrennungsturbinenmaschinen angewendet werden. Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann auf eine Verbrennungsturbinenmaschine angewendet werden, die in einem einfachen Zyklus oder einem Kombinationszyklus arbeitet.
1 veranschaulicht ein herkömmliches System mit einer Verbrennungsturbinenmaschine 10, einem Einlasssystem 55 und einem Zapfluftsystem zur Erwärmung der Einlassluft (Einlasszapflufterwärmungssystem; IBH-System) 95.
Die Verbrennungsgasturbinenmaschine 10 weist im Allgemeinen einen Verdichter und Turbinenabschnitt auf. Der Verdichter enthält einen Verdichtereinlass. Der Verdichtereinlass kann mehrere Einlassleitschaufeln (IGVs) enthalten, die stromabwärts von einem Einlasssammelraum 35 angeordnet sind. Die Verbrennungsturbinenmaschine 10 enthält auch im Allgemeinen einen Turbinenabschnitt, der mit einem (nicht dargestellten) Auslassdiffusor strömungsmäßig verbunden ist.
Das Einlasssystem 55 enthält im Allgemeinen eine an einem stromaufwärtigen Ende eines Einlassfiltergehäuses 65 angeordnete Wetterhaube 60. Die Wetterhaube 60 ist mit dem Einlasssammelraum 35 über einen Einlassluftkanal 70 strömungsmäßig verbunden. Der Einlassluftkanal 70 enthält einen ersten Endabschnitt 75, der sich zu einem zweiten Endabschnitt 80 durch einen Zwischenabschnitt 85 erstreckt. Der erste Endabschnitt 75 kann in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu einer Mittellinie des Verdichters ausgerichtet sein und definiert einen Einlass zur Aufnahme von Umgebungsluft. Der zweite Endabschnitt 80 kann in einer Richtung im Wesentlichen rechtwinklig zu einer Mittellinie des Verdichters ausgerichtet sein und definiert einen Auslass des Kanals 70, der die Umgebungsluft zu dem Verdichtereinlass hin leitet.
Das Einlasssystem 55 enthält auch einen stromabwärts von dem Einlassfiltergehäuse 65 angeordneten Einlasslärmminderer 90 und ein stromabwärts von dem Einlasslärmminderer 90 angeordnetes IBH-System 95. Der zweite Endabschnitt 80 des Kanals 70 ist strömungsmäßig mit dem Diffusor und dem Verdichtereinlass verbunden, wovon beide an den Einlassluftkanal 70 angrenzen.
Das IBH-System 95 beinhaltet eine erste und zweite Leitung 100, 105, die vertikale Schleier von erwärmter Luft in dem Einlassluftkanal 70 erzeugen. Die erste und zweite Leitung 100 und 105 können strömungsmäßig mit einem Abzapfverteiler in der Verbrennungsturbinenmaschine 10 mittels einer (nicht dargestellten) IBH-Zuführungsleitung verbunden sein. Die Leitung enthält eine zugeordnete Leitungsführung, die den Abzapfverteiler mit der ersten und zweiten Leitung 100, 105 strömungsmäßig verbindet.
2 veranschaulicht ein System gemäß der vorliegenden Offenbarung und enthält alle Komponenten von 1, so dass eine weitere Beschreibung dieser Komponenten unterlassen wird. Im Wesentlichen unterscheidet sich das in 2 offenbarte System von dem System von 1 in der Ausrichtung und in spezifischen Details der Komponenten, welche nachstehend detaillierter beschrieben sind. Das Ergebnis der Unterschiede besteht darin, dass die Strecke 500 in 1 von einem Einlass des Lärmminderers 90 bis zu einem Mittelpunkt des Einlasses der Verbrennungsturbine deutlich länger als die Strecke 505 in 2 ist. Die Verkürzung der Strecke kann wenigstens teilweise aufgrund der Unterschiede des IBH-Systems 95 erzielt werden. In einem nicht-einschränkenden Beispiel beträgt die Strecke 500 24 Fuß, während die Strecke 505 15 Fuß beträgt. Somit kann aus nachstehend im Detail erläuterten Gründen die Gesamtgröße eines Einlasssystems in einer exemplarischen Implementation vorteilhaft um ca. 37,5 % verkleinert werden.
Das System gemäß der vorliegenden Offenbarung, z.B. das System von 2, kann in einem Kraftwerk enthalten sein. Das Kraftwerk kann eine Gasturbine 10 enthalten, wobei die Gasturbine einen Verdichter, ein Verbrennungssystem und einen Turbinenabschnitt aufweist. Typischerweise sind eine mechanische oder elektrische Last mit beinhaltet.
3 veranschaulicht den Lärmminderer 90 und das Einlasszapflufterwärmungssystem 95 von 1 in größeren Einzelheiten, wobei ein vertikal ausgerichtetes Lärmmindererpaneel 110 aus einer Seitenansicht dargestellt ist. IBH-Strahlen 125 treten aus der ersten Leitung 100 und der zweiten Leitung 105 in einer Richtung im Wesentlichen rechtwinklig zu einer Richtung des Einlassluftstroms aus. Die IBH-Strahlen 125 werden durch (nicht sichtbare) Durchtrittsöffnungen in der ersten und zweiten Leitung 100, 105 erzeugt.
4 veranschaulicht eine Ausgestaltung gemäß der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009/0241552. In dieser Ausgestaltung sind mehrere IBH-Leitungen 115 jeweils mit mehreren vertikal ausgerichteten und seitlich beabstandeten Lärmmindererpaneelen 110 ausgerichtet und stromaufwärts von diesen angeordnet. Jede von den IBH-Leitungen 105 hat mehrere Öffnungen 120, die ausgerichtet sind, um Einlasszapfluftwärme gegen die oder stromaufwärts in Bezug auf die Strömungsrichtung der Einlassluft zu injizieren.
5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht von 4. 5 veranschaulicht einfach die Ausrichtung zwischen den IBH-Leitungen 115 und den Lärmmindererpaneelen 110. Aufgrund dieser relativen Ausrichtung befinden sich die IBH-Leitungen 115 in einer Zone einer relativ geringen Einlassluftströmungsgeschwindigkeit. Der Einlassluftstrom hat eine Strömungsgeschwindigkeit bei oder nahezu Null an den Vorderkanten der Lärmmindererpaneele 110 und der IBH-Leitungen 115. Eine maximale Einlassluftströmungsgeschwindigkeit und/oder maximale Turbulenz wird irgendwo zwischen den Lärmmindererpaneelen 110 erreicht, da die Durchflussfläche begrenzt ist. Demzufolge wird die minimale Einlassströmungsgeschwindigkeit stromaufwärts von (in 5 links von) den IBH-Leitungen 115 erreicht.
Die Ausgestaltung von 5 hat verschiedene Nachteile. Erstens werden die die Öffnungen 120 verlassenden IBH-Strahlen 125 in einen Bereich injiziert, der die geringste relative Einlassluftgeschwindigkeit dieses Abschnitts des Systems hat. Somit führt diese Ausgestaltung dazu, dass die IBH-Strahlen 125 stromaufwärts über die maximal mögliche Strecke strömen, bevor der Einlassluftstrom die IBH-Strahlen 125 veranlasst, ihre Strömungsrichtung umzukehren, sich mit dem Einlassluftstrom zu vermischen und zwischen den Lärmmindererpaneelen 110 durchzuströmen. Zweitens ist, wenn die IBH-Strahlen 125 die Öffnungen 120 bei Schallgeschwindigkeit verlassen, nichts vorhanden, um den Schall zu dämpfen. Dieses führt zu einem von den IBH-Strahlen 125 verursachten unerwünschten Lärm. Drittens besteht eine Eins-zu-Eins-Zuordnung zwischen den IBH-Leitungen 115 und den Lärmmindererpaneelen 110, was zu hohen Kosten und hoher Komplexität des Systems führt.
6 veranschaulicht eine weitere Ausgestaltung der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009/0241552. Diese Ausgestaltung ist ähnlich der in 5 veranschaulichten mit der Ausnahme, dass die IBH-Leitungen 115 stromabwärts in Bezug auf die Lärmmindererpaneele 110 angeordnet sind und die Öffnungen 120 so ausgerichtet sind, dass die IBH-Strahlen 125 zu Beginn rechtwinklig zu der Einlassluftströmungsrichtung ausgerichtet sind.
7 veranschaulicht den Lärmminderer 90 und das Einlasszapflufterwärmungssystem 95 von 2 mit mehr Details. Die IBH-Strahlen 125 werden von (nicht sichtbaren) Durchtrittsöffnungen 120 in der ersten und zweiten Leitung 100, 105 erzeugt. Die IBH-Strahlen 125 treten aus der ersten Leitung 100 und der zweiten Leitung 105 in einer Richtung im Wesentlichen gegen eine Richtung des Lufteinlassstroms aus. Somit haben, wie dargestellt, die IBH-Strahlen 125 wenigstens einen Teil einer positiven Geschwindigkeitskomponente, die einer Richtung des Lufteinlassstroms durch den Lärmminderer 90 hindurch entgegengesetzt ist. Es kann auch eine positive Geschwindigkeitskomponente vorhanden sein, die zu der Richtung des Lufteinlassstroms rechtwinklig ist. Der resultierende Vektor der IBH-Strahlen 125 kann sich bei einem bestimmten Winkel zwischen einer vollkommenen Gegenströmung und einer vollkommenen rechtwinkligen Strömung befinden. Somit sind die Öffnungen 120 so gestaltet, dass die IBH-Strahlen 125 im Wesentlichen bei Schallgeschwindigkeit austreten und im Wesentlichen gegen den Einlassluftstrom und in den Lärmminderer strömen. Eine Richtung, in die die Einlasszapfluftwärme strömt, ändert sich somit und kann sich aufgrund des Einlassluftstroms durch die Zwischenräume, während sich der Einlassluftstrom und die Einlasszapfluftwärme vermischen, vollständig umkehren.
Die Ausgestaltung von 7 stellt auch die erste und zweite Leitung 100, 105 im Wesentlichen rechtwinklig zu den Lärmmindererpaneelen 110 dar. Obwohl zwei Leitungen dargestellt sind, könnten nur eine einzige Leitung oder mehr als zwei Leitungen beispielsweise in Abhängigkeit von Faktoren, wie z.B. der gewünschten Größe des Systems und der Vermischung der Einlasszapfluftwärme, verwendet werden. Wie durchgängig durch die Figuren dargestellt, sind die erste und zweite Leitung 100, 105 im Wesentlichen einander gleich, wobei aber Unterschiede auf der Basis der Anforderungen eines speziellen Designs vorgesehen sein könnten. Ein Vorteil, der in der Praxis einiger Ausführungsformen der beschriebenen Systeme und Techniken realisiert werden kann, besteht darin, dass die Anzahl von Leitungen minimiert werden kann, um Kosten und Komplexität des Systems zu reduzieren, während eine angemessene Zumischung der Einlasszapfluftwärme erreicht wird. Dieses steht im Gegensatz zu einigen herkömmlichen Systemen, die eine Leitung für jedes Lärmmindererpaneel 120 erfordern.
8 ist eine vereinfachte Ansicht, aufgenommen aus einer Richtung einer Kante der Lärmmindererpaneele 110 rechtwinklig zu der Einlassluftströmungsrichtung und rechtwinklig zu der ersten Leitung 100 (nur die erste Leitung 100 ist dargestellt, aber die zweite Leitung 105 und andere Leitungen könnten vorgesehen sein). In dieser Ansicht sind nur ein IBH-Strahl 125 und eine einzelne Öffnung 120 zur Vereinfachung dargestellt. 8 veranschaulicht, wie die Öffnung 120 im Wesentlichen zu einer Mitte des Zwischenraums zwischen zwei benachbarten Lärmmindererpaneelen 110 ausgerichtet ist. Diese Ausgestaltung führt dazu, dass der IBH-Strahl 125 in einen Luftspalt zwischen den Paneelen 110 injiziert wird, der einen Bereich maximaler Geschwindigkeit (zumindest lokal) der Einlassluft aufweist. Selbst wenn die Öffnung 120 stromabwärts von den Lärmmindererpaneelen 110 angeordnet ist, tritt der IBH-Strahl 125 bei oder nahezu bei Schallgeschwindigkeit aus und wandert stromaufwärts, um in den Bereich zwischen den Lärmmindererpaneelen injiziert zu werden, wo die zwei Ströme beginnen, sich zu vermischen, und die Einlasszapfluftwärme schließlich ihre Strömungsrichtung umkehrt und von dem Einlassluftstrom nicht mehr unterscheidbar ist. Ein Vorteil, der in der Praxis einiger Ausführungsformen der beschriebenen Systeme und Techniken realisiert werden kann, besteht darin, dass die Einlassabzapfluftwärme in einen Bereich maximaler Geschwindigkeit und/oder Turbulenz injiziert wird, was zu einer verbesserten Vermischung in Bezug auf einen Teil der des Standes der Technik führt.
9 zeigt eine isometrische Ansicht des in 8 dargestellten Systems.
10 veranschaulicht das in 8 dargestellte System stromabwärts in Richtung zu den Lärmmindererpaneelen 110 und den Öffnungen 120 blickend. Wie in 10 ersehen werden kann, sind alle von den Öffnungen 120 im Wesentlichen zwischen zwei Lärmmindererpaneelen 110 dergestalt ausgerichtet, dass die Einlasszapfluftwärme zwischen die Lärmmindererpaneele 110 injiziert werden kann, wobei alle Lärmmindererpaneele 110 im Wesentlichen parallel zueinander sind. 10 veranschaulicht zwei Öffnungen 120 auf jeder von der ersten und zweiten Leitung 100, 105 in jedem Spalt zwischen den Lärmmindererpaneelen 110. Somit kann jede von der ersten und zweiten Leitung eine Anzahl von Öffnungen 120 haben, die ein ganzzahliges Vielfaches einer Anzahl von Zwischenräumen zwischen den Lärmmindererpaneelen 110 ist. Obwohl mit Paaren von Öffnungen 120 dargestellt, könnten nur eine einzige Öffnung 120 oder mehr als zwei Öffnungen 120 dort vorgesehen sein, wo jedes Paar dargestellt ist. Wenn zwei oder mehrere Öffnungen 120 an jeder dargestellten Stelle vorgesehen sind, kann sich die Einlasszapfluftwärme relativ rascher verteilen und/oder vermischen, als wenn eine einzige Öffnung vorgesehen ist, was zu einer relativ kürzeren Strecke führen kann, um eine vollständige Vermischung zwischen der Einlasszapfluftwärme und der Einlassluft zu erreichen.
11 ist ähnlich zu 8 mit der Ausnahme, dass die erste Leitung 100 (und/oder die nicht sichtbare zweite Leitung 105) zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Ende der Lärmmindererpaneele 110 angeordnet sind. Alternativ könnten nur die Öffnungen 120 zwischen einem stromaufwärtigen und einem stromabwärtigen Ende der Lärmmindererpaneele 110 angeordnet sein, wobei ein Teil der oder die gesamte erste Leitung 100 außerhalb der Erstreckung der Lärmmindererpaneele 110 angeordnet sein kann. Somit veranschaulicht 11, dass die erste Leitung 100 überall hin dergestalt verschoben werden könnte, dass sich die Öffnungen 120 zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Ende der Lärmmindererpaneele 110 befinden. Ein Vorteil, der in der Praxis einiger Ausführungsformen der beschriebenen Systeme und Techniken realisiert werden kann, besteht darin, dass, wenn die erste Leitung 100 und/oder die zweite Leitung 105 so angeordnet sind, dass sich die Öffnungen 120 zwischen den Lärmmindererpaneelen 110 befinden, Schallstrahlengeräuschunterdrückungen realisiert werden können. Ein Vorteil, der in der Praxis einiger Ausführungsformen der beschriebenen Systeme und Techniken realisiert werden kann, besteht darin, dass eine zusätzliche Vermischungslänge zwischen den Lärmmindererpaneelen 110 erreicht werden kann.
12 ist ähnlich der 11 mit der Ausnahme, dass die Ansicht senkrecht zu einer Seite der Lärmmindererpaneele 110 ausgerichtet ist.
13 zeigt eine weitere Ausgestaltung. Hier befindet sich die erste Leitung 100 stromaufwärts in Bezug auf eine Vorderkante der Lärmmindererpaneele 110. Ähnlich den vorstehend dargestellten Ausgestaltungen befinden sich die Öffnungen 120 (nur eine ist zur Vereinfachung dargestellt) im Wesentlichen mittig zwischen zwei Lärmmindererpaneelen 110, um den Vorteil der zwischen den Lärmmindererpaneelen 110 erzeugten, relativ hohen Geschwindigkeit zu nutzen.
14 veranschaulicht die Ausgestaltung von 13 mit einer Ansicht ähnlich der von 12. In dieser Ausgestaltung sind die Öffnungen 120 in Paaren dergestalt dargestellt, dass sich jeder einzelne IBH-Strahl 125 unter einem Winkel in Bezug auf die Einlassluftströmungsrichtung befindet. Wie vorstehend erläutert, könnten eine oder mehr als zwei Öffnungen 120 an jeder Stelle vorgesehen sein. Die Öffnungen 120 können unter jedem beliebigen Winkel ausgerichtet sein, um den Vorteil der zwischen den Lärmmindererpaneelen 110 erzeugten höheren Geschwindigkeit zu nutzen.
8–14 veranschaulichen exemplarische Stellen der ersten und zweiten Leitung 100, 105, welche im weiteren Sinne als stromaufwärts vor einer Vorderkante der Lärmmindererpaneele 110 (13 und 14) oder stromabwärts von einer Vorderkante der Lärmmindererpaneele 110 (8–12) befindlich kategorisiert werden können. Ob sich die erste und zweite Leitung 100, 105 stromaufwärts oder stromabwärts von der Vorderkante befindet, kann einen relativen Winkel der Öffnungen 120 beeinflussen. Wenn sich die erste und die zweite Leitung 100, 105 stromaufwärts von der Vorderkante der Lärmmindererpaneele 110 befinden, können eine oder mehrere Öffnungen 120 einen Winkel in Bezug auf die Lufteinlassströmungsrichtung, z.B. einen Winkel von 45° bis 90°, ausbilden. Wenn sich die erste und die zweite Leitung 100, 105 stromabwärts von der Vorderkante der Lärmmindererpaneele 110 befinden, können die eine oder mehreren Öffnungen 120 einen Winkel in Bezug auf die Einlassströmungsrichtung, z.B. einen Winkel von 15° bis 60°, ausbilden. In jeder Ausgestaltung können die Öffnungen 120 dergestalt ausgerichtet sein, dass die IBH-Strahlen 125 in einer Ebene parallel zur Ebene der Lärmmindererpaneele 110 ausgerichtet sind. Ein Vorteil, der in der Praxis einiger Ausführungsformen der beschriebenen Systeme und Techniken realisiert werden kann, ist der, dass ein Winkel der IBH-Strahlen 125 in Bezug auf die Einlassluftströmungsrichtung auf der Basis einer Lage der ersten und zweiten Leitung 100, 105 optimiert werden kann.
15–18 veranschaulichen eine Modellierung, die von dem vorliegenden System und von dem Stand der Technik (siehe 16) durchgeführt wurde.
15 veranschaulicht einen einzelnen Strömungskanal 130 zwischen zwei Lärmmindererpaneelen 110. Die Lärmmindererpaneele 110 sind hälftig für das Fluidmodell durchgeschnitten, so dass ein einzelner Kanal modelliert werden konnte. Ein entsprechender Abschnitt der ersten Leitung 100 ist ebenfalls dargestellt.
Zwei Konfigurationen wurden modelliert. Die erste Konfiguration, dargestellt in 16, veranschaulicht IBH-Strahlen 125, die rechtwinklig zu einer Richtung eines Einlassluftstroms ausgerichtet sind, gemäß dem Stand der Technik. Die zweite Konfiguration, dargestellt in 17, veranschaulicht zwei IBH-Strahlen 125, die in die Richtung des Luftstroms gerichtet sind. Jeder von den IBH-Strahlen ist unter einem Winkel von ca. 15° (entgegengesetzt zueinander) in Bezug auf die Einlassluftströmungsrichtung ausgerichtet.
18 stellt die Ergebnisse des numerischen Fluiddynamik-(CFD)-Modells dar. Die Temperatur des Einlassstroms wurde auf –45 °F festgelegt. Der Einlasszapfluftstrom wurde auf 6 % des Gesamtstroms und auf 632,5 °F festgelegt. ΔL zeigt die Differenz der Vermischungslänge zwischen den zwei in den 16 und 17 dargestellten Konfigurationen, wobei die obere Aufzeichnung der 16 entspricht und die untere Aufzeichnung der 17 entspricht. Ein Vorteil, der in der Praxis einiger Ausführungsformen der beschriebenen Systeme und Techniken realisiert werden kann, ist eine viel kürzere Vermischungsstrecke. Die kürzere Vermischungsstrecke kann durch Optimierung der Ausrichtung der IBH-Strahlen 125 erreicht werden. Beispielsweise beträgt die Strecke 500 in 24 Fuß, während die Strecke 505 in 2 15 Fuß beträgt, was eine Streckenreduktion von ca. 37,5 % in einer exemplarischen Implementierung ausmacht.
Wie aus 18 ersehen werden kann, wird bei einer Konfiguration gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Zumischung der Einlasszapfluftwärme stromabwärts von dem Lärmminderer (an den oder in der Nähe der Öffnungen 120) initiiert, setzt sich in dem Lärmminderer und stromaufwärts von den Öffnungen fort und kann etwas stromabwärts von dem Lärmminderer, im Wesentlichen an der durch ΔL bezeichneten Linie in dem unteren Bild, als abgeschlossen betrachtet werden.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was derzeit als die praktikabelste und bevorzugteste Ausführungsform betrachtet wird, dürfte es sich verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen, die in dem Rahmen und Umfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind, abdecken soll.
Ein Einlasssystem für eine Gasturbine enthält: einen Einlassluftkanal; einen in dem Einlassluftkanal angeordneten Lärmminderer, wobei der Lärmminderer mehrere Paneele mit Zwischenräumen zwischen den Paneelen enthält; und eine Leitung mit Öffnungen, die zur Injektion von Einlasszapfluftwärme in jeden von den Zwischenräumen angeordnet sind. Ein Verfahren zum Konditionieren von Einlassluft für eine Gasturbine enthält ein Strömenlassen von Luft durch Zwischenräume zwischen Paneelen eines Lärmminderers in einem Einlassluftkanal der Gasturbine und Injizieren von Einlasszapfluftwärme durch Öffnungen hindurch und in jeden von den Zwischenräumen hinein.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsturbinenmaschine
35: Einlasssammelraum
55: Einlasssystem
60: Wetterhaube
65: Einlassfilterhaus
70: Einlassluftkanal
75: erster Endabschnitt
80: zweiter Endabschnitt
85: Zwischenabschnitt
90: Lärmminderer
95: Einlasszapflufterwärmungssystem
100: erste Leitung
105: zweite Leitung
110: Lärmmindererpaneel
115: IBH-Leitungen
120: Öffnung
125: IBH-Strahlen
130: einzelner Strömungskanal
500: Strecke
505: Strecke

Claims

Einlasssystem für eine Gasturbine, wobei das System aufweist: einen Einlassluftkanal; einen in dem Einlassluftkanal angeordneten Lärmminderer, wobei der Lärmminderer mehrere Paneele mit Zwischenräumen zwischen den Paneelen aufweist; und eine Leitung mit Öffnungen, die zur Injektion von Einlasszapfluftwärme in jeden der Zwischenräume angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, wobei die Öffnungen zwischen einem stromaufwärtigen Ende und einem stromabwärtigen Ende der Paneele angeordnet sind; und/oder wobei jede von den Öffnungen entlang der Leitung im Wesentlichen an einem Mittelpunkt zwischen zwei Paneelen der mehreren Paneele angeordnet ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Öffnungen ausgerichtet sind, um die Einlasszapfluftwärme mit einer ersten positiven Geschwindigkeitskomponente entgegengesetzt zu einer Richtung eines Einlassluftstroms durch die Paneele zu injizieren; und/oder wobei die Öffnungen ausgerichtet sind, um die Einlasszapfluftwärme mit einer zweiten positiven Geschwindigkeitskomponente rechtwinklig zu der Richtung eines Einlassluftstroms durch die Paneele zu injizieren.
System nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, wobei die Paneele im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind und die Leitung im Wesentlichen senkrecht zu den Paneelen ausgerichtet ist, wobei das System vorzugsweise ferner eine zweite Leitung im Wesentlichen parallel zu und im Wesentlichen gleichartig wie die Leitung aufweist.
System nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, wobei die Öffnungen dimensioniert sind, um die Einlasszapfluftwärme bei Schallgeschwindigkeit zu injizieren; und/oder wobei eine Anzahl der Öffnungen ein ganzzahliges Vielfaches einer Anzahl der Zwischenräume beträgt.
System nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, wobei die Öffnungen angeordnet sind, um die Einlasszapfluftwärme derart zu injizieren, dass die Einlasszapfluftwärme aufgrund des Einlassluftstroms durch die Zwischenräume die Strömungsrichtung in den Zwischenräumen verändert.
Kraftwerk, aufweisend: eine Gasturbine, wobei die Gasturbine einen Verdichter, ein Verbrennungssystem und ein Turbinensystem enthält; eine mechanische oder elektrische Last; und ein Einlasssystem für die Gasturbine, wobei das Einlasssystem aufweist: einen Einlassluftkanal; einen in dem Einlassluftkanal angeordneten Lärmminderer, wobei der Lärmminderer mehrere Paneele mit Zwischenräumen zwischen den Paneelen enthält; und eine Leitung mit Öffnungen, die zur Injektion von Einlasszapfluftwärme in jeden der Zwischenräume angeordnet sind.
Verfahren zum Konditionieren von Einlassluft für eine Gasturbine, wobei das Verfahren aufweist: Strömenlassen von Luft durch Zwischenräume zwischen Paneelen eines Lärmminderers in einem Einlassluftkanal der Gasturbine und Injizieren von Einlasszapfluftwärme durch Öffnungen und in jeden der Zwischenräume, wobei die Öffnungen angeordnet sind, um mit den Zwischenräumen ausgerichtet zu sein.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner ein Veranlassen, dass sich eine Richtung, in die die Einlasszapfluftwärme strömt, aufgrund des Einlassluftstroms durch die Zwischenräume verändert, und/oder ein Umkehren der Strömungsrichtung der Einlasszapfluftwärme in den Zwischenräumen nach dem Verlassen der Öffnungen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, das ferner ein initiiertes Zumischen der Einlasszapfluftwärme stromabwärts von dem Lärmminderer, fortgesetztes Zumischen in dem Lärmminderer und stromaufwärts von den Öffnungen aufweist und vorzugsweise ferner ein Abschließen der Zumischung stromabwärts von dem Lärmminderer aufweist.