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Die Erfindung betrifft eine Turbine, umfassend einen Verdichter zur Erzeugung eines komprimierten Gasstroms, mindestens einen Brenner, in dem der komprimierte Gasstrom vom Verdichter und ein Brennstoff verbrannt werden und dadurch ein Arbeitsgas entsteht, eine Entspannungsturbine, in der das Arbeitsgas entspannt und eine Leistung an einer rotierenden Welle erzeugt und ein Außengehäuse, in dem zwischen dem Verdichter und der Gasturbine ein Plenum ausgebildet ist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Turbine.
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Es existieren mehrere Möglichkeiten zur Leistungssteigerung einer Gasturbine, insbesondere einer stationären Gasturbine, z.B. Turn Up (ein weiteres Aufdrehen der Verdichtervorleitschaufel, wodurch der Ansaugmassenstrom erhöht wird), Wet Compression (Massenstromerhöhung, Kühlung durch Verdunstung), Wassereindüsung in den Verbrennungsraum (Massenstromerhöhung), Dampfeindüsung in das Plenum zwischen Verdichter und Gasturbine (Massenstromerhöhung) sowie Überfeuern (Brennstoffmenge erhöhen und somit Turbineneintrittstemperatur erhöhen) .
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Eine einfache Methode der Leistungssteigerung einer Gasturbine besteht in der Eindüsung von Wasserdampf in die Brennkammer oder in das Verdichterplenum vor der Brennkammer. Die Leistungssteigerung wird dabei vor allem durch die Änderung der Stoffeigenschaften des Rauchgases und die höhere Durchsatzmenge durch die Gasturbine bewirkt, während die Verdichteransaugmenge nahezu gleich bleibt.
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Eine Steigerung der Leistung einer Entspannungsturbine mittels Wasserdampf ist beispielsweise in der
EP 1 234 105 B1 beschrieben.
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In der Regel wird der Dampf über ein um die Entspannungsturbine verlaufendes Rohrleitungssystem zu 6-8 Rohrstutzen geleitet. Über die Rohrstutzen wird der Dampf durch das Gehäuse ins Plenum hinter dem Verdichter eingeleitet. Der Dampf mischt sich mit der verdichteten Luft und gelangt so auch zu den Brennern. Die Anzahl der Stutzen ist entscheidend für eine gute Mischung von Dampf und Luft. Durch die komplexeren Strömungs- und Mischungsbedingungen kann bei einer geringen Anzahl an Stutzen nicht sichergestellt werden, dass jeder Brenner gleichmäßig mit dem Luft-Dampf-Gemisch versorgt wird. Dies kann zu Temperaturschwankungen in Umfangsrichtung führen, was wiederum durch Cold- und Hot-Spots zu Temperaturschwankungen und zusätzlicher thermischer Belastung der Turbinenbeschaufelung führen kann. Eine derartige Dampfzuführung ist daher durch ein komplexes Rohrleitungssystem gekennzeichnet, welches sich größtenteils außerhalb der Entspannungsturbine befindet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine platzoptimierte Zuführung und Verteilung von Dampf zu Zwecken der Leistungserhöhung einer Turbine vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Turbine, umfassend einen Verdichter zur Erzeugung eines komprimierten Gasstroms, mindestens einen Brenner, in dem der komprimierte Gasstrom vom Verdichter und ein Brennstoff verbrannt werden und dadurch ein Arbeitsgas entsteht, eine Entspannungsturbine, in der das Arbeitsgas entspannt und dabei eine Leistung an einer rotierenden Welle erzeugt, ein Außengehäuse, in dem zwischen dem Verdichter und der Entspannungsturbine ein Plenum ausgebildet ist. Die Turbine umfasst weiterhin einen innenliegenden Dampfringraum, der im Plenum angeordnet ist und über zumindest eine zentrale Dampfzuleitung mit Dampf von außerhalb des Außengehäuses versorgbar ist und zum Plenum hin eine Vielzahl Öffnungen für den Dampf aufweist.
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Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Dampf über die zumindest eine Zuleitung ins Plenum eingeleitet wird und der Dampf sich im Dampfringraum innerhalb des Außengehäuses in Umfangsrichtung der Turbine verteilt.
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Die in Bezug auf die Turbine nachstehend angeführten Vorteilte und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf das Verfahren übertragen.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Dampf an einigen wenigen Stellen ins Außengehäuse einzuleiten und es im Dampfringraum innerhalb des Außengehäuses in Umfangsrichtung zu verteilen. Dadurch, dass der Dampfringraum, bezogen auf das Außengehäuse, der Turbine innenliegend angeordnet ist, ist die Anzahl an außerhalb des Außengehäuses verlaufenden Dampfzuleitungen wesentlich niedriger. Der Dampfringraum wird über die mindestens eine zentrale Dampfzuleitung, welche insbesondere ein Dampf-Regelventil aufweist, versorgt. Es kann hierbei auch mehr als eine Dampfzuleitung vorgesehen sein, jedoch ist die Anzahl der Dampfzuleitungen gering gehalten (geringer als die Anzahl der Rohrstutzen gemäß der oben beschriebenen Ausführung des Standes der Technik), insbesondere sind nicht mehr als vier Dampfzuleitungen vorgesehen. Durch eine, zwei oder einige wenige Dampfzuleitungen anstelle einer Ringleitung außerhalb der Entspannungsturbine wird der limitierte Platzbedarf außerhalb der Entspannungsturbine optimal genutzt. Innerhalb des Dampfringraums verteilt sich der Dampf gleichmäßig. Die Innenseite des Dampfringraums ist mit Öffnungen versehen, so dass der daraus strömende Dampf sich gut mit der Luft im Plenum vermischt, bevor das Gemisch in die Brenner gelangt. Durch den zusätzlichen Dampf steigt der Massenstrom durch die Turbine an und die Entspannungsturbine gibt mehr Leistung ab. Der Dampfanteil in der Primärluft beeinflusst die Stickoxidbildung während der Verbrennungsreaktion positiv, wodurch bei aktiver Leistungssteigerung durch Dampfinjektion die NOx-Emissionen reduziert werden.
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Ein weiterer Vorteil des innenliegenden Dampfringraums besteht darin, dass sich der Dampf sehr gut in Umfangsrichtung der Turbine verteilen kann, bevor er durch die Öffnungen der Dampfringraums ausströmt. Es liegt dabei eine sehr gute Dampf-Luft-Mischung vor, mit der jeder Brenner gleichmäßig beaufschlagt wird. Es wird somit die Entstehung von Cold- und Hot-Spots vermieden, welche schädigend für die stromab gelegen Gasturbinenkomponenten, wie Lauf- und Leitschaufel, sind.
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Im Hinblick auf eine besonders stabile und platzsparende Konstruktion ist gemäß einer bevorzugten Ausführung der Dampfringraum am Außengehäuse fest verbunden, insbesondere angeschweißt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung bildet das Außengehäuse eine Wandung des Dampfringraums, d.h. der Dampfringraum ist Bestandteil des Außengehäuses und ist durch das Außengehäuse unmittelbarer begrenzt. Auf diese Weise ist es besonders einfach den Dampfringraum herzustellen. Insbesondere ist lediglich ein, im Querschnitt betrachtet, gebogenes Blech erforderlich, welches auf der Innenseite am Außengehäuse angeschweißt ist.
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Vorteilhafterweise sind die Öffnungen des Dampfringraums als Düsen ausgebildet. Es sind dabei um den Umfang des Dampfringraums viele Düsen insbesondere im gleichen Abstand zueinander angeordnet. Die Düsen sind derart angeordnet und dimensioniert, dass sich der Dampf in den verschiedenen Bereichen des Plenums gleichmäßig mit der Luft vermischt.
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Bevorzugt ist eine einzige, zentrale Dampfzuleitung vorgesehen, wodurch der am Außengehäuse erforderliche Platz zum Zuführen des Dampfs ins Außengehäuse minimiert ist.
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Gemäß einer alternativen Ausbildung ist das Außengehäuse aus zwei Teilfugen gebildet und pro Teilfuge ist eine einzige Dampfzuleitung vorgesehen, es sind somit insgesamt zwei Dampfzuleitungen vorhanden. Hierbei ist ein Aufdecken des Außengehäuses ohne zusätzlichen Aufwand möglich. Der Dampfringraum ist dabei insbesondere Bestandteil der jeweiligen horizontalen Teilfuge oder mit dieser zumindest fest verbunden und wird beim Öffnen des Außengehäuses ohne erhöhten Bauaufwand heraus gebaut.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert. Hierin zeigt die einzige Figur eine Turbine 1 in einem Längsschnitt. Die Turbine 1 weist einen um eine Maschinenachse 2 drehgelagerten Rotor 3 auf. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 4, ein Verdichter 5, eine Ringbrennkammer 6 mit mehreren rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Brennern 7 und eine Entspannungsturbine 8, hier eine Gasturbine, mit einen Außengehäuse 9. Die Brenner 7 werden über mit Brennstoff, insbesondere Gas, versorgt. Die Ringbrennkammer 6 bildet einen Verbrennungsraum 17, der mit einem ringförmigen Heißgaskanal 18 kommuniziert. Dort bilden vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 10 die Entspannungsturbine 8. In Strömungsrichtung eines in der Ringbrennkammer 6 erzeugten Heißgases 11 gesehen, folgt im Heißgaskanal 18 jeweils eine Leitschaufelreihe 13 eine aus Laufschaufeln 15 gebildete Reihe. Die Leitschaufeln 12 sind am Gehäuse befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 15 einer Reihe am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) angekoppelt.
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Dem Verdichter 5 ist ein Diffusor 20 nachgeschaltet, in welchem die Strömung verzögert und kinetische Strömungsenergie in Druck umgewandelt wird. Der Diffusor 20 mündet in ein Plenum 21. An das Außengehäuse 9 ist eine Dampfzuleitung 22 zum Zuführen von Dampf innerhalb des Plenums 21 angeschlossen. Im Plenum 21 ist ein innenliegender, ringförmiger Dampfringraum 23 ausgebildet, der über die zentrale Dampfzuleitung 22 mit Dampf versorgt wird. Der Dampf verteilt sich im Betrieb der Turbine 1 gleichmäßig im Dampfringraum 23.
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Der Dampfringraum 24 ist am Außengehäuse 9 fest verbunden, insbesondere angeschweißt, wobei das Außengehäuse 9 den Dampfringraum 24 unmittelbar begrenzt.
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Zum Plenum 21 hin weist der Dampfringraum 23 mehrere Öffnungen 24 auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als Düsen ausgebildet sind und durch die der Dampf ins Plenum 21 strömt und sich dort mit der Verdichterluft vermischt. Von der Vielzahl von Düsen ist in der Figur lediglich eine im Querschnitt gezeigt. Die Düsen sind insbesondere um den gesamten Umfang des Dampfringraums 23 angeordnet und je zwei benachbarte Düsen weisen den gleichen Abstand zueinander auf. Um eine gleichmäßige Dampfverteilung zu gewährleisten ist es sinnvoll, die Düsenanzahl der Brenneranzahl anzugleichen, z.B. 16 Düsen oder 32 Düsen.
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In der Figur ist lediglich eine einzige Dampfzuleitung 22 zum Dampfringraum gezeigt. Es können jedoch auch zwei oder mehrere Dampfzuleitungen 22 vorgesehen sein, jedoch ist die Anzahl der Dampfzuleitung 22 gering gehalten, damit kein aufwändiger Aufbau zum Zuführen des Dampfs ins Außengehäuses 9 erforderlich ist. Der Einsatz von zwei Dampfzuleitungen 22 empfiehlt sich insbesondere dann, wenn das Außengehäuse 9 aus zwei Teilfugen gebildet ist (eine obere und eine untere), wobei pro Teilfuge eine einzige Dampfzuleitung 22 vorgesehen ist, wie in 1 im unteren Teil der Turbine 1 mit gestrichelten Linien eine zweite Dampfzuleitung 22 angedeutet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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