DE102021005758A1

DE102021005758A1 - Gasturbinensystem, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, sowie Kraftfahrzeug und Verfahren

Info

Publication number: DE102021005758A1
Application number: DE102021005758.9A
Authority: DE
Inventors: Nicolas Michael Broda; Holger Arndt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-11-20
Filing date: 2021-11-20
Publication date: 2023-05-25
Also published as: WO2023088578A1

Abstract

Ein Gasturbinensystem (100; 310), insbesondere zum Betreiben eines elektrischen Generators (320) in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug (300), umfasst wenigstens eine Gasturbine (102) und wenigstens eine Steuerungseinheit (190). Die Gasturbine (102) umfasst wenigstens ein Turbinenrad (152), und wenigstens eine Brennkammer (120), die zum Verbrennen eines Treibstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer vorgesehen ist und die mit dem Turbinenrad (152) fluidisch verbunden ist zum Leiten eines Gasstroms aus der Brennkammer (120) zu dem Turbinenrad (152). Die Gasturbine (102) umfasst wenigstens eine Wassereinspritzanordnung (142, 144), die dazu ausgebildet ist, dem Gasstrom Wasser hinzuzufügen. Die Steuerungseinheit (190) ist dazu ausgebildet, eine Wassermenge zu steuern, die dem Gasstrom mittels der Wassereinspritzanordnung (142, 144) hinzugefügt wird. Ein Wassereinspritzbereich (Bw) der Wassereinspritzanordnung (142, 144) ist in Bezug auf die Brennkammer (120) derart angeordnet, dass der Gasstrom in dem Wassereinspritzbereich (Bw) wenigstens überwiegend keine brennenden Anteile des Treibstoff-Luft-Gemischs mehr enthält. Die Gasturbine (102) ist dazu ausgebildet, in einer ersten vorgesehenen Betriebsart mit einem wenigstens annähernd stöchiometrischen Treibstoff-Luft-Gemisch betrieben zu werden, wobei der dadurch erzeugte Gasstrom eine Temperatur aufweist, die geeignet ist, im Bereich des Turbinenrads (152) eine Temperatur zu verursachen, die größer ist als eine kritische Temperatur des Turbinenrads (152), und die Steuerungseinheit (190) ist dazu ausgebildet, die Wassermenge derart zu steuern, dass eine Temperatur des dadurch erzeugten Wasser-Gasgemischs im Bereich des Turbinenrads (152) kleiner ist als die kritische Temperatur des Turbinenrads (152) und größer als eine Schwellenwerttemperatur.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinensystem, insbesondere zum Betreiben eines elektrischen Generators in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug umfassend ein solches Gasturbinensystem, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinensystems und ein Computerprogrammprodukt.
Die Entwicklung emissionsärmerer Antriebe, besonders für PKW, LKW, Nutzfahrzeuge und -maschinen, geht einher mit einer vielerorts zunehmenden Verschärfung von Grenzwerten für Emissionen. Herausforderungen stellen sich dabei besonders im Bereich der Nutzfahrzeuge, wie LKW, Bau- und Landmaschinen. Dort stellen vor allem Elektromobilitätskonzepte, wie batteriebetriebene Fahrzeuge, wegen des erhöhten Energiebedarfs derzeit keine Alternative zu Dieselmotoren dar. Dieselmotoren im Nutzfahrzeugbereich weisen zudem typischerweise Wirkungsgrade von 45 - 48% auf und sind damit im Vergleich zu PKW-Motoren relativ effizient. Der theoretisch mögliche Wirkungsgrad ist dabei nahezu erreicht. Eine deutliche Effizienzsteigerung ist daher ebenfalls nicht mehr möglich.
Es ist ferner bekannt, dass Gasturbinen oft emissionsärmer verbrennen als Kolbenmotoren. Der elektrische Wirkungsgrad herkömmlicher Mikrogasturbinen, wie sie beispielsweise stationär in Blockheizkraftwerken eingesetzt werden, liegt jedoch nur im Bereich von 25 - 35%. Besonders für mobile Anwendungen ist ein solcher Wirkungsgrad zu gering, um als Alternative zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren zu dienen.
Wünschenswert ist bei Verbrennungsmaschinen zudem ein Brennprozess mit einem Treibstoff-Luft-Gemisch, das in Hinsicht auf den Wirkungsgrad ideal ist. Das ist häufig bei einem sogenannten stöchiometrischen Gemisch der Fall, bei dessen Verbrennung sämtliche Bestandteile chemisch umgesetzt werden. Bei Gasturbinen führt dies jedoch üblicherweise zur Überhitzung. Deshalb werden Gasturbinen meistens mit einem sehr mageren Brennstoff-Luft-Verhältnis betrieben, um eine kritische Temperatur infolge des Eintritts des hei-ßen Rauchgasstroms in die eigentliche Turbine nicht zu überschreiten. Die kritische Temperatur ist dabei vor allem durch die Temperaturresistenz der Turbinenflügel bestimmt. Kühlluft liegt dabei in Form eines erhöhten Volumens der Zuluft vor, die bereits der Brennkammer der Gasturbine zugeführt wird. Um die Turbine daher mit ausreichend Kühlluft zu versorgen, muss der Verdichter, der der Brennkammer vorgeschaltet ist, erhebliche Arbeit für die Kühlung leisten, um die zur Kühlung vorgesehene Luft ebenfalls zu verdichten. Der Wirkungsgrad herkömmlicher Gasturbinen ist dadurch beeinträchtigt. Die kritische Temperatur ist durch das verwendete Turbinenmaterial bestimmt und liegt typischerweise bei etwa 1200°C. Resistenz gegenüber derart hohen Temperaturen stellt wiederum besondere Anforderungen an das verwendete Material und die Fertigung.
Der sogenannte Cheng-Prozess, auch Cheng-Cycle oder STIG- (d.h., Steam Injected Gas Turbine-) Prozess, ist ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrads von Gasturbinen, die stationär, insbesondere großindustriell für die Bereitstellung von Prozesswärme und elektrischer Energie verwendet werden. Die bei einer Gasturbine anfallende Restwärme wird beim Cheng-Prozess dazu benutzt, Dampf zu erzeugen. Dieser wird in einem der Turbine nachgeschalteten Abhitzekessel erzeugt und kann wieder zurück in die Brennkammer der Gasturbine geleitet werden. Ein durch die Dampfzugabe erhöhter Massenstrom in der Turbine sorgt für eine Leistungssteigerung. Durch Wärmerückgewinnung im Abhitzekessel kann der Wirkungsgrad der Gasturbine verbessert werden. Der Dampf wird mit dem Rauchgas an die Umgebung abgegeben.
Der Cheng-Cycle wird wegen hoher Kosten nicht im Dauerbetrieb, sondern nur zur Leistungssteigerung ähnlich einer Wassereinspritzung bei Flugzeugturbinen (s. nachstehend) genutzt. Daher sind die verwendeten Turbinen nicht für diese Art des Betriebs optimiert und müssen bei einem solchen Betrieb durchgehend menschlich überwacht werden. Die Turbinentemperaturen sind zudem trotz Wassereinspritzung sehr hoch, da das Abgas auch zur Gewinnung von Prozesswärme verwendet wird. In Gaskraftwerken findet dieser Prozess keine Verwendung, da Gas-Dampf-Kombinationsanlagen bessere Gesamtwirkungsgrade erzielen.
Von stationären industriellen Turbinen unterschieden sich Flugzeugturbinen im Aufbau nur wenig. Bei Flugzeugturbinen wird die mechanische Arbeit nicht zum Antrieb eines Generators, sondern zum Betreiben einer Luftschaufel verwendet. Dabei erzeugt der Abgasstrahl zudem zusätzlichen Vortrieb. Seit den 60er Jahren existieren Flugzeugturbinen, bei denen zur kurzfristigen Leistungssteigerung Wasser in die Turbinen eingespritzt wird. Das Wasser wird dabei wiederum nur kurzzeitig eingespritzt, um die Turbine zu kühlen und ein fetteres Luft-Brennstoff-Gemisch verwenden zu können, ohne die Turbine zu beschädigen. Dadurch wird die Leistung der Turbine bei Bedarf für die Dauer der Wasserzuführung erhöht.
Der Wirkungsgrad von Flugzeugturbinen sinkt im Fall einer Wasserzuführung allerdings deutlich, da in der Turbine zunächst die Verdampfungsenthalpie des Wassers aufgebracht werden muss, und die Turbinen auch nicht für einen erhöhten Massestrom ausgelegt sind. Infolgedessen passiert ein erhöhter Massestrom die Turbine, ohne Arbeit zu verrichten. Zudem nimmt der Schadstoffausstoß bei dem Brennprozess unter Wasserzuführung deutlich zu.
Mikrogastrubinen dagegen werden schon lange zur stationären Energieerzeugung eingesetzt. In Blockheizkraftwerken erreichen sie elektrische Wirkungsgrade von 25 - 35%. Hier liegt die Hauptaufgabe darin, Prozesswärme bereitzustellen. Diese Turbinen sind deutlich kompakter als solche in Gaskraftwerken, da sie mit Radialverdichtern und -turbinen arbeiten. Mikrogasturbinen arbeiten mit relativ kleinem Verdichtungsverhältnis von 1:4 bis 1:10. Zur Steigerung des Wirkungsgrades wird die Verbrennungsluft nach dem Verdichter oft durch einen Rekuperator vorgewärmt. So wird weniger Brennstoff benötigt um die maximale Turbineneintrittstemperatur zu erreichen.
Infolge der voranstehend beschriebenen Betriebsweise laufen bekannte Mikrogasturbinen allerdings besonders „mager“, d.h. mit verhältnismäßig hohem Luftanteil in dem Treibstoff-Luft-Gemisch. Dadurch wird eine erhöhte Leistung für den Verdichter benötigt, was den Wirkungsgrad solcher Turbinen wiederum erheblich beeinträchtigt.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht in der Schaffung einer raumsparenden Antriebslösung mit hohem Wirkungsgrad und geringer Schadstoffemission, insbesondere für mobile Anwendungen.
Dieses Problem wird durch die Bereitstellung des Gasturbinensystems mit Steuerungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach wird ein Gasturbinensystem mit wenigstens einer Wassereinspritzanordnung, die dazu ausgebildet ist, dem Gasstrom Wasser hinzuzufügen, zur Verfügung gestellt. Die Steuerungseinheit ist dazu ausgebildet, eine Wassermenge zu steuern, die dem Gasstrom mittels der Wassereinspritzanordnung hinzugefügt wird. Ein Wassereinspritzbereich der Wassereinspritzanordnung ist in Bezug auf die Brennkammer derart angeordnet, dass der Gasstrom in dem Wassereinspritzbereich zumindest überwiegend keine brennenden Anteile des Treibstoff-Luft-Gemischs mehr enthält. Die Gasturbine ist ferner dazu ausgebildet, in einer ersten vorgesehenen Betriebsart mit einem zumindest annähernd stöchiometrischen Treibstoff-Luft-Gemisch betrieben zu werden, wobei der dadurch erzeugte Gasstrom eine Temperatur aufweist, die geeignet ist, im Bereich des Turbinenrads eine Temperatur zu verursachen, die größer ist als eine kritische Temperatur des Turbinenrads. Die Steuerungseinheit ist dazu ausgebildet, die Wassermenge derart zu steuern, dass eine Temperatur des dadurch erzeugten Wasser-Gas-Gemischs im Bereich des Turbinenrads kleiner ist als die kritische Temperatur des Turbinenrads und größer als eine Schwellenwerttemperatur.
Die Schwellenwerttemperatur kann wenigstens teilweise bestimmt sein durch eine Temperatur, die zum Vorwärmen des Treibstoffs für die Gasturbine erforderlich ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Schwellenwerttemperatur wenigstens teilweise bestimmt sein durch eine Temperatur, die zum Vorwärmen von Wasser mittels der Wassereinspritzanordnung erforderlich ist. Die Schwellenwerttemperatur kann zudem wenigstens teilweise bestimmt sein durch eine Temperatur, die zum Betreiben einer Abgasreinigungsvorrichtung des Gasturbinensystems erforderlich ist.
Das Gasturbinensystem kann wenigstens einen Sensor umfassen, der dazu ausgebildet ist, wenigstens eine Messgröße zu erfassen, die auf eine Temperatur im Bereich des Turbinenrads hinweist. Dabei kann die Steuerungseinheit dazu ausgebildet sein, die Wassermenge wenigstens teilweise auf der Grundlage der erfassten Messgröße zu steuern.
Der wenigstens eine Sensor kann einen Temperatursensor umfassen, der im oder stromabwärts vom Bereich des Turbinenrads angeordnet ist. Alternativ kann der Temperatursensor stromaufwärts vom Turbinenrad zwischen einer Abgasreinigungsvorrichtung, insbesondere einem Abgaskatalysator, und dem Turbinenrad angeordnet sein. Dabei kann die Steuerungseinheit dazu ausgebildet sein, die Wassermenge wenigstens teilweise auf der Grundlage einer mittels des Temperatursensors erfassten Temperatur zu steuern. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der wenigstens eine Sensor eine Lambdasonde und/oder einen Stickoxidsensor umfassen, und die Steuerungseinheit kann dazu ausgebildet sein, die Wassermenge wenigstens teilweise auf der Grundlage eines Signals der Lambdasonde und/oder des Stickoxidsensors zu steuern. Ein Signal der Lambdasonde und/oder des Stickoxidsensors kann auf wenigstens eine Eigenschaft eines Brennvorgangs in der Brennkammer hinweisen, die mit der Temperatur im Bereich des Turbinenrads in technischer Beziehung steht. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuerungseinheit dazu ausgebildet sein, die Wassermenge ferner wenigstens teilweise auf der Grundlage eines Treibstoffdurchsatzes der Gasturbine, eines Mischungsverhältnisses eines Treibstoff-Luft-Gemischs, mit dem die Gasturbine betrieben wird, einer Zusammensetzung des Rauchgases und/oder eines Drucks innerhalb der Brennkammer zu steuern.
Die Steuerungseinheit kann dazu ausgebildet sein, die Wassermenge außerdem derart zu steuern, dass ein Wirkungsgrad der Gasturbine in Abhängigkeit von der Wassermenge maximal ist. Der Wirkungsgrad der Gasturbine kann dabei in Bezug auf wenigstens einen Prozessparameter eines Betriebsvorgangs in der Brennkammer maximal sein. Dabei kann die Steuerungseinheit dazu ausgebildet sein, die Wassermenge zum Maximieren des Wirkungsgrads zudem wenigstens teilweise auf der Grundlage des wenigstens einen Prozessparameters des Betriebsvorgangs zu steuern.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Das Kraftfahrzeug umfasst ein Gasturbinensystem der hier vorgestellten Art.
Das Kraftfahrzeug kann wenigstens einen elektrischen Antrieb und einen elektrischen Generator, der zur Stromerzeugung für den wenigstens einen elektrischen Antrieb vorgesehen ist, umfassen. Dabei kann das Gasturbinensystem zum Betreiben des elektrischen Generators angeordnet sein.
Das Kraftfahrzeug kann ferner wenigstens eine elektrische Energiespeichervorrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, elektrische Energie, die mittels des elektrischen Generators erzeugt ist, zu speichern und gespeicherte elektrische Energie an den wenigstens einen elektrischen Antrieb bereitzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinensystems der hier vorgestellten Art zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst Empfangen, mittels der Steuerungseinheit, wenigstens eines Eingangssignals, das auf eine Temperatur im Bereich des Turbinenrads hinweist. Das Verfahren umfasst außerdem Erzeugen, mittels der Steuerungseinheit, eines Steuersignals zum Steuern einer Wassermenge, die dem Gasstrom mittels der Wassereinspritzanordnung hinzugefügt wird, derart, dass eine Temperatur des dadurch erzeugten Wasser-Gasgemischs im Bereich des Turbinenrads kleiner ist als die kritische Temperatur des Turbinenrads und größer als eine Schwellenwerttemperatur. Ferner umfasst das Verfahren Ausgeben, mittels der Steuerungseinheit, des Steuersignals an die Wassereinspritzanordnung.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt zur Verfügung gestellt. Das Computerprogrammprodukt umfasst Teile von Programmcode, die, wenn sie auf einer Prozessoreinrichtung einer Steuerungseinheit eines Gasturbinensystems ausgeführt werden, die Steuerungseinheit zum Durchführen des Verfahrens der hier vorgestellten Art veranlassen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Gasturbinensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine Brennkammer des Gasturbinensystems aus 1;
3 ein Kraftfahrzeug mit einem Gasturbinensystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
4 ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinensystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
5 ein Enthalpieschema für ein Gasturbinensystem gemäß einem Beispiel; und
6 und 7 Zustandsdiagramme für einen Prozess in einem Gasturbinensystem.

1 zeigt schematisch und exemplarisch ein Gasturbinensystem 100 mit einer Gasturbine 102 sowie einer damit kommunikativ verbundenen Steuerungseinheit 190. Die Gasturbine 102 umfasst einen Turbogenerator 105, einen Verdichter 110 und eine Turbine 150 mit einem darin angeordneten Turbinenrad 152. Der Turbogenerator 105, der Verdichter 110 und die Turbine 150 sind entlang einer Welle 115 angeordnet und mit dieser verbunden. Die Gasturbine 102 weist ferner eine Brennkammer 120 auf. Zu Darstellungszwecken ist in 1 die Brennkammer 120 oberhalb der Welle 115 gezeigt. In einigen Beispielen entspricht dies schematisch einem Aufbau der Gasturbine 102. In weiteren typischen Ausgestaltungen der Gasturbine 102 ist die Brennkammer 120 dagegen ebenfalls entlang der Welle 115 angeordnet. Wie durch die Pfeile bzw. die mit Pfeilen versehenen Linien im Bereich der vorgenannten Komponenten in 1 gezeigt, stehen der Verdichter 110, die Brennkammer 120 und die Turbine 150 miteinander in fluidischer Verbindung. Insbesondere bilden sie Teile eines Strömungswegs, der sich ausgehend von einem Lufteinlass 112 der Gasturbine über den Verdichter 110 durch die Brennkammer 120 und weiter zur Turbine 150 erstreckt. In dem Verdichter 110 erfolgt eine Verdichtung der Zuluft. Die verdichtete Zuluft wird für einen Brennvorgang, der in der Brennkammer 120 erfolgt, verwendet. Der Gasstrom, der anschließend das Rauchgas des Brennvorgangs enthält, wird zu der Turbine 150 weitergeleitet, in der wiederum mittels des (Rauch-)Gasstroms das Turbinenrad 152 angetrieben wird. Von der Turbine 150 aus erstreckt sich der Strömungsweg in Richtung auf einen Abgasauslass 175.
Der Brennvorgang in der Brennkammer 120 wird durch ein Treibstoff-Luft-Gemisch genährt. Dazu wird der Brennkammer 120 neben der vom Verdichter 110 kommenden verdichteten Zuluft Treibstoff über eine Treibstoffeindüsung 122 zugeführt. Der Treibstoff vermischt sich in der Brennkammer 120 mit der verdichteten Zuluft zu dem Treibstoff-Luft-Gemisch, das zur Verbrennung in der Brennkammer 120 vorgesehen ist. In dem Beispiel von 1 umfasst die Gasturbine 102 einen Treibstofftank 130. Von diesem gelangt Treibstoff zunächst zu einer Treibstoffheizung 132 und von dort zu der Treibstoffeindüsung 122.
Die Anordnung der vorgenannten Komponenten und ihre Funktionsweise, soweit vorangehend beschrieben, unterscheiden sich bei vielen Beispielen der Gasturbine 102 nicht grundsätzlich von der Anordnung entsprechender Komponenten und ihrer Funktionsweise in herkömmlichen Gasturbinen. Außerdem ist die Gasturbine 102 in einigen Beispielen zum Betreiben eines elektrischen Generators vorgesehen, mittels dessen die Rotation des Turbinenrads 152, beispielsweise über eine Kopplung des Generators an die Welle 115, in elektrische Energie umgewandelt wird. Eine solche Anwendung und die dafür erforderliche Herrichtung der Gasturbine 102 unterscheiden sich bei vielen dieser Beispiele ebenfalls nicht grundsätzlich von denen herkömmlicher Gasturbinen-Generator-Anordnungen.
Bei der Gasturbine 102 weist die Brennkammer 120 neben der Treibstoffeindüsung 122 zusätzlich eine Wassereindüsung 144 auf. Die Wassereindüsung 144 dient dazu, dem Gasstrom Wasser hinzuzufügen. Das Wasser gelangt in dem gezeigten Beispiel von einem Wassertank 140 über eine Wassereinspritzvorrichtung 142, in der das Wasser gefördert und entsprechend jeweiligen Prozesserfordernissen konditioniert, beispielsweise verdampft und mit einem erforderlichen Druck beaufschlagt, wird, zu der Wassereindüsung 144. Die Wassereinspritzvorrichtung 142 und die Wassereindüsung 144 sind Teile einer Wassereinspritzanordnung der Gasturbine 102. Die Temperatur des (in typischen Beispielen als überkritischer Dampf vorliegenden) Wassers bei der Einspritzung in die Brennkammer 120 ist wesentlich niedriger als eine Prozesstemperatur des Brennvorgangs sowie eine Temperatur des durch den Brennvorgang erzeugten Rauchgasstroms. Die Wassereinspritzung bewirkt daher eine Absenkung der Temperatur des so erzeugten Wasser-(Rauch)Gas-Gemischs gegenüber einer Temperatur des Gasstroms vor, d.h. stromaufwärts von, der Wassereinspritzung. Das erzeugte Wasser-Gas-Gemisch, bzw. der so mit Wasser versehene Gasstrom, bewirkt daher beim Passieren der Turbine 150 eine geringere Aufheizung der Turbine 150 und insbesondere des darin angeordneten Turbinenrads 152, als es bei einem Betreiben der Gasturbine 102 ohne die Wassereinspritzung bei einem dabei unveränderten Brennvorgang in der Brennkammer 120 der Fall wäre. Die Wassereinspritzung in den Gasstrom gestattet damit insbesondere die Verwendung eines Brennvorgangs, der herkömmlich, d.h. ohne Wassereinspritzung, zu einer Überhitzung der Turbine 150 führen würde.
In 1 ist die Wassereindüsung 144 schematisch stromabwärts von der Treibstoffeindüsung 122 dargestellt. Dies entspricht der Funktionsweise der Gasturbine 102, bei der der innerhalb des Gasstroms erfolgende Brennvorgang zumindest weitgehend abgeschlossen ist, bevor dem Gasstrom über die Wassereindüsung 144 Wasser zugeführt wird. Dies ist vorteilhaft in Hinsicht auf einen „sauberen“ Brennprozess, bei dem möglichst wenige Schadstoffe gebildet bzw. freigesetzt werden. Eine räumliche Anordnung der Wassereindüsung 144 in Bezug auf die Brennkammer 120 stromabwärts von einer Anordnung der Treibstoffeindüsung 122 ist dafür jedoch nicht in allen Beispielen der Gasturbine 102 erforderlich. Vielmehr ist die Anordnung der Wassereindüsung 144 zu dem beschriebenen Zweck bedingt durch fluiddynamische Vorgänge, insbesondere ein Strömungsverhalten innerhalb der Brennkammer 120, die sich bei einzelnen Ausgestaltungen der Gasturbine 102 unterscheiden können. Umgekehrt ist wegen der bei vorgesehenen Betriebsarten der Gasturbine 102 verhältnismäßig hohen Temperatur des Brennvorgangs eine rasch erfolgende Kühlung durch die Wassereinspritzung zum Schutz des Brennkammermaterials vorteilhaft bzw. erforderlich. In einigen Beispielen erfolgt die Wassereinspritzung zu diesem Zweck außerdem derart, dass ein Strom des eingespritzten Wassers ein Brennvolumen innerhalb der Brennkammer gegenüber der Brennkammerwand wenigstens teilweise umhüllt, bevor eine Vermischung von Wasser und Rauchgasstrom erfolgt.
Die Gasturbine 102 umfasst außerdem einen Sensor 160. In dem Beispiel von 1 ist der Sensor 160 ausgangsseitig von der Turbine 150 in dem Strömungsweg angeordnet. In anderen Beispielen der Gasturbine 102 ist der Sensor 160 abweichend hiervon, beispielsweise im Bereich der Turbine 150, vorgesehen. Der Sensor 160 ist dazu ausgebildet, eine Messgröße zu erfassen, die auf eine Temperatur im Bereich der Turbine 150 hinweist. Beispielsweise umfasst der Sensor 160 einen Temperatursensor, der eine Temperatur stromabwärts von der Turbine oder im Bereich der Turbine 150 erfasst. In weiteren Beispielen der Gasturbine 102 umfasst der Sensor 160 einen hiervon abweichenden Sensor oder zusätzliche Sensoren, beispielsweise eine Lambdasonde im Abgasstrom, deren Signale, gegebenenfalls unter Hinzuziehen weiterer Prozessparameter, wie beispielsweise eines Treibstoffdurchsatzes, Rückschlüsse auf die Temperatur im Bereich der Turbine 150 gestatten. Die erfasste(n) Messgröße(n) und der bzw. die weitere(n) Prozessparameter gestatten beispielsweise Rückschlüsse auf den Brennvorgang in der Brennkammer 120, der wiederum auf eine resultierende Temperatur im Bereich der Turbine 150 schließen lässt. Der Sensor 160 ist kommunikativ mit der Steuerungseinheit 190 verbunden. Der Sensor 160 ist dabei dazu ausgebildet, Sensorsignale an die Steuerungseinheit 190 auszugeben.
Die Steuerungseinheit 190 umfasst eine Prozessoreinrichtung 192 sowie eine damit verbundene Speichervorrichtung 194. Die Steuerungseinheit 190 ist außerdem mit der Wassereinspritzvorrichtung 142 kommunikativ verbunden. Die Steuerungseinheit 190 ist dazu ausgebildet, Sensorsignale von dem Sensor 160 zu empfangen und wenigstens teilweise auf der Grundlage empfangener Sensorsignale Steuerungssignale für die Wassereinspritzvorrichtung 142 zu bestimmen und diese an die an die Wassereinspritzvorrichtung 142 auszugeben, um damit eine oder mehrere Funktionen der Wassereinspritzvorrichtung 142 zu steuern.
Die Steuerungseinheit 190 steuert eine Wassermenge, die mittels der Wassereinspritzvorrichtung 142 über die Wassereindüsung 144 dem Gasstrom zugeführt wird. Die dem Gasstrom zugeführte Wassermenge wird dabei derart gesteuert, dass das dadurch erzeugte Wasser-Gas-Gemisch eine Temperatur aufweist, die bei Weiterleiten des Gasstroms in die Turbine 150 eine Temperatur im Bereich der Turbine 150 bewirkt, die niedriger ist als eine kritische Temperatur der Turbine 150, d.h. niedriger als eine Höchsttemperatur, bei der ein Betrieb der Turbine 150 vorgesehen oder ohne Beschädigung der Turbine 150 möglich ist. Üblicherweise ist die kritische Temperatur bestimmt durch die Hitzebeständigkeit der Flügel des Turbinenrads. Zu dem beschriebenen Zweck ist die Steuerungseinheit 190 dazu ausgestaltet, anhand eines von dem Sensor 160 empfangenen Sensorsignals sowie gegebenenfalls ergänzend herangezogener Betriebs- oder Prozessparameter der Gasturbine 102, die insgesamt auf eine Temperatur im Bereich der Turbine 150 schließen lassen, ein entsprechendes Steuersignal zu bestimmen und an die Wassereinspritzvorrichtung 142 auszugeben.
Die Steuerungseinheit 190 steuert die mittels der Wassereinspritzvorrichtung 142 zugeführte Wassermenge außerdem so, dass eine resultierende Temperatur im Bereich der Turbine 150 dadurch nicht unter eine vorbestimmte Schwellenwerttemperatur sinkt. Wie nachfolgend näher ausgeführt, ist bei der Gasturbine 102 vorgesehen, die in dem Gasstrom nach Passieren des Turbinenrads 152 enthaltene Wärme zum Heizen des Treibstoffs und/oder des Wassers für nachfolgende Brennvorgänge und/oder Wassereinspritzvorgänge zu nutzen. Dazu steuert die Steuerungseinheit 190 die zugeführte Wassermenge derart, dass eine für diese Arbeitsprozesse erforderliche Ausgangstemperatur des Gasstroms bei Austritt aus der Turbine 150 infolge der Wassereinspritzung nicht unterschritten wird.
Die Gasturbine 102 umfasst außerdem einen Wärmetauscher 170. Dieser ist stromabwärts von der Turbine 150 in dem Strömungsverlauf angeordnet. Der Wärmetauscher 170 ist dazu vorgesehen, in dem Gasstrom enthaltene Wärme zum Vorheizen von Treibstoff und/oder von Einspritzwasser zu entziehen. Dabei wird mittels des Wärmetauschers 170 dem Gasstrom entzogene Wärme mittels eines Heizkreislaufs 172, 174 der Treibstoffheizung 132 und/oder der Wassereinspritzvorrichtung 142 zugeführt. In dem gezeigten Beispiel der Gasturbine 102 erstreckt sich der Heizkreislauf 172, 174 über ein erstes Heizkreislaufsegment 172 zu der Wassereinspritzvorrichtung 142 sowie über ein zweites Heizkreislaufsegment 174 zu der Treibstoffheizung 132. In abweichenden Beispielen der Gasturbine 102 ist der Heizkreislauf zum Zweck des Vorheizens nur eines der Betriebsstoffe, d.h. des Treibstoffs oder des Einspritzwassers, vorgesehen. Dabei erstreckt sich der Heizkreislauf jeweils nur zu einem aus Treibstoffheizung 132 und Wassereinspritzvorrichtung 142. Die in dem Gasstrom verbleibende Restwärme entspricht einer Temperatur unterhalb des Taupunkts. Dies gestattet eine Rückgewinnung wenigstens eines Teils des zuvor eingespritzten Wassers aus dem Gasstrom infolge des Passierens des Wärmetauschers 170. Das derart zurückgewonnene Wasser wird in einem Auffangtank 180 gesammelt und von dort wiederaufbereitet dem Wassertank 140 für erneute Einspritzvorgänge zugeführt. Der Abgasstrom tritt über einen Auslass 175 aus der Gasturbine 102 aus.
2 zeigt schematisch und exemplarisch eine vergrößerte Ansicht der Brennkammer 120. Dabei handelt es sich beispielsweise um die Brennkammer 120 aus einem der voranstehend im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Beispiele. Die Brennkammer 120 weist, wie voranstehend beschrieben, eine Treibstoffeindüsung 122 und eine Wassereindüsung 144 auf. Die Treibstoffeindüsung 122 und die Wassereindüsung 144 umfassen beispielsweise jeweils eine oder mehrere Düsen, über die Treibstoff bzw. Wasser in den Innenraum der Brennkammer 120 eingespritzt werden kann. Wie 2 schematisch gezeigt, ist ein Wassereinspritzbereich Bw, innerhalb dessen ein Vermischen des Gasstroms mit dem eingespritzten Wasser erfolgt, in einer in Strömungsrichtung S des Gasstroms stromabwärts gelegenen Position in Bezug auf einen Brennbereich Bv der Brennkammer angeordnet, innerhalb dessen bei üblichen Betriebszuständen der Gasturbine eine Verbrennung des Treibstoff-Luft-Gemischs erfolgt. Dadurch enthält der Gasstrom in dem Wassereinspritzbereich Bw wenigstens überwiegend keine brennenden Anteile des Treibstoff-Luft-Gemischs mehr. Beispielsweise ist bei vorgesehenen Betriebszuständen der Gasturbine ein Brennvorgang zu wenigstens 60%, bevorzugt zu wenigstens 80%, bevorzugt zu wenigstens 90%, bevorzugt zu wenigstens 95% abgeschlossen, bevor der sich daraus ergebende (Rauch-)Gasstrom in den Wassereinspritzbereich Bw eintritt. Abschluss des Brennvorgangs liegt beispielsweise dann vor, wenn sämtliche bei dem Brennprozess umsetzbaren Treibstoffanteile im Gasstrom umgesetzt sind. Dabei gelten die voranstehenden Werte für den Fortschritt des Brennprozesses beispielsweise in Bezug auf eine bei dem Brennprozess insgesamt umzusetzende Treibstoffmenge. In anderen Beispielen gelten die voranstehenden Werte für den Fortschritt des Brennprozesses in Bezug auf eine bei dem Brennprozess in jedem von mehreren Teilströmen des Gasstroms umzusetzende Treibstoffmenge. Dabei entsprechen verschiedene Teilströme beispielsweise verschiedenen Bereichen eines Querschnittsprofils des Gasstroms.
Bei einigen Ausführungen der Brennkammer 120 ist zudem stromaufwärts von der Treibstoffeindüsung 122 zusätzlich eine Primärwassereindüsung 246 vorgesehen. Primärwassereindüsungen, die dem Brennprozess vorgeschaltet sind, sind bekannt, um durch kontrollierte Zugabe einer (verhältnismäßig geringen) Menge von Wasser zu dem Brennvorgang die Bildung bestimmter Schadstoffe zu verringern. Dies betrifft beispielsweise Stickoxide. Die zur Minimierung derartiger Schadstoffe mittels der Primärwassereindüsung 246 zuzuführende Menge an Wasser ist jedoch typischerweise gering gegenüber einer bei vorgesehenen Betriebsarten des Gasturbinensystems 100 mittels der Wassereindüsung 144 zuzuführende Wassermenge.
In einigen Beispielen ist auch die Menge des mittels der Primärwassereindüsung 246 zugeführten Wassers durch die Steuerungseinheit 190 gesteuert. Dazu empfängt die Steuerungseinheit 190 beispielsweise von dem Sensor 160, der in diesem Fall beispielsweise einen Stickoxidsensor umfasst, ein Signal, das auf eine Stickoxidmenge im Abgasstrom hinweist. Die Steuerungseinheit 190 ist dabei beispielsweise dazu ausgebildet, eine Gesamtwassermenge zu bestimmen, die dem Gasstrom mittels der Wassereindüsung 144 und der Primärwassereindüsung 246 insgesamt zugeführt werden soll. Wenigstens teilweise auf der Grundlage des Signals von dem Stickoxidsensor bestimmt die Steuerungseinheit denjenigen Anteil von der Gesamtwassermenge, der mittels der Primärwassereindüsung 246 zugeführt wird. Ein Steuersignal, das dem verbleibenden Teil der Gesamtwassermenge entspricht, wird dagegen an die Wassereinspritzvorrichtung 142 zum Einspritzen der entsprechenden Wassermenge mittels der Wassereindüsung 144 ausgegeben. In einigen Beispielen erfolgt auch die Primärwasserzuführung über die Wassereinspritzvorrichtung 142, die zu diesem Zweck außerdem mit der Primärwassereindüsung 246 verbunden ist. In anderen Beispielen des Gasturbinensystems 100 ist die Primärwassereinspritzung nicht durch die Steuerungseinheit 190 gesteuert. Dabei empfängt die Steuerungseinheit 190 in einigen Ausbildungen, beispielsweise von einer separaten Primärwassersteuerung, ein Signal, das auf die Menge zugeführten Primärwassers hinweist, und die Steuerungseinheit 190 bestimmt anhand der Differenz aus einer vorgesehenen Gesamtwassermenge und der Menge zugeführten Primärwassers die Wassermenge, die dem Gasstrom mittels der Wassereindüsung 144 zuzuführen ist.
Bei dem Gasturbinensystem 100 ist die bei herkömmlichen Gasturbinen zur Kühlung der Turbine als zusätzliches Volumen des Gasstroms erhöhte Zuluft wenigstens teilweise durch die Einspritzung von Wasser, typischerweise in Form von überkritischem Dampf, ersetzt. Das Wasser wird dabei im Wesentlichen nach der Verbrennung dem Gasstrom zugeführt. Die benötigte Leistung zum Einbringen des Wassers, einschließlich einer Konditionierung des Wassers bezüglich Temperatur und/oder Druck, ist dabei erheblich niedriger als eine Leistung, die erforderlich ist, um die Turbinenanlage in gleichem Umfang mit Luft zu kühlen, wobei diese Leistung als erhöhte Verdichterleistung erbracht werden müsste, um ein entsprechendes zusätzliches Volumen an Zuluft zu verdichten. Dies begünstigt einen hohen Wirkungsgrad des Gasturbinensystems 100. Das dem Gasstrom zugeführte Wasser erhöht zudem den Massestrom durch die Turbine und wirkt sich damit ebenfalls vorteilhaft auf den Wirkungsgrad des Gasturbinensystems 100 aus.
Die Kühlung des Rauchgasstroms mittels der beschriebenen Wassereinspritzanordnung unabhängig von, insbesondere nach, dem Brennvorgang gestattet zudem zumindest teilweise eine Entkopplung des Kühlvorgangs von dem zur Verbrennung verwendeten Treibstoff-Luft-Gemisch. Dies wiederum gestattet die Verwendung auch deutlich fetterer, d.h. luftärmerer, Treibstoff-Luft-Gemische, als dies bei herkömmlichen Turbinen der Fall ist. Insbesondere ist das Gasturbinensystem 100 dazu ausgebildet, dauerhaft mit einem stöchiometrischen Treibstoff-Luft-Gemisch betrieben zu werden. Gegenüber herkömmlichen, mit erheblich magereren Gemischen betriebenen Gasturbinen hat ein Brennvorgang mit stöchiometrischem Gemisch den Vorteil eines erheblich höheren Wirkungsgrads. Die dabei auftretende höhere Temperatur des dadurch erzeugten Rauchgases, die einen solchen Betrieb bei herkömmlichen Turbinen ausschließt, wird bei dem Gasturbinensystem 100 mittels anschließender Wassereinspritzung so weit gesenkt, dass die dabei in der Turbine 150 und insbesondere im Bereich des Turbinenrads 152 resultierende Temperatur unterhalb einer kritischen Temperatur des Turbinenrads 152 liegt.
Die beschriebene Wassereinspritzung gestattet zudem ein Abkühlen des Gasstroms derart, dass im Bereich der Turbine 150 selbst bei einem Betreiben der Gasturbine 102 in einem hohen Leistungsbereich eine erheblich geringere Temperatur vorliegt, als dies bei herkömmlichen Gasturbinen der Fall ist, bei denen Temperaturen im Bereich der Turbine von üblicherweise bis zu 1200 °C vorliegen. Dadurch gestattet das Gasturbinensystem 100 die Verwendung günstigerer und einfacher zu bearbeitender Werkstoffe, da diese nur geringeren Anforderungen bezüglich einer kritischen Temperatur zu genügen brauchen. Bei Ausgestaltungen des Gasturbinensystems 100 sind theoretisch Wirkungsgrade von mehr als 60 % auch bei einer verhältnismäßig niedrigen Turbineneintrittstemperatur von etwa 600 °C erzielbar. Das Gasturbinensystem 100 gestattet gleichzeitig eine kompakte Ausgestaltung. Damit ist das Gasturbinensystem 100 besonders im Rahmen einer Gasturbinen-Generator-Anordnung zur Stromerzeugung in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, bevorzugt einem Lkw oder einem anderen Nutzfahrzeug, einem Schiff, in Baumaschinen oder in mobilen Notstromaggregaten, geeignet.
Die Wassereinspritzung nach dem Brennvorgang bewirkt zudem, dass der Brennvorgang durch die eingespritzte Wassermenge zumindest nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Dadurch ist insbesondere ein erhöhter Schadstoffausstoß, der sich bei bekannten Turbinenanordnungen im Fall erhöhter Wasserzugabe ergibt, vermieden.
Die in 2 gezeigte Anordnung von Brennbereich Bv und Wassereinspritzbereich B_W ist diesbezüglich als schematische Vereinfachung anzusehen. Insbesondere sind in 2 der Brennbereich Bv und der Wassereinspritzbereich Bw jeweils als ein zusammenhängender Bereich gezeigt, Zudem erstrecken sich in der Darstellung von 2 der Brennbereich Bv und der Wassereinspritzbereich Bw vollständig in getrennten Normalebenen in Bezug auf die Strömungsrichtung S. Es versteht sich jedoch, dass für den beschriebenen Zweck auch eine hiervon abweichende Form und/oder Anordnung des Brennbereichs Bv und/oder des Wassereinspritzbereichs Bw vorliegen kann. Insbesondere bei einer Umsetzung der Treibstoffeindüsung 122 und/oder der Wassereindüsung 144 in Gestalt von jeweils mehreren räumlich getrennt voneinander angeordneten Düsen ist der Brennbereich Bv und/oder der Wassereinspritzbereich Bw in einigen Beispielen aus jeweils mehreren getrennten Teilbereichen gebildet, innerhalb deren der Brennprozess bzw. das Vermischen des Gasstroms mit eingespritztem Wasser jeweils für einen Teil des Gasstroms erfolgt.
Zudem erfolgt in einigen Beispielen bezogen auf ein Querschnittsprofil des Gasstroms ein Vermischen des Gasstroms mit eingespritztem Wasser in einigen Profilbereichen wenigstens teilweise weiter stromaufwärts bzw. stromabwärts als in anderen Profilbereichen. Dabei erstrecken sich der Brennbereich Bv und der Wassereinspritzbereich Bw beispielsweise wenigstens teilweise innerhalb einer selben Normalebene. In einigen Beispielen ist zudem in einigen Profilbereichen des Gasstroms der Brennprozess weiter fortgeschritten als in anderen Profilbereichen, wenn die jeweiligen Profilbereiche des Gasstroms in den Wassereinspritzbereich Bw eintreten. Die vorgenannten Werte für einen Fortschritt des Brennprozesses bei Eintritt des Gasstroms in den Wassereinspritzbereich Bw beziehen sich dabei beispielsweise auf einen gesamten Brennprozess, d.h. eine Gesamtheit der bei dem Brennprozess insgesamt umzusetzenden Treibstoffanteile, bzw. vergleichbar einem Mittelwert. Dies gilt beispielsweise unabhängig von einer vorliegenden Geometrie des Brennbereichs Bv und des Wassereinspritzbereichs Bw.
Im Unterschied zu bekannten Gasturbinen, bei denen eine kurzzeitige Wassereinspritzung vorgesehen ist, ist das Gasturbinensystem 100 besonders zum Dauerbetrieb mit Wassereinspritzung ausgebildet. Zu diesem Zweck ist die Steuerungseinheit 190 so ausgestaltet, dass sie die zugeführte Wassermenge, sowie in einigen Beispielen weitere Prozessparameter, wie etwa eine Temperatur oder einen Druck des zugeführten Wassers, kontinuierlich steuert auf der Grundlage einer kontinuierlichen Erfassung der Temperatur im Bereich der Turbine 150 oder einer anderen bzw. weiterer, gegebenenfalls in Kombination miteinander auf eine Temperatur im Bereich der Turbine 150 hinweisender Größen.
In einigen Beispielen werden mittels der Steuerungseinheit 190 zudem Parameter erfasst oder ermittelt, die für den Brennvorgang in der Brennkammer 120 und eine sich daraus ergebende Temperatur im Bereich der Turbine 150 bestimmend sind. Dabei ist in einigen Beispielen des Gasturbinensystems 100 die Steuerungseinheit 190 ferner zur Steuerung einer Treibstoffzufuhr zu der Brennkammer 120 ausgebildet. Das Gasturbinensystem 100 gestattet dabei in einigen Beispielen eine zumindest weitgehende Steuerung des Brennvorgangs sowie einer entsprechenden Wassereinspritzung gemäß einem für die jeweilige Ausgestaltung der Gasturbine 102 maximalen Wirkungsgrad, einschließlich einer Eintrittstemperatur des Gasstroms in die Turbine 150 mit Blick auf eine Rückgewinnung des Einspritzwassers und/oder einer Verwendung von Wärme im austretenden Gasstrom zum Vorheizen von Treibstoff und/oder Einspritzwasser. Die Steuerung von Treibstoff- und gegebenenfalls Wassereinspritzung mittels der Steuerungseinheit 190 erfolgt dabei beispielsweise anhand von Kennfeldern, die in der Speichervorrichtung 194 zum Auslesen mittels der Prozessoreinrichtung 192 gespeichert sind, und/oder anhand kontinuierlicher Berechnung auf der Grundlage thermomechanischer Gesetzmäßigkeiten sowie den durch die jeweilige Ausgestaltung der Gasturbine 102 gegebenen Randbedingungen. Diese können dabei ebenfalls wenigstens teilweise in der Speichervorrichtung 194 gespeichert sein und von der Prozessoreinrichtung 192 für die jeweilige Berechnung ausgelesen werden.
Die vom Sensor 160 sowie in einigen Beispielen von weiteren Sensorvorrichtungen erfassten Messgrößen umfassen bei den vorgenannten Anwendungen beispielsweise einen eingangsseitigen Luftmassenstrom im Bereich des Lufteinlasses 112, eine Abgastemperatur im Bereich des Abgasauslasses 175, die Temperatur im Bereich der Turbine 150, den in die Brennkammer 120 eintretenden Wassermassenstrom, Druck und Temperatur des Einspritzwassers, eine Abgaszusammensetzung, insbesondere eine Stickoxidkonzentration im Bereich des Abgasauslasses 175, Leistung und Drehzahl der Turbine, sowie in einigen Beispielen weitere einen Betrieb der Gasturbine 102 bestimmende und/oder sich daraus ergebende Größen und Gasstromzusammensetzungen.
Das Gasturbinensystem 100 gestattet bei einigen der vorgenannten Beispiele einen bezüglich des Wirkungsgrads verbesserten Betrieb der Gasturbine 102 nicht nur bei einer Nenndrehzahl der Gasturbine 102, sondern in gleicher Weise auch im Teillastbereich. Dies ist vorteilhaft besonders bei mobilen Anwendungen und gestattet auch bei einem solchen Betrieb das Einstellen eines möglichst geringen Schadstoffausstoßes. Dabei wird in einigen Beispielen die Abgastemperatur so eingestellt, dass sie zumindest der Temperatur entspricht, die zum Betreiben einer Abgasreinigungsvorrichtung des Gasturbinensystems, beispielsweise der Starttemperatur eines vorhandenen Abgaskatalysators, eines Partikelfilters oder SCR- (d.h., Selektive-katalytische-Reduktions-)Katalysators, entspricht.
In einigen Beispielen des Gasturbinensystems 100 ist eine Abgassensorik, beispielsweise eine Lambdasonde, vorgesehen, anhand deren Signal der Treibstoffmassenstrom geprüft und bezüglich des Treibstoff-Luft-Verhältnisses angepasst werden kann. Damit lassen sich beispielsweise Effekte durch schwankende Treibstoffqualitäten, wie sie vor allem bei sogenanntem LPG, d.h. Liquefied Petroleum Gas, auch bekannt als Autogas, vorkommen, ausgleichen.
In einigen Beispielen ist das Gasturbinensystem 100 als Teil einer Stromerzeugung in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug vorgesehen, das ferner für einen hybriden Betrieb ausgebildet ist. Dabei ist die Steuerungseinheit 190 beispielsweise dazu ausgebildet, den Ladezustand einer Batterie und/oder die Rekuperationsenergie einer Bremse des Fahrzeugs zu überwachen und die Leistung der Gasturbine 102 entsprechend zu steuern, um ein Überladen der Batterie zu verhindern.
Gemäß dem Voranstehenden gestattet die Steuerungseinheit 190 in einigen Beispielen in Kombination mit einer entsprechenden Ausgestaltung des Sensors 160 und gegebenenfalls weiterer Sensoren der Gasturbine 102 sowie gegebenenfalls weiterer den Betrieb der Gasturbine 102 bestimmender Eingangsgrößen, die zuzuführende Wassermenge mittels Berechnung oder Kennfeldsteuerung derart zu bestimmen, dass ein Wirkungsgrad der Gasturbine 102 unter den jeweils vorgegebenen Bedingungen maximal ist. Ein Beispiel für eine solche Berechnung ist nachfolgend anhand von 5 vorgestellt.
3 zeigt schematisch und exemplarisch ein Kraftfahrzeug 300 mit einem Gasturbinensystem 310. Das Gasturbinensystem 310 ist als Teil einer Antriebsstrecke des Fahrzeugs 300 vorgesehen. Bei dem Gasturbinensystem 310 handelt es sich beispielsweise um ein Gasturbinensystem gemäß einem der voranstehend beschriebenen Beispiele des Gasturbinensystems 100.
Das Gasturbinensystem 310 ist zum Betreiben eines elektrischen Generators 320 in dem Kraftfahrzeug 300 vorgesehen. Die mittels des Generators 320 erzeugte elektrische Energie wird anschließend in einer elektrischen Energiespeichervorrichtung 330 des Kraftfahrzeugs 300 gespeichert. Die in der elektrischen Energiespeichervorrichtung 330 gespeicherte elektrische Energie ist zum Betreiben einer elektrischen Antriebsanordnung 340 des Kraftfahrzeugs 300 vorgesehen. In dem gezeigten Beispiel umfasst die elektrische Antriebsanordnung 340 mehrere elektrische Antriebe 342a, 342b. In dem gezeigten Beispiel sind die elektrischen Antriebe 342a, 342b der Antriebsanordnung 340, die beispielsweise jeweils einen Elektromotor umfassen, verschiedenen Rädern bzw. verschiedenen Achsen des Kraftfahrzeugs 300 zugeordnet.
Voranstehend ist eine Verwendung eines Gasturbinensystems der hier vorgestellten Art als Teil einer Antriebslösung für ein Kraftfahrzeug beschrieben. Das beschriebene Gasturbinensystem ist jedoch auch abweichend davon in anderen Anwendungen vorteilhaft einsetzbar. Beispiele umfassen einen Einsatz als Stromaggregat, z.B. für Baumaschinen, wie etwa Kompressoren für Presslufthammer, etc. Weitere Beispiele umfassen einen stationären Einsatz des Gasturbinensystems, etwa für autonomes Wohnen unabhängig vom Stromversorger oder als Ergänzung zu Solaranlagen als Kleinkraftwerk.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 400 zum Betreiben eines Gasturbinensystems wie voranstehend beschrieben. Das Gasturbinensystem umfasst dabei wenigstens eine Gasturbine und wenigstens eine Steuerungseinheit, wobei die Gasturbine mindestens ein Turbinenrad, wenigstens eine Brennkammer, die zum Verbrennen eines Treibstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer vorgesehen ist und die mit dem Turbinenrad fluidisch verbunden ist zum Leiten eines Gasstroms aus der Brennkammer zu dem Turbinenrad, und wenigstens eine Wassereinspritzanordnung umfasst, die dazu ausgebildet ist, dem Gasstrom Wasser hinzuzufügen. Ein Wassereinspritzbereich der Wassereinspritzanordnung ist dabei in Bezug auf die Brennkammer derart angeordnet, dass der Gasstrom in dem Wassereinspritzbereich wenigstens annähernd keine brennenden Anteile des Treibstoff-Luft-Gemischs mehr enthält. Zudem ist die Gasturbine dazu ausgebildet, in einer ersten vorgesehenen Betriebsart mit einem wenigstens annähernd stöchiometrischen Treibstoff-Luft-Gemisch betrieben zu werden. Der dadurch erzeugte Gasstrom weist eine Temperatur auf, die geeignet ist, im Bereich des Turbinenrads eine Temperatur zu verursachen, die größer ist als eine kritische Temperatur des Turbinenrads.
Das Verfahren 400 umfasst Empfangen, mittels der Steuerungseinheit, wenigstens eines Eingangssignals, das auf eine Temperatur im Bereich des Turbinenrads hinweist, Schritt 410. Das Verfahren 400 umfasst zudem Erzeugen, mittels der Steuerungseinheit, eines Steuersignals zum Steuern einer Wassermenge, die dem Gasstrom mittels der Wassereinspritzanordnung hinzugefügt wird, derart, dass eine Temperatur des dadurch erzeugten Wasser-Gas-Gemischs im Bereich des Turbinenrads kleiner ist als die kritische Temperatur des Turbinenrads und größer als eine Schwellenwerttemperatur, Schritt 420. Das Verfahren 400 umfasst außerdem Ausgeben, mittels der Steuerungseinheit, des Steuersignals an die Wassereinspritzanordnung, Schritt 430.
Anhand von 5 ist nachfolgend verkürzt eine Beispielberechnung für den Betrieb eines Gasturbinensystems nach einem der voranstehenden Beispiele vorgestellt. Die vorgestellte Beispielrechnung ist in identischer Form oder nach Anpassung an jeweils geänderte Anwendungsbedingungen geeignet, um als Grundlage für ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinensystems, insbesondere zum Steuern von Prozessgrößen mit maximiertem Wirkungsgrad nach einem der voranstehenden Beispiele, verwendet zu werden.
5 zeigt ein Diagramm 500, in dem verschiedene Enthalpien h₁, h_2,Z, h₂, h_2,W, h₃ verschiedenen Abschnitten des Strömungswegs durch Teile eines Gasturbinensystems zugeordnet sind. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 bezeichnen darin gleiche Komponenten eines Gasturbinensystems. Die nachfolgende Berechnung beruht auf einer bevorzugten Verwendung des Gasturbinensystems zum Betreiben eines elektrischen Generators in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug sowie auf einer Verwendung des bevorzugten CO₂-neutralen Brennstoffs Ammoniak. Die Berechnung ist jedoch analog auch für andere Brennstoffe möglich. Die Betriebsparameter sind anhand der nachfolgend beschriebenen Formeln für vorgesehene Anwendungen gewählt. Die Berechnung ist zudem für ein vorteilhaftes stöchiometrisches Treibstoff-Luft-Gemisch sowie einen typischen Brennkammerinnendruck von 1000 kPa und entsprechenden Ammoniak- und Wassereinspritzdrücken von 2000 kPa durchgeführt.
Die elektrische Leistung, P_el, der Gasturbine-Generator-Anordnung berechnet sich gemäß nachfolgender Gleichung 1 aus dem Wirkungsgrad des Generators, η_Generator, dem mechanischen Wirkungsgrad der Anordnung, η_mechanisch, der Turbinenleistung, P_T, und der Verdichterleistung, P_V: $P_{e l} = η_{G e n e r a t o r} \cdot η_{m e c h a n i s c h} \cdot (P_{T} - P_{V})$
Die Turbinenleistung P_T und die Verdichterleistung P_V werden aus dem Massestrom des Rauchgases vermischt mit Wasser, ṁ_RG,W, dem Massestrom der Verbrennungsluft, ṁ_L, und der Enthalpiedifferenz, Δh, zwischen verschiedenen Zuständen errechnet. Die folgenden Zustände werden dabei, wie in 5 für entsprechend bezeichnete Enthalpien h₁, h_2,Z, h₂, h_2,W, h₃ gezeigt, unterschieden:

0: vor dem Verdichter 110,
1: nach dem Verdichter 110 und vor der Treibstoffzufuhr 122,
2,W: nach der Zündung und der Wasserzugabe 144 und vor der Turbine 150,
3: nach der Turbine 150.

Für die Berechnung werden außerdem folgende weitere Zustände angenommen:

2,Z: nach der Treibstoffzugabe 122 und vor der Zündung,
2: nach der Zündung und vor der Wasserzugabe 144.

Damit ergibt sich für die elektrische Leistung, P_el, folgende Gleichung 2: $P_{e l} = η_{G e n e r a t o r} \cdot η_{m e c a n i s h} \cdot ({\dot{m}}_{R G, W} \cdot (h_{2, W} - h_{3}) - {\dot{m}}_{L} \cdot (h_{1} - h_{0}))$
Der elektrische Wirkungsgrad, η_el, der Turbine ergibt sich aus dem Verhältnis von abgegebener elektrischer Leistung und zugeführter chemischer Leistung, gemäß Gleichung 3: $η_{e l} = \frac{P_{e l}}{{\dot{m}}_{B r} \cdot H_{B r}}$
Die chemische Leistung errechnet sich dabei aus dem Treibstoffmassenstrom, ṁ_Br, und dem Brennwert des Treibstoffs, H_Br. Um den Brennstoff möglichst effektiv zu verbrennen, wird das ideale stöchiometrische Treibstoff-Luft- Verhältnis gewählt, wie es ein Gasturbinensystem der hierin vorgestellten Art gestattet: $4 {NH}_{3} + 3 O_{2} \to 2 N_{2} + 6 H_{2} O$
Die Massenverhältnisse für den Brennstoff Ammoniak können aus den molaren Verhältnissen errechnet werden. Für den Brennstoff Ammoniak unter Normbedingungen (15°C, 75% Luftfeuchtigkeit) werden folgende Massenverhältnisse bestimmt (weitere, nicht genannte Luftbestandteile dabei sind vernachlässigt), gemäß Tabelle 1:

Luft Brenngas Rauchgas

NH3 0,00% 13,99% 0,00%

H2O 0,78% 0,67% 22,89%

N2 74,97% 64,48% 76,00%

02 22,96% 19,75% 0,00%

Ar 1,29% 1,11% 1,11%
Verdichter.
Die Verbrennungsluft hat unter den genannten Normbedingungen eine Enthalpie h₀ = 35,2 kJ/kg. Die Enthalpie der Verbrennungsluft nach der Verdichtung, h₁, lässt sich wie folgt berechnen, Gleichung 5: $h_{1} = h_{0} + \frac{1}{η_{i, v}} \cdot c_{p, L} \cdot T_{1} \cdot ({(\frac{P_{2}}{P_{1}})}^{\frac{k_{L} - 1}{k_{L}}} - 1) = 316,61 \frac{k J}{k g}$
Darin sind:

η_i,V: isentroper Wirkungsgrad des Verdichters, angenommen als 90%,
c_p,L: Wärmekapazität der Verbrennungsluft, angenommen als 1,05 kJ/(kg·K),
T₁: Temperatur vor der Verdichtung, angenommen als 288,15 K,
P₁: Druck vor der Verdichtung, angenommen als 100 kPa,
P₂: Druck nach der Verdichtung, angenommen als 1000 kPa,
k_L: Isentropenexponent der Luft.

Letzterer wird aus den Verhältnissen der Luftbestandteile berechnet, indem zunächst in molare Anteile umgerechnet wird, Gleichung 6, und anschließend die entsprechenden Einzelwerte angewendet werden, Gleichung 7: $k_{L} = \frac{(0,0067 \cdot \frac{1}{18} m o l \cdot k_{W a s s e r d a m p f} + 0,6448 \cdot \frac{1}{14} m o l \cdot k_{N_{2}} + 0,1975 \cdot \frac{1}{16} m o l \cdot k_{O_{2}} + 0,0111 \cdot \frac{1}{40} m o l \cdot k_{A r})}{0,0067 \cdot \frac{1}{18} m o l + 0,6448 \cdot \frac{1}{14} m o l + 0,1975 \cdot \frac{1}{16} m o l + 0,0111 \cdot \frac{1}{40} m o l}$
$k_{L} = \frac{(0,0067 \cdot \frac{1}{18} m o l \cdot 1,3 + 0,6448 \cdot \frac{1}{14} m o l \cdot 1,36 + 0,1975 \cdot \frac{1}{16} m o l \cdot 1,34 + 0,0111 \cdot \frac{1}{40} m o l \cdot 1,67)}{0,0067 \cdot \frac{1}{18} m o l + 0,6448 \cdot \frac{1}{14} m o l + 0,1975 \cdot \frac{1}{16} m o l + 0,0111 \cdot \frac{1}{40} m o l} = 1,3569$
Zündprozess.
Um den Zündprozess berechnen zu können, muss zunächst die Enthalpie des Brennstoffs, in diesem Fall Ammoniak, h_A, berechnet werden, der mit einer angenommenen Temperatur t_A von 180°C eingeblasen wird, Gleichung 8: $h_{A} = (T_{A} - T_{0}) c_{p, A} = 180 K \cdot 2,24 \frac{k J}{k g \cdot K} = 403,2 \frac{k J}{k g}$
Darin bedeuten:

c_P,A: Wärmekapazität von Ammoniak, angenommen als 2,24 kJ/(kg·K)
T₀: 273,15 K

Mit den Masseanteilen von Ammoniak und Verbrennungsluft im Treibstoff-Luft-Gemisch erhält man, gemäß Gleichung 9: $h_{Z} = h_{a} \cdot 0,1399 + h_{1} \cdot 0,8601 = 327,37 \frac{k J}{k g}$
Durch die Verbrennung wird die Enthalpie weiter erhöht, Gleichung 10: $h_{2} = h_{Z} + H_{B r} \cdot 0,1399 = 3447,14 \frac{k J}{k g}$
Darin bedeutet H_Br den Brennwert von Ammoniak, 22300 kJ/kg.
Es wird angenommen, dass durch die Zündung der Ammoniak vollständig verbrannt wird. Dadurch setzt sich der Massestrom des Rauchgases, m·_RG, wie folgt zusammen:

H₂O: 22,89%
N₂: 76,00%
Ar: 1,11%

Die Verbrennungstemperatur t₂ = T₂ - 273,15 K lässt sich berechnen durch: $h_{2} = h_{H_{2} O} + h_{N_{2}} + h_{A r} = c_{H_{2} O} \cdot t_{2} + c_{N_{2}} \cdot t_{2} + c_{A r} \cdot t_{2}$
Durch den Überdruck liegt die Siedetemperatur des Wassers bei 180°C. Die Enthalpie des Wasserdampfs am Siedepunkt beträgt 2778 kJ/kg. Dies muss entsprechend berücksichtigt werden.
Die Verbrennungstemperatur ist durch das stöchiometrische Treibstoff-Luft- Verhältnis übermäßig hoch (rechnerisch ca. 2400°C). Daher muss das Rauchgas umgehend gekühlt werden, um das Turbinen- sowie gegebenenfalls das Brennkammermaterial nicht zu beschädigen. Zur Kühlung wird Wasserdampf dem Rauchgasstrom beigemischt.
Wassereinspritzung.
Im vorliegenden Beispiel wird das Wasser mit einer Temperatur tw = 220°C (vgl. unten, zu 6) und einem Druck pw = 2000 kPa in das Rauchgas eingespritzt. Es muss so viel Wasser eingespritzt werden, dass die Temperatur des Wasser-Rauchgas-Gemischs die Arbeitstemperatur der Turbine nicht übersteigt und ein hoher Wirkungsgrad gewährleistet ist, t_RG,W < t_Tmax = 1200°C. Die Temperatur darf zudem nur so hoch gewählt werden, dass nach der Turbine mit der Energie des Abgases der Ammoniak verdampft und das Wasser noch auf die nötige Temperatur geheizt werden kann. Die Temperatur des Abgases sollte signifikant über der Temperatur des Einspritzwassers liegen. Computerberechnung für Variation der Wassermenge zum Bestimmen des maximalen Wirkungsgrads in Abhängigkeit von der Wassermenge für das vorliegende Beispiel hat für die Wassereinspritzung einen optimalen Masseanteil von w = 74,37% Einspritzwasser gegenüber Rauchgas ergeben. Dies ist nachfolgend anhand von 6 und 7 näher beschrieben. Daraus folgt die Enthalpie des Rauchgas-Wasser-Gemischs h_2,W, gemäß Gleichung 12: $h_{2, W} = h_{2} \cdot (1 - w) + h_{W} \cdot w,$
sowie mit, Gleichung 13: $h_{W} = 2799 \frac{k J}{k g} + (t_{W} - 212 ° C) \cdot 1,89 \frac{k J}{k g \cdot K} = 2814,12 \frac{k J}{k g}$
(Siedetemperatur bei Druck zur Eindüsung, hier angenommen als 2000 kPa: 212°C) als, Gleichung 14: $h_{2, W} = h_{2} + w \cdot (h_{W} - h_{2}) = 2977,77 \frac{k J}{k g}$
Nach der Wasserzugabe verringert sich die Temperatur entsprechend. Die Turbineneintrittstemperatur wird gesenkt, der Massestrom erhöht, Gleichungen 15 bis 17: $\begin{array}{l} h_{2, W} = (w + (1 - w) \cdot 0,2289) \cdot (2778 \frac{k J}{k g} + 1,89 \frac{k J}{k g} (t_{2, W} - 180 ° C)) + (1 - w) \cdot \\ (0,76 \cdot 1,009 \frac{k J}{k g \cdot K} \cdot t_{2, W} + 0,0111 \cdot 0,524 \frac{k J}{k g \cdot K} \cdot t_{2, W}), \end{array}$
$\begin{array}{l} h_{2, W} = 1879,79 \frac{k J}{k g} \cdot w + 558,01 \frac{k J}{k g} + 1,4574 \frac{k J}{k g \cdot K} \cdot w t_{2, W} + 0,4326 \frac{k J}{k g \cdot K} \cdot t_{2, W} + \\ 0,7727 \frac{k J}{k g \cdot K} \cdot (1 - w) \cdot t_{2, W}, \end{array}$
$t_{2, W} = \frac{h_{2, W} - (1879,79 \frac{k J}{k g} w + 558,01 \frac{k J}{k g})}{0,6847 \frac{k J}{k g \cdot K} w + 1,2053 \frac{k J}{k g \cdot K}} = 595,95 ° C,$
Die Turbineneintrittstemperatur von 595,95°C folgt dabei aus der für einen maximalen Wirkungsgrad ermittelten zuzuführenden Wassermenge. Diese Turbineneintrittstemperatur bei maximalem Wirkungsgrad gestattet vorteilhafte Ausgestaltungen der Turbine gegenüber herkömmlichen Turbinen, die typischerweise wesentlich höheren Temperaturen um 1200°C standhalten müssen. Zudem entspricht die Turbineneintrittstemperatur der aus dem Abgasstrom zurückgewinnbaren erforderlichen Wärme zum Vorheizen des Treibstoffs und zum Vorheizen derjenigen Wassermenge, die dem Gasstrom für den so berechneten maximalen Wirkungsgrad zuzuführen ist, auf die vorstehend genannte Einspritztemperatur des Wassers. Dies ergibt sich ferner aus dem Nachfolgenden.
Turbine.
Aufgrund der hohen Temperatur des Rauchgas-Wasser-Gemischs kann angenommen werden, dass sich der überkritische Wasserdampf näherungsweise wie ein ideales Gas verhält. Daher folgt für die Enthalpie nach der Turbine, h₃, Gleichung 18: $h_{3} = h_{2, W} - η_{T} \cdot c_{P, R G, W} \cdot T_{2, W} \cdot (1 - {(\frac{P_{1}}{P_{2}})}^{\frac{k_{R G, W^{- 1}}}{k_{R G, W}}})$
Darin sind:

ηT:: isentroper Wirkungsgrad der Turbine, angenommen als 90%,
cP,RG,W:: Wärmekapazität des Rauchgas-Luft-Gemischs, aus den Masseanteilen berechnet,
kRC,W:: Isentropenexponent des Rauchgas-Luft-Gemischs, aus den Masseanteilen berechnet, indem zunächst in molare Anteile umgerechnet wird.

Mit Gleichung 19: $\begin{array}{l} c_{P, R G, W} = (w + (1 - w) \cdot 0,2289) \cdot 1,89 \frac{k J}{k g \cdot K} + (1 - w) \cdot (0,76 \cdot 1,009 \frac{k J}{k g \cdot K} + 0,0111 \cdot \\ 0,524 \frac{k J}{k g \cdot K}) = 1,7616 \frac{k J}{k g \cdot K}, \end{array}$
und Gleichung 20: $\begin{array}{l} k_{R G, W} = \\ \frac{((w + (1 - w) \cdot 0,2289) \cdot \frac{1}{18} m o l \cdot k_{W a s s e r d a m p f} + (1 - w) \cdot (0,76 \cdot \frac{1}{14} m o l \cdot k_{N_{2}} + 0,0111 \cdot \frac{1}{40} m o l \cdot k_{A r}))}{(w + (1 - w) \cdot 0,2289) \cdot \frac{1}{18} m o l + (1 - w) \cdot (0,76 \cdot \frac{1}{14} m o l + 0,0111 \cdot \frac{1}{40} m o l)} = 1,3146 \end{array}$
folgt, Gleichung 21: $h_{3} = 2409,52 \frac{k J}{k G}$
Nach dem Passieren der Turbine ist die Enthalpie entsprechend verringert und die Temperatur gesenkt. Die Temperatur des Abgases kann analog zur Temperatur vor der Turbine ermittelt werden. Jedoch muss beachtet werden, dass auf Grund des verringerten Drucks die Verdampfungstemperatur jetzt bei 100°C liegt, Gleichungen 22 bis 24: $\begin{array}{l} h_{3} = (w + (1 - w) \cdot 0,2289) \cdot (2677 \frac{k J}{k g} + 1,89 \frac{k J}{k g \cdot K} (t_{3} - 100 ° C)) + (1 - w) \cdot (0,76 \cdot \\ 1,009 \frac{k J}{k g \cdot K} t_{3} + 0,0111 \cdot 0,524 \frac{k J}{k g \cdot K} \cdot t_{3}), \end{array}$
$\begin{array}{l} h_{3} = 1918,5 \frac{k J}{k g} \cdot w + 569,5 \frac{k J}{k g} + 1,4574 \frac{k J}{k g \cdot K} \cdot w \cdot t_{3} + 0,4326 \frac{k J}{k g \cdot K} \cdot t_{3} + 0,7727 \frac{k J}{k g \cdot K} \cdot \\ (1 - w) \cdot t_{3} \end{array}$
$t_{3} = \frac{h_{3} - (1918,5 \frac{k J}{k g} w + 596,5 \frac{k J}{k g})}{0,6847 \frac{k J}{k g \cdot K} w + 1,2053 \frac{k J}{k g \cdot K}} = 214,02 ° C$
Berechnung des Wirkungsgrads.
Der Wirkungsgrad kann wie in Gleichung 3 berechnet werden. Für die Berechnung müssen die Massenströme ṁ·_BR, ṁ_L und ṁ_RG,W in Abhängigkeit von ṁ_L gestellt werden: ${\dot{m}}_{BR} = 0,1626 \cdot {\dot{m}}_{L}$
${\dot{m}}_{RG,W} = ({\dot{m}}_{BR} + {\dot{m}}_{L}) \cdot (1 + w / (1 - w))$
Außerdem wird angenommen, für Gleichungen 25 und 26:

η_Generator = 0,98
η_mechanisch = 0,98

η_{e l} = \frac{η_{G e n e r a t o r} \cdot η_{m e c a n i s c h} \cdot ({\dot{m}}_{R G, W} \cdot (h_{2, W} - h_{3}) {\dot{m}}_{L} \cdot (h_{1} - h_{0}))}{{\dot{m}}_{B r} \cdot H_{B r}}

η_{e l} = η_{G e n e r a t o r} \cdot η_{m e c a n i s c h} \cdot \frac{(1,1626 \cdot (1 + \frac{w}{(1 - w)}) \cdot (h_{2, W} - h_{3}) - (h_{1} - h_{0}))}{0,1626 \cdot H_{B r}} = 60,86 %

Bezogen auf eine Verwendung in einem Kraftfahrzeug mit einem angenommenen Wirkungsgrad der elektrischen Komponenten am Fahrzeug η_F = 86% ergibt sich daraus ein Gesamtwirkungsgrad für den Antrieb von 52,34%.
Abgas.
Nachdem das Abgas die Turbine mit der Enthalpie h₃ verlassen hat, wird ihm durch einen Wärmetauscher weitere Energie entzogen. Diese wird benötigt, um das Einspritzwasser aufzuheizen, das Ammoniak zu verdampfen und auf Einspritztemperatur zu erhitzen. Danach ist die Enthalpie des Abgases auf h4 (in 5 nicht dargestellt) gesunken, Gleichungen 27 und 28: $\begin{array}{l} h_{4} = h_{3} - (w \cdot (2799 - 67) \frac{k J}{k g} + w \cdot 1,89 \frac{k J}{k g \cdot K}) \cdot (t_{W} - 212 ° C) + (1 - w) \cdot 0,1399 \cdot \\ (h_{A} + 1222 \frac{k J}{k g})) = 306,81 \frac{k J}{k g} \end{array}$
$t_{4} = \frac{h_{4}}{4,19 \cdot (w + (1 - w) \cdot 0,2289) + (1 - w) \cdot (0,76 \cdot 1,009 + 0,0111 \cdot 0,524)} = 86,18 ° C$
Die analoge Berechnung für eine Turbine, die auf LPG als Treibstoff ausgelegt ist, ergibt einen maximalen Wirkungsgrad der Turbine von 71,18%. Ein entsprechender Gesamtwirkungsgrad eines damit angetriebenen LKW ergibt sich damit als 61,21 %.
6 zeigt mit Bezug auf die voranstehende Berechnung die Abhängigkeit des maximal erzielbaren Wirkungsgrads, η, von der eingespritzten Wassermenge, w (angegeben als der Wasseranteil im Rauchgas), und der dabei erforderlichen Temperatur, T_W, des eingespritzten Wassers bei Verwendung eines stöchiometrischen Treibstoff-Luft-Gemischs und eines Einspritzdrucks des Wassers von 2000 kPa.
Erkennbar sind zwei getrennte vertikal schraffierte Flächen. Die senkrechten Linien stellen darin jeweils einen Wirkungsgradbereich bei gleichem Wasseranteil und variierender Wassertemperatur dar. Die Unterbrechung einiger der Wirkungsgradbereiche bei einem Wasseranteil zwischen ca. 45% und ca. 75%, sodass sich getrennte schraffierte Flächen ergeben, resultiert aus dem hier möglichen Phasenübergang des eingespritzten Wassers. Der maximal erzielbare Wirkungsgrad ist durch die obere Einhüllende der gesamten schraffierten Fläche dargestellt. Der Darstellung des Wirkungsgrads ist der Verlauf der jeweils einem maximalen Wirkungsgrad entsprechenden Wassertemperatur bei Einspritzung überlagert.
Ein minimal erforderlicher Wasseranteil von ca. 30% folgt einerseits aus der bei stöchiometrischem Gemisch erfolgenden Überhitzung der Turbine über die kritische Temperatur, die hier als 1200°C angenommen ist, und der Mindesttemperatur von Wasser von 0°C. Folgt man der Darstellung in Richtung ansteigenden Wasseranteils, ist zunächst sowohl ein ansteigender erzielbarer Wirkungsgrad als auch eine ansteigende dafür erforderliche Wassereinspritztemperatur erkennbar. Der Wirkungsgrad ist beeinflusst durch die zum Vorwärmen des Wassers auf die jeweilige Einspritztemperatur verwendete und damit rückgewonnene Abgaswärme. Eine zum Vorwärmen des Treibstoffs rückgewonnene und verwendete Abgaswärme ist dabei berücksichtigt. Ein zunehmender Wasseranteil im unteren Bereich gestattet zunächst eine ausreichende Kühlung auch bei höherer Wassereinspritztemperatur und damit bei einem höheren Anteil rückgewonnener Abgaswärme. Der erzielbare maximale Wirkungsgrad steigt daher zunächst gleichzeitig mit einer steigenden Wassereinspritztemperatur.
Der Siedepunkt des Einspritzwassers beträgt bei dem angenommenen Druck etwa 212°C. Eine Zunahme des Wirkungsgrads ist dementsprechend reduziert über einen Bereich des Wasseranteils von ca. 40% bis ca. 45%, in dem sich ein höchster Wirkungsgrad dadurch einstellt, dass die zur Begrenzung der Turbinentemperatur auf 1200°C nötige Wärmeabfuhr teilweise durch den Phasenwechsel des Einspritzwassers bewirkt ist. Daran anschließend stellt sich ein sprunghafter Anstieg des erreichbaren Wirkungsgrads ein, bei dem nun das Wasser vollständig verdampft, d.h. gasförmig, bei einer Temperatur oberhalb des Siedepunkts eingespritzt wird. Mit weiter zunehmendem Wasseranteil steigt schließlich auch die Einspritztemperatur für maximalen Wirkungsgrad weiter an.
Bei einem Wasseranteil von ca. 55% ergibt sich ein maximaler Wirkungsgrad am sogenannten kritischen Punkt. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass die zurückgewinnbare Abgaswärme genau zum Erzielen der idealen Wassereinspritztemperatur für eben diese Wassermenge ausreicht. Bei herkömmlichen Wassereinspritzprozessen an bekannten Gasturbinen, beispielsweise dem STIG-Prozess, wird daher ein Wasseranteil unterhalb des kritischen Punkts verwendet.
Einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass der maximal erzielbare Wirkungsgrad mit Abgaswärmerückgewinnung auch für einen Wasseranteil oberhalb des kritischen Punkts weiter zunimmt, wenn auch gemäß einer anderen Gesetzmäßigkeit. In 6 ist dies erkennbar durch einen flach ansteigenden Verlauf des maximal erzielbaren Wirkungsgrads für Wasseranteile jenseits des kritischen Wasseranteils von ca. 55% sowie ein gleichzeitiges Abfallen der dabei vorliegenden Temperatur des Einspritzwassers. Das Abfallen der Wassertemperatur ergibt sich daraus, dass die zurückgewinnbare Abgaswärme auf einen zunehmend großen Wasseranteil entfällt. Ein absolut maximaler Wirkungsgrad, der im Beispiel von 6 ca. 60% beträgt, ist erzielbar, wenn die Temperatur der mit der Abgaswärme vorheizbaren Einspritzwassermenge unmittelbar oberhalb der Verdampfungstemperatur liegt. In dem gezeigten Beispiel entspricht dies einem Wasseranteil von ca. 75%.
In vorteilhaften Beispielen der Gasturbinensysteme wie im Zusammenhang mit 1 bis 5 beschrieben ist die Steuerungseinheit 190 dazu ausgebildet, den Wasseranteil im Gasstrom auf Grundlage der voranstehenden Gesetzmäßigkeiten entsprechend einem maximal erzielbaren Wirkungsgrad, insbesondere oberhalb des kritischen Punkts, zu steuern.
7 zeigt zur weiteren Veranschaulichung jeweilige Bereiche der resultierenden Turbineneintrittstemperatur, T_T, für einen jeweiligen Wasseranteil im Rauchgas, w. Die vertikalen Linien entsprechen dabei jeweils einem möglichen Temperaturbereich des Gasstroms bei Turbineneintritt für einen gegebenen Wasseranteil bei veränderlicher Wassereinspritztemperatur. Die mögliche Turbineneintrittstemperatur ist dabei nach oben durch die kritische Temperatur von 1200°C begrenzt. Erkennbar ist zudem, dass ab dem kritischen Punkt bei einem Wasseranteil von ca. 55% die maximale Temperatur des Gasstroms wegen des erhöhten Wasseranteils im Verhältnis zur zurückgewinnbaren Abgaswärme unter die kritische Temperatur zu fallen beginnt. Das Ende dieses abfallenden Verlaufs, in dem gezeigten Beispiel bei einem Wasseranteil von ca. 75% und einer Turbineneintrittstemperatur von ca. 600°C, entspricht wiederum dem Betrieb mit höchstem Wirkungsgrad, wie im Zusammenhang mit 6 voranstehen erläutert.
Das anhand der 5 bis 7 beschriebene Beispiel betrifft einen Betrieb des vorgestellten Gasturbinensystems mit einem für maximalen Wirkungsgrad besonders vorteilhaften stöchiometrischen Treibstoff-Luft-Gemisch, einer mit Blick auf eine Schadstoffentwicklung vorteilhaften Verwendung von Ammoniak als Brennstoff, und mit für Turbinen typischen Druckverhältnissen. Es versteht sich jedoch, dass die voranstehend beschriebenen Vorteile in analoger Weise auch unter hiervon abweichenden Betriebsbedingungen wenigstens teilweise erzielbar sind. Dies gilt beispielsweise bei der Verwendung eines anderen Treibstoffs, eines abweichenden Brennkammerdrucks und/oder eines abweichenden Treibstoff-Luft-Gemischs, dessen Verwendung herkömmlich zu einer Überhitzung der Turbine führen würde. Auch ist in vielen dieser Fälle ein maximaler Wirkungsgrad mit einer Wassermenge im Rauchgas oberhalb des kritischen Punkts erzielbar.

Claims

Gasturbinensystem (100; 310), insbesondere zum Betreiben eines elektrischen Generators (320) in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug (300), umfassend eine Gasturbine (102) und eine Steuerungseinheit (190), wobei die Gasturbine (102) wenigstens ein Turbinenrad (152) und wenigstens eine Brennkammer (120), die zum Verbrennen eines Treibstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer vorgesehen ist und die mit dem Turbinenrad (152) fluidisch verbunden ist zum Leiten eines Gasstroms aus der Brennkammer (120) zu dem Turbinenrad (152), umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (102) wenigstens eine Wassereinspritzanordnung (142, 144) umfasst, die dazu ausgebildet ist, dem Gasstrom Wasser hinzuzufügen, wobei: die Steuerungseinheit (190) dazu ausgebildet ist, eine Wassermenge zu steuern, die dem Gasstrom mittels der Wassereinspritzanordnung (142, 144) hinzugefügt wird, ein Wassereinspritzbereich (Bw) der Wassereinspritzanordnung (142, 144) in Bezug auf die Brennkammer (120) derart angeordnet ist, dass der Gasstrom in dem Wassereinspritzbereich (Bw) wenigstens überwiegend keine brennenden Anteile des Treibstoff-Luft-Gemischs mehr enthält; die Gasturbine (102) dazu ausgebildet ist, in einer ersten vorgesehenen Betriebsart mit einem ersten Treibstoff-Luft-Gemisch betrieben zu werden, bei dem der dadurch erzeugte Gasstrom eine Temperatur aufweist, die geeignet ist, im Bereich des Turbinenrads (152) eine Temperatur zu verursachen, die größer ist als eine kritische Temperatur des Turbinenrads (152), und die Steuerungseinheit (190) dazu ausgebildet ist, die Wassermenge derart zu steuern, dass eine Temperatur des dadurch erzeugten Wasser-Gasgemischs im Bereich des Turbinenrads (152) kleiner ist als die kritische Temperatur des Turbinenrads (152) und größer als eine Schwellenwerttemperatur.
Gasturbinensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Treibstoff-Luft-Gemisch wenigstens annähernd stöchiometrisch ist.
Gasturbinensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellenwerttemperatur wenigstens teilweise bestimmt ist durch eine Temperatur, die zum Vorwärmen des Treibstoffs für die Gasturbine (102) erforderlich ist.
Gasturbinensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellenwerttemperatur wenigstens teilweise bestimmt ist durch eine Temperatur, die zum Vorwärmen von Wasser mittels der Wassereinspritzanordnung (142, 144) und/oder zum Betreiben einer Abgasreinigungsvorrichtung des Gasturbinensystems erforderlich ist.
Gasturbinensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen Sensor (160), der dazu ausgebildet ist, wenigstens eine Messgröße zu erfassen, die auf eine Temperatur im Bereich des Turbinenrads (152) hinweist, wobei die Steuerungseinheit (190) dazu ausgebildet ist, die Wassermenge wenigstens teilweise auf der Grundlage der erfassten Messgröße zu steuern.
Gasturbinensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor (160) einen Temperatursensor umfasst, der im oder stromabwärts vom Bereich des Turbinenrads (152) angeordnet ist, und die Steuerungseinheit (190) dazu ausgebildet ist, die Wassermenge wenigstens teilweise auf der Grundlage einer mittels des Temperatursensors erfassten Temperatur zu steuern.
Gasturbinensystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor (160) einen Stickoxidsensor umfasst, und die Steuerungseinheit (190) dazu ausgebildet ist, die Wassermenge wenigstens teilweise auf der Grundlage eines Signals des Stickoxidsensors zu steuern.
Gasturbinensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (190) dazu ausgebildet ist, die Wassermenge ferner wenigstens teilweise auf der Grundlage eines Treibstoffdurchsatzes der Gasturbine (102), eines Luftdurchsatzes der Gasturbine (102), eines Mischungsverhältnisses eines Treibstoff-Luft-Gemischs, mit dem die Gasturbine (102) betrieben wird, einer Zusammensetzung des Rauchgases und/oder eines Drucks innerhalb der Brennkammer (120) zu steuern.
Gasturbinensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (190) dazu ausgebildet ist, die Wassermenge außerdem derart zu steuern, dass ein Wirkungsgrad der Gasturbine in Abhängigkeit von der Wassermenge maximal ist.
Gasturbinensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad der Gasturbine maximal ist in Bezug auf wenigstens einen Prozessparameter eines Betriebsvorgangs in der Brennkammer.
Gasturbinensystem nach Anspruch 10 in Verbindung mit Anspruch 3 und 4, wobei der wenigstens eine Prozessparameter eine Einspritztemperatur des dem Gasstrom mittels der Wassereinspritzanordnung (142, 144) hinzugefügten Wassers bei Eintritt in die Brennkammer (120) umfasst, und die Schwellenwerttemperatur zumindest annähernd einer Temperatur entspricht, die zum Vorwärmen des Treibstoffs und zum Vorwärmen der Wassermenge auf die Einspritztemperatur erforderlich ist.
Kraftfahrzeug (300), umfassend ein Gasturbinensystem (310) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch wenigstens einen elektrischen Antrieb (342a, 342b) und einen elektrischen Generator (320), der zur Stromerzeugung für den wenigstens einen elektrischen Antrieb (342a, 342b) vorgesehen ist, wobei das Gasturbinensystem (310) zum Betreiben des elektrischen Generators (320) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch wenigstens eine elektrische Energiespeichervorrichtung (330), die dazu ausgebildet ist, elektrische Energie, die mittels des elektrischen Generators (320) erzeugt ist, zu speichern und gespeicherte elektrische Energie an den wenigstens einen elektrischen Antrieb (342a, 342b) bereitzustellen.
Verfahren (400) zum Betreiben eines Gasturbinensystems (100; 310), das eine Gasturbine und eine Steuerungseinheit umfasst, wobei die Gasturbine wenigstens ein Turbinenrad, wenigstens eine Brennkammer, die zum Verbrennen eines Treibstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer vorgesehen ist und die mit dem Turbinenrad fluidisch verbunden ist zum Leiten eines Gasstroms aus der Brennkammer zu dem Turbinenrad, und wenigstens eine Wassereinspritzanordnung, die dazu ausgebildet ist, dem Gasstrom Wasser hinzuzufügen, umfasst, wobei: ein Wassereinspritzbereich der Wassereinspritzanordnung in Bezug auf die Brennkammer derart angeordnet ist, dass der Gasstrom in dem Wassereinspritzbereich wenigstens überwiegend keine brennenden Anteile des Treibstoff-Luft-Gemischs mehr enthält, und die Gasturbine dazu ausgebildet ist, in einer ersten vorgesehenen Betriebsart mit einem ersten Treibstoff-Luft-Gemisch betrieben zu werden, bei dem der dadurch erzeugte Gasstrom eine Temperatur aufweist, die geeignet ist, im Bereich des Turbinenrads eine Temperatur zu verursachen, die größer ist als eine kritische Temperatur des Turbinenrads, wobei das Verfahren umfasst: Empfangen (410), mittels der Steuerungseinheit, wenigstens eines Eingangssignals, das auf eine Temperatur im Bereich des Turbinenrads hinweist; Erzeugen (420), mittels der Steuerungseinheit, eines Steuersignals zum Steuern einer Wassermenge, die dem Gasstrom mittels der Wassereinspritzanordnung hinzugefügt wird, derart, dass eine Temperatur des dadurch erzeugten Wasser-Gasgemischs im Bereich des Turbinenrads kleiner ist als die kritische Temperatur des Turbinenrads und größer als eine Schwellenwerttemperatur, und Ausgeben (430), mittels der Steuerungseinheit, des Steuersignals an die Wassereinspritzanordnung.
Computerprogrammprodukt umfassend Teile von Programmcode, die, wenn sie auf einer Prozessoreinrichtung einer Steuerungseinheit eines Gasturbinensystems ausgeführt werden, die Steuerungseinheit zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 15 veranlassen.