DE19544927A1 - Gas turbine for driving generator or machinery - Google Patents

Gas turbine for driving generator or machinery

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Abstract

The gas turbine (1) has an air compressor (4) in front of the combustion chamber (2), with a diffusor (6) at its mouth. A cooling medium (K) is injected into diffusor via an injector (8). The injector is positioned within the diffusor to ensure the maximum velocity of the compressed air (L) during the operation of the gas turbine. A cool air channel (12) leads the cooled compressed air from the diffusor to the turbine.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit einem einer Brennkammer vorgeschalteten Luftverdichter.The invention relates to a gas turbine with a air compressor upstream of a combustion chamber.

Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Gene­ ratoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotati­ onsbewegung einer Turbinenwelle benutzt. Der Brennstoff wird dazu in der Brennkammer verbrannt, wobei vom Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird.Gas turbines are used to drive genes in many areas rators or used by machines. The Energy content of a fuel to produce a rotati used movement of a turbine shaft. The fuel will burned in the combustion chamber, from the air compressor compressed air is supplied.

Um für eine derartige Gasturbine eine Erhöhung ihres Wir­ kungsgrades ohne eine Erhöhung der Brenntemperatur zu erzie­ len, ist es aus der Druckschrift DE-A-29 33 982 bekannt, Kühlwasser in die Gasturbine zu injizieren. Als mögliche Orte für eine derartige Injektion von Kühlwasser in die Gasturbine sind dabei der Verdichter, die Brennkammer oder ein Kanal zwischen Brennkammer und den Turbinenschaufeln in Betracht gezogen. Durch die Injektion soll eine Temperaturabsenkung des Luftstroms erreicht werden, was sich positiv auf die Le­ bensdauer der Gasturbine auswirkt. Des weiteren erhöht sich durch die Injektion von Wasser der Massenstrom durch die Gas­ turbine, was sowohl den Wirkungsgrad der Gasturbine als auch deren Leistungsabgabe steigert.In order to increase their us for such a gas turbine efficiency without raising the firing temperature len, it is known from the document DE-A-29 33 982, Inject cooling water into the gas turbine. As possible places for such an injection of cooling water into the gas turbine are the compressor, the combustion chamber or a channel between the combustion chamber and the turbine blades drawn. The injection is said to lower the temperature of the air flow can be achieved, which has a positive effect on the Le service life of the gas turbine. Furthermore, increases by injecting water the mass flow through the gas turbine, which is both the efficiency of the gas turbine as well their output increases.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine an­ zugeben, bei der ein hoher Wirkungsgrad mit besonders einfa­ chen Mitteln erreicht ist. Diese Gasturbine soll derart aus­ gebildet sein, daß auch eine bereits vorhandene Gasturbine auf einfache Weise nachgerüstet werden kann. Zudem soll ein geeignetes Verfahren zum Betrieb einer derartigen Gasturbine angegeben werden. The invention has for its object a gas turbine admit where a high efficiency with particularly simple Chen means is reached. This gas turbine is supposed to look like this be formed that an existing gas turbine can be easily retrofitted. In addition, a suitable method for operating such a gas turbine can be specified.  

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem bei einer Gasturbine mit einem einer Brennkammer vorgeschalteten und in einen Diffusor mündenden Luftverdichter ein Kühlmittelinjek­ tor an den Diffusor angeschlossen ist.This object is achieved by a Gas turbine with a combustion chamber upstream and in a coolant injector opening an air compressor gate is connected to the diffuser.

Der Kühlmittelinjektor ist dabei zweckmäßigerweise an der stelle des Diffusors angeschlossene an der beim Betrieb der Gasturbine verdichtete Luft eine maximale Geschwindigkeit aufweist. Dabei bewirkt der hohe Geschwindigkeitsunterschied zwischen der verdichteten Luft und dem injizierten Kühlmittel eine besonders feine Verteilung des injizierten Kühlmittels im verdichteten Luftstrom. Dies hat zur Folge, daß eine so­ fortige und besonders effektive Verdampfung des injizierten Kühlmittels eintritt. Somit wird bei einer derartigen Gastur­ bine der verdichtete Luftstrom besonders wirksam gekühlt. Da­ durch ist bereits bei einer geringen Menge injizierten Kühl­ mittels eine ausreichende Kühlung aller Turbinenteile gewähr­ leistet, so daß ein besonders hoher Gasturbinen-Wirkungsgrad resultiert. Da der Diffusor zu den stationären Teilen der Gasturbine zählt, ist eine Anbringung des Kühlmittelinjektors am Diffusor auch mit besonders einfachen Mitteln möglich. So­ mit können auch bereits bestehende Gasturbinen auf einfache Weise mit dem Kühlmittelinjektor nachgerüstet werden.The coolant injector is expediently on the place of the diffuser connected to the when operating the Gas turbine compressed air a maximum speed having. The high speed difference causes between the compressed air and the injected coolant a particularly fine distribution of the injected coolant in the compressed air flow. This has the consequence that a so continuous and particularly effective evaporation of the injected Coolant enters. Thus, with such a hospitality bine the compressed air flow is particularly effectively cooled. There is already injected with a small amount of cooling ensure sufficient cooling of all turbine parts performs, so that a particularly high gas turbine efficiency results. Since the diffuser to the stationary parts of the Gas turbine counts, is an attachment of the coolant injector on the diffuser also possible with particularly simple means. Like this with can already existing gas turbines on simple Be retrofitted with the coolant injector.

Um nach der Kühlmittelinjektion gekühlte verdichtete Luft be­ sonders effektiv für die Gasturbine nutzen zu können, ist zweckmäßigerweise an den Diffusor ein Kühlluftkanal zum Zu­ führen gekühlter verdichteter Luft zur Turbine angeschlossen.To be cooled compressed air after the coolant injection being particularly effective for the gas turbine expediently to the diffuser a cooling air duct to lead cooled compressed air connected to the turbine.

Um Wirkungsgradverluste durch Luftverwirbelungen zu reduzie­ ren und somit einen besonders hohen Gesamtwirkungsgrad zu ge­ währleisten, ist zweckmäßigerweise innerhalb des Diffusors eine Anzahl von Führungsschaufeln zur Glättung des Strömungs­ profils verdichteter Luft angeordnet. Um injiziertes Kühlmit­ tel besonders fein in der verdichteten Luft zu verteilen, ist in vorteilhafter Weiterbildung der Kühlmittelinjektor als Führungsschaufel ausgebildet. To reduce efficiency losses due to air turbulence ren and thus a particularly high overall efficiency ensure is expediently within the diffuser a number of guide vanes to smooth the flow of compressed air. To injected coolant is particularly finely distributed in the compressed air in an advantageous development of the coolant injector Guide blade formed.  

Bezüglich des Verfahrens zum Betreiben einer Gasturbine mit einer Brennkammer und mit einem in einen Diffusor mündenden Luftverdichter wird die obengenannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem ein Kühlmittel in den Diffusor injiziert wird. Das Kühlmittel wird dabei vorteilhafterweise an einer Stelle in den Diffusor injiziert, an der beim Betrieb der Gasturbine verdichtete Luft eine maximale Geschwindigkeit aufweist.Regarding the method for operating a gas turbine with a combustion chamber and with one opening into a diffuser Air compressor is the above object according to the invention solved by injecting a coolant into the diffuser. The coolant is advantageously at one point injected into the diffuser at the time the gas turbine is operating compressed air has a maximum speed.

Um den durch die Injektion des Kühlmittels erhöhten Massen­ strom in der Gasturbine in eine Steigerung des Wirkungsgrades und in eine Steigerung der Leistungsabgabe der Gasturbine um­ setzen zu können, wird zweckmäßigerweise das in die verdich­ tete Luft injizierte Kühlmittel mit dieser der Brennkammer zugeführt.To the masses increased by the injection of the coolant electricity in the gas turbine in an increase in efficiency and in an increase in the power output of the gas turbine To be able to put that is conveniently in the condense Air injected with this coolant from the combustion chamber fed.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß durch die Injektion eines Kühlmittels in den Diffusor die im Luftverdichter verdichtete Luft eine im Ver­ gleich zum injizierten Kühlmittel besonders hohe Geschwindig­ keit aufweist. Dadurch ist eine besonders feine Zerstäubung des injizierten Kühlmittels erreicht. Diese fördert eine be­ sonders schnelle Verdampfung des injizierten Kühlmittels, was in einer besonders wirksamen Reduktion der Temperatur der verdichteten Luft resultiert. Darüber hinaus erhöht sich auf diese Weise der den Diffusor verlassende Massenstrom, was den Wirkungsgrad und die Leistungsabgabe der Gasturbine steigert.The advantages achieved with the invention are in particular the fact that by injecting a coolant into the Diffuser the air compressed in the air compressor in the ver very high speed, even with the injected coolant ability. This is a particularly fine atomization of the injected coolant reached. This promotes a be particularly rapid evaporation of the injected coolant what in a particularly effective reduction in the temperature of the compressed air results. It also increases on this way the mass flow leaving the diffuser, which Efficiency and the power output of the gas turbine increases.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:An embodiment of the invention is based on a Drawing explained in more detail. In it show:

Fig. 1 eine Gasturbine im Ausschnitt, und Fig. 1 shows a gas turbine in section, and

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform einer Gasturbine im Ausschnitt. Fig. 2 shows an alternative embodiment of a gas turbine in section.

Gleiche Bauteile sind in den beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.The same components are the same in the two figures Provide reference numerals.

Die Gasturbine 1 gemäß Fig. 1 umfaßt einen einer Brennkammer 2 vorgeschalteten Luftverdichter 4, der luftausgangsseitig in einen Diffusor 6 mündet. An den Diffusor 6 ist ein Kühlmit­ telinjektor 8 angeschlossen. Zur Glättung des Strömungspro­ fils von den Luftverdichter 4 verlassender, durch den Pfeil angedeutet er verdichteter Luft L ist innerhalb des Diffusors 6 eine Anzahl von Führungsschaufeln 10 angeordnet, von denen in der Figur eine gezeigt ist. An den Diffusor 6 ist ein in einen Turbineninnenraum 11 mündender Kühlluftkanal 12 ange­ schlossen.The gas turbine 1 of Fig. 1 comprises a combustion chamber 2 of the upstream air compressor 4, which flows air on the output side in a diffuser. 6 At the diffuser 6 , a Kühlmit telinjektor 8 is connected. To smooth the flow profile leaving the air compressor 4 , indicated by the arrow, it compresses air L, a number of guide blades 10 is arranged within the diffuser 6, one of which is shown in the figure. At the diffuser 6 is in a turbine interior 11 opening cooling air duct 12 is closed.

Bei der alternativen Ausführungsform einer Gasturbine 1′ ge­ mäß Fig. 2 ist ein Kühlmittelinjektor 18 als Führungsschau­ fel ausgebildet. Zusätzlich dazu können innerhalb des Diffu­ sors 6 weitere als Kühlmittelinjektor ausgebildete Führungs­ schaufeln oder auch gewöhnliche Führungsschaufeln vorgesehen sein.In the alternative embodiment of a gas turbine 1 'ge according to FIG. 2, a coolant injector 18 is formed as a guide blade. In addition to this, 6 other guide vanes designed as a coolant injector or also conventional guide vanes can be provided within the diffuser.

Beim Betrieb der Gasturbine 1, 1′ strömt den Luftverdichter 4 verlassende verdichtete Luft L in den Diffusor 6. Zur Kühlung der verdichteten Luft L wird, wie durch den Pfeil angedeutet, ein Kühlmittel K in den Diffusor 6 injiziert. Das Kühlmittel K ist im Ausführungsbeispiel Wasser, kann aber auch andere Substanzen umfassen.During operation of the gas turbine 1 , 1 ', the compressed air L leaving the air compressor 4 flows into the diffuser 6 . To cool the compressed air L, a coolant K is injected into the diffuser 6 , as indicated by the arrow. In the exemplary embodiment, the coolant K is water, but can also comprise other substances.

Der Kühlmittelinjektor 8 bzw. 18 ist dabei derart angeordnet, daß das Kühlmittel K in den Diffusor 6 an der Stelle inji­ ziert wird, an der die verdichtete Luft L ihre maximale Ge­ schwindigkeit aufweist. Dadurch wird eine besonders effektive Kühlung der verdichteten Luft L erreicht. Die somit gekühlte verdichtete Luft L durchströmt den Diffusor 6, wobei ihr Strömungsprofil durch die Führungsschaufeln 10 bzw. den als Führungsschaufel ausgebildeten Kühlmittelinjektor 18 ge­ glättet wird. The coolant injector 8 or 18 is arranged such that the coolant K is injected into the diffuser 6 at the point at which the compressed air L has its maximum speed. A particularly effective cooling of the compressed air L is thereby achieved. The compressed air L thus cooled flows through the diffuser 6 , its flow profile being smoothed by the guide blades 10 or the coolant injector 18 designed as a guide blade.

Ein Teilstrom der gekühlten verdichteten Luft L gelangt durch den Kühlluftkanal 12 in den Innenraum 11 der Turbine, wo er zur Kühlung von nicht näher dargestellten Strukturteilen der Gasturbine 1, 1′ herangezogen wird. Die Strukturteile sind dabei beispielsweise Turbinenschaufeln der Gasturbine 1, 1′.A partial flow of the cooled compressed air L passes through the cooling air duct 12 into the interior 11 of the turbine, where it is used for cooling structural parts of the gas turbine 1 , 1 ', not shown. The structural parts are, for example, turbine blades of the gas turbine 1 , 1 '.

Somit ist die durch die Injektion des Kühlmittels K gekühlte erdichtete Luft L sowohl als Verbrennungsluft für die Gas­ turbine 1, 1′ als auch als Kühlluft für Strukturteile der Gasturbine 1, 1′ verwendbar. Eine derartige Einrichtung zur Kühlung verdichteter Luft L ist somit besonders flexibel ein­ setzbar.Thus, the cooled by the injection of the coolant K sealed air L can be used both as combustion air for the gas turbine 1 , 1 'and as cooling air for structural parts of the gas turbine 1 , 1 '. Such a device for cooling compressed air L is therefore particularly flexible.

Claims (8)

1. Gasturbine mit einem einer Brennkammer (2) vorgeschalteten und in einen Diffusor 6) mündenden Luftverdichter (4), wobei an den Diffusor (6) ein Kühlmittelinjektor (8, 18) ange­ schlossen ist.1. Gas turbine with a combustion chamber ( 2 ) upstream and into a diffuser 6) opening air compressor ( 4 ), with a coolant injector ( 8 , 18 ) being connected to the diffuser ( 6 ). 2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühl­ mittelinjektor (8, 18) an eine Stelle des Diffusors (6) ange­ schlossen ist, an der beim Betrieb der Gasturbine (1, 1′) verdichtete Luft (L) eine maximale Geschwindigkeit aufweist.2. Gas turbine according to claim 1, characterized in that the coolant injector ( 8 , 18 ) at one point of the diffuser ( 6 ) is connected to the compressed air (L) at the operation of the gas turbine ( 1 , 1 ') a maximum Exhibits speed. 3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Diffusor (6) ein Kühlluftkanal (12) zum Zuführen gekühlter verdichteter Luft (L) zur Turbine angeschlossen ist.3. Gas turbine according to claim 1 or 2, characterized in that a cooling air duct ( 12 ) for supplying cooled compressed air (L) to the turbine is connected to the diffuser ( 6 ). 4. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Diffusors (6) eine Anzahl von Führungsschaufeln (10) zur Glättung des Strömungsprofils verdichteter Luft (L) angeord­ net ist.4. Gas turbine according to one of claims 1 to 3, characterized in that within the diffuser ( 6 ) a number of guide blades ( 10 ) for smoothing the airfoil compressed air (L) is angeord net. 5. Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühl­ mittelinjektor (18) als Führungsschaufel ausgebildet ist.5. Gas turbine according to claim 4, characterized in that the coolant injector ( 18 ) is designed as a guide blade. 6. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine (1, 1′) mit einer Brennkammer (2) und mit einem in einen Diffusor (6) mündenden Luftverdichter (4), bei dem ein Kühlmittel (K) in den Diffu­ sor (6) injiziert wird.6. Method for operating a gas turbine ( 1 , 1 ') with a combustion chamber ( 2 ) and with a in a diffuser ( 6 ) opening air compressor ( 4 ), in which a coolant (K) in the diffuser ( 6 ) is injected . 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühl­ mittel (K) an einer Stelle in den Diffusor (6) injiziert wird, an der beim Betrieb der Gasturbine (1, 1′) verdichtete Luft (L) eine maximale Geschwindigkeit aufweist.7. The method according to claim 6, characterized in that the cooling medium (K) at one point in the diffuser ( 6 ) is injected, at which the gas turbine ( 1 , 1 ') compressed air (L) has a maximum speed . 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das in die verdichtete Luft (L) injizierte Kühlmittel (K) mit dieser der Brennkammer (2) zugeführt wird.8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the injected into the compressed air (L) coolant (K) is supplied with the combustion chamber ( 2 ).
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