DE4442936A1 - Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbi­ nenanlage mit einem vorgeschalteten Verdichter mit Wasserein­ spritzung, mit wenigstens einer am Umfang angeordneten Brennkam­ mer und mit einem einen Gasturbinenrotor aufnehmenden, mit Sta­ torschaufeln versehenen Gasturbinengehäuse.

Es ist bekannt, daß die meisten Gasturbinenanlagen jeweils einen Verdichter aufweisen, der die gleiche Rotorwelle wie die Gastur­ bine besitzt und dazu dient, die Menge an Luft bereitzustellen, die für die Erzeugung von Treibgas bei der Verbrennung des Brenngases in der Brennkammer erforderlich ist. Darüberhinaus wird häufig ein Teil der vom Verdichter bereitgestellten Ver­ dichterluft dazu benutzt, im Eintrittsbereich der Gasturbine die dort befindlichen Schaufeln des Stators und des Rotors zu küh­ len. Dies wird hinsichtlich der Statorschaufeln dadurch er­ reicht, daß nicht der gesamte, vom Verdichter bereitgestellte Luftstrom in die Brennkammer geführt wird, sondern daß ein Teil hiervon axial entlang der Rotorwelle an der Brennkammer vorbei­ geführt wird und demzufolge nicht an der Verbrennung teilnimmt, so daß die Temperatur dieses Luftanteils deutlich geringer ist als die des Brenngases.

Darüberhinaus ist es auch bekannt, in den Verdichter Wasser ein­ zuspritzen, um hierdurch einerseits den Massenstrom zu erhöhen und andererseits die Bildung von Stickoxid (NOx) möglichst ein­ zuschränken oder gar zu verhindern.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß aufgrund höherer Leistungs­ anforderungen an die Gasturbinen und, damit einhergehend, durch die Anhebung der Verbrennungstemperaturen und damit der Treibgastemperaturen die Turbinenschaufeln zumindest im Ein­ trittsbereich einer erhöhten thermischen Belastung ausgesetzt sind, was deren Kühlung erforderlich macht, um thermische Schä­ den zu verhindern. Die Kühlung erfolgt im allgemeinen mit dem Teil der Verdichterluft, der nicht der Brennkammer zugeleitet wurde, sondern entlang der Rotorachse axial in die Turbine ein­ strömt.

Bei Verwendung von einseitig angeordneten Brennkammern, soge­ nannten Silo-Brennkammern, bei welchen der Treibgasstrom radial einseitig in die Turbine einströmt, ist zu beobachten, daß, be­ zogen auf den Querschnitt der Turbine, der der Brennkammer ge­ genüberliegende Bereich der Beschaufelung eine stärkere thermi­ sche Belastung erfährt und damit höhere Temperaturen aufweist als der Bereich der Beschaufelung, der der Brennkammer unmittel­ bar benachbart ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfin­ dung ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die thermische Belastung der Beschaufelung in der Turbine möglichst gleichmäßig erfolgt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach ist vorgesehen, daß gezielt Wasser zur Kühlung der Verdichterluft in dem Bereich des Umfangs des Ver­ dichters eingespritzt wird, der hinsichtlich seiner Lage dem Be­ reich der Schaufelanordnung in der Gasturbine mit der höchsten thermischen Belastung entspricht. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, daß die Verdichterluft quasi linear den Verdichter durchströmt und ohne Änderung der Umfangslage der nachgeschalte­ ten Gasturbine zuströmt. Demgemäß wird mit Hilfe der Erfindung erreicht, daß die der Gasturbine zuströmende, zur Kühlung vorge­ sehene und zu diesem Zweck gezielt mit Einspritzwasser beauf­ schlagte Verdichterluft in dem Querschnittsbereich der Ein­ trittsstufe der Gasturbine, der thermisch besonders hoch bela­ stet ist, eine geringere Temperatur aufweist als die übrige Ver­ dichterluft. Hierdurch wird erreicht, daß die ohne Benutzung der Erfindung höheren örtlichen Temperaturen der Beschaufelung etwa auf das Niveau der übrigen Schaufeln abgesenkt werden, so daß ein nahezu gleichförmiges Temperaturprofil dem Querschnitt der Gasturbine eingestellt wird.

Wenn also in einem konkreten Fall eine Gasturbinenanlage eine Silo-Brennkammer aufweist, die üblicherweise senkrecht nach oben stehend angeordnet ist, dann hat dies normalerweise zur Folge, daß sowohl der obere, der Brennkammer unmittelbar benachbarte Bereich als auch der dem Brenngaszutritt gegenüberliegende Be­ reich sowie ein von der Drehrichtung und der Drehzahl des Rotors abhängige seitlicher Umfangsbereich der Gasturbine thermisch be­ sonders hoch belastet ist. Wenn also die zur Kühlung der Ver­ dichterluft eingespritzte Wassermenge ebenfalls in dem entspre­ chenden Querschnittsbereich des Verdichters zugeführt wird, so wird erreicht, daß die in diesem Querschnittsbereich strömende Verdichterluft kühler ist als die übrige zur Kühlung dienende Verdichterluft, mit welcher sie sich nicht vermischt, so daß der Gasturbine unterschiedlich temperierte Kühlluft zuströmt dem Kühlluft- beziehungsweise Kühltemperaturbedarf der Beschaufelung entsprechend. Hierdurch ist es möglich, die thermische Beanspru­ chung der Schaufeln der Eingangsstufe zu vergleichmäßigen, was wiederum die Möglichkeit einer höheren zulässigen Brenngastempe­ ratur bietet. Damit aber ist generell eine höhere Betriebstempe­ ratur für die so ausgestatte Gasturbine zulässig, wodurch eine höhere Leistungsausbeute möglich ist und der Wirkungsgrad ver­ bessert ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die zugeführte Wassermenge so festgelegt, daß das Wasser im Kühlluftstrom vollkommen aufgenommen und ohne Tropfen­ bildung mitgeführt wird und dem zugeordneten Kühlbereich der Be­ schaufelung der Gasturbine zuströmt.

Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserun­ gen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesse­ rungen sowie besondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Gasturbinenanlage in sche­ matischer Darstellung,

Fig. 2 einen Querschnitt entsprechend Schnittlinie I-I,

Fig. 3 das Temperaturprofil im Bereich des Gasturbineneintritts.

In der schematischen Darstellung gemäß Fig. 1 ist eine Gasturbi­ nenanlage 10 mit einem Verdichter 12, einer Silo-Brennkammer 14 und einer hieran anschließenden Gasturbine 16 gezeigt. Nahe sei­ nem Austritt besitzt der Verdichter 12 in seinem unteren Um­ fangsbereich Einspritzdüsen 18, durch welche Wasser der verdich­ teten Luft zugeführt wird. Zum besseren Verständnis ist der Luftstrom 20 mit gestrichelten Linien dargestellt, wobei er­ sichtlich ist, daß ein größerer Teil nach Verlassen des Verdich­ ters 12 der Brennkammer 14 zuströmt, während ein kleinerer Teil 22 des Luftstroms quasi linear entlang der Rotorachse von Verdichter 12 und der Gasturbine 16 dieser zuströmt.

Entsprechend der Erfindung ist vorgesehen, daß der kleinere Teil 22 der Luftströmung 20 im unteren Umfangsbereich der Gasturbi­ nenanlage 10, das heißt auf der der Brennkammer 14 gegenüberlie­ genden Umfangsseite, der Gasturbine 16 zuströmt. Hiermit wird der Zweck verfolgt, den thermisch höher belasteten Teil der hier nicht näher dargestellten Beschaufelung im Eintrittsbereich 17 der Gasturbine 16 stärker zu kühlen, um so einen gewissen Temperaturausgleich zwischen den einzelnen Schaufeln der Ein­ trittsstufe der Gasturbine 16 zu erzielen.

Dies wird dadurch erreicht, wie in Fig. 2 gezeigt, daß im unte­ ren Umfangsbereich des Verdichters 12 nahe dessen Austritt Ein­ spritzdüsen 18 für Wasser angeordnet sind, welche dazu dienen, die Temperatur der verdichteten und dadurch erwärmten Verdich­ terluft abzusenken, um so eine bessere Kühlung der Eintritts­ stufe 17 der Gasturbine 16 zu erreichen.

In Fig. 3 ist in schematischer Darstellung das Temperaturprofil der Eintrittsstufe 17 der Gasturbine 16 gezeigt. Dabei zeigt die gestrichelte Linie den Temperaturverlauf im Querschnittsbereich der Eintrittsstufe 17 der Gasturbine bei konventioneller Be­ triebsweise. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene besondere Kühlung der Verdichterluft 20 mittels über die Düsen 18 einge­ spritzten Kühlwassers und der hierdurch stärker abgekühlten Kühlluft 22 kann der Temperaturunterschied T gegenüber einer gleichmäßigen Temperaturverteilung über den Querschnitt der Ein­ trittsstufe 17 der Gasturbine 16 auf einfache Weise ausgeglichen werden, so daß annähernd der Temperaturverlauf entsprechend der durchgezogenen Kreislinie erreicht wird. Mit anderen Worten durch Einsatz der Erfindung ist gewährleistet, daß auch im Ein­ trittsbereich 17 der Gasturbine 16 eine nahezu gleichförmige Temperaturverteilung zu verzeichnen ist, obwohl aufgrund der Be­ aufschlagung durch den heißen Treibgasstrom aus der Brennkammer 14 der mit gestrichelter Linie markierte Querschnittsbereich der Eintrittsschaufeln thermisch höher belastet ist als der übrige Bereich.

Während bisher die an diesen Stellen auftretenden maximalen Tem­ peraturen die Grenztemperatur für den Betrieb der Gasturbine darstellten, ist es mit Hilfe der Erfindung möglich infolge Aus­ gleichs der Temperaturunterschiede über den Umfang durch die ge­ zielte Kühlung der Verdichterluft mittels der erfindungsgemäß vorgesehenen Wassereinspritzung, höhere Betriebstemperaturen als bisher bei sonst gleichen Werkstoffen und Konstruktionsmerkmalen zu realisieren. Hiermit geht eine höhere Leistungsausbeute ein­ her ebenso wie ein höherer Wirkungsgrad.

Claims (4)

1. Verfahren zum Betrieb einer stationären Gasturbinenan­ lage (10) mit einem vorgeschalteten Verdichter (12) mit Was­ sereinspritzung, mit wenigstens einer am Umfang angeordneten Brennkammer (14) und mit einer Gasturbine (16) mit einer Ein­ trittsstufe (17), die unmittelbar vom heißen Treibgasstrom aus der Brennkammer (14) beaufschlagt wird und durch einen Teilstrom (22) der Verdichterluft (20) gekühlt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß austrittsseitig in die Verdichterluft örtlich Wasser zur Kühlung des Teilstroms (22) der Verdichterluft gezielt zuge­ führt wird, der dem thermisch am höchsten belasteten Bereich der Eintrittsstufe (17) zuströmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlwasser im unteren Querschnittsbereichs des Verdichter­ austritts zugeführt wird entsprechend dem durch den heißen Treibgasstrom aus der Brennkammer (14) thermisch am höchsten be­ lasteten unteren Bereich der Eintrittsstufe (17) und daß die mittels Einspritzwasser gekühlte Verdichterluft mit einem Teil­ strom (22) den thermisch am höchsten belasteten Bereich der Ein­ trittsstufe (17) zu dessen Kühlung beaufschlagt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die mittels Wassereinspritzung gekühlte Verdichterluft dafür benutzt wird, die Temperaturverteilung in der Eintritts­ stufe (17) der Gasturbine (16) zu vergleichmäßigen, indem das Temperaturprofil des zur Kühlung vorgesehenen Teilstroms (22) der Verdichterendluft dem Temperaturprofil des Treibgas es über­ lagert wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Einspritzung vorgesehene Wassermenge und die hierdurch bewirkte örtliche Absenkung der Temperatur der Verdichterluft so festgelegt wird, daß die hierdurch bewirkte Kühlung der zugeordneten Schaufeln der Eintrittsstufe (17) der Gasturbine (16) auf annähernd die gleiche Temperatur bezogen auf den Querschnitt der Eintrittsstufe (17) gewährleistet ist.