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Diese
Erfindung betrifft allgemein Turbinentriebwerke und insbesondere
Kühlsysteme
für Turbinentriebwerke.
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Ein
Gasturbinentriebwerk enthält
typischerweise einen mehrstufigen axialen Kompressor, eine Brennkammer
und eine Turbine. Ein in den Kompressor eintretender Luftstrom wird
komprimiert und zur Brennkammer geleitet, wo er mit Brennstoff vermischt
und gezündet
wird, um heiße
Verbrennungsgase zu erzeugen, die zum Antrieb der Turbine verwendet
werden. Wegen der in die Turbine eintretenden heißen Verbrennungsgase
wird typischerweise Kompressorluft durch einen Turbinenkühlkreislauf geleitet
und zum Kühlen
der Turbine verwendet.
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Kompressorabzweigluft
wird oft als eine Quelle von Kühlluft
für den
Turbinenkühlkreis
verwendet. Jedoch kann sich die Entnahme von Kühlluft aus dem Kompressor auf
die Gesamtleistung des Turbinentriebwerks auswirken. Um eine Verringerung der
Triebwerksleistung zu minimieren, kann das Kühlsystem Brennstoff nutzen,
der durch einen Wärmetauscher
strömt,
um Wärme
aus der Kompressorabzweigluft zu absorbieren. Da der Brennstoff
Wärme aus
der Kompressorabzweigluft absorbiert, werden die Temperatur der
Abzweigluft abgesenkt und der Kühlluftstrombedarf
für das
Triebwerk reduziert, und somit die Triebwerksleistungsverluste reduziert.
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Jedoch
scheiden sich, wenn Brennstoff erwärmt wird, oft Kohlenstoff,
Harz und Koks innerhalb der für
den Transport des Brennstoffs durch den Wärmetauscher verwendeten Verrohrung
ab. Mit der Zeit blockiert eine derartige Abscheidungsansammlung die
einzelnen Rohrkanäle,
was zu höhe ren
Brennstoffdruckverlusten in dem Wärmetauscher und zu einem beeinträchtigten
Wärmeübertragungsverhalten führt. Das
beeinträchtigte
Wärmeübertragungsverhalten
kann dazu führen,
dass weniger Wärme
aus der Kompressorabzweigluft absorbiert wird und Turbinenkomponenten
Kompressorabzweigluft erhalten, die weniger effektiv gekühlt ist.
Demzufolge werden derartige Komponenten einer erhöhten niederzyklischen
Ermüdung,
LCF, Belastungen und erhöhten thermischen
Spannungen unterworfen. Ferner wird, da die Turbinenkomponenten
weniger effektiv gekühlt
werden, die Betriebslebensdauer des gesamten Triebwerks verringert.
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US 4,404,793 offenbart ein
System zur Verbesserung des Brennstoffwirkungsgrades eines Gasturbinentriebwerks,
ein Verfahren zur Zuführung
von Kühlluft
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und ein Kühlsystem
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 6.
GB 1,003,590 offenbart
eine Vorrichtung zum Kühlen
von Kabinen und Zusatzeinrichtungen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Zuführung
von Kühlluft
zu einem ein Gehäuse
enthaltendem Gasturbinentriebwerk unter Verwendung eines Kühlsystems in
Strömungsverbindung
mit dem Gasturbinentriebwerk geschaffen, wobei das Kühlsystem
einen Umwälzkreislauf
mit wenigstens drei Wärmetauschern
in Fluidverbindung enthält,
und das Verfahren die Schritte aufweist: Umwälzen eines Wärmeübertragungsfluids
durch den Umwälzkreislauf
in der Weise, dass Brennstoff vor seiner Einspritzung in das Gasturbinentriebwerk
erwärmt
wird, und gekennzeichnet durch Durchführen von Bläser-Auslassluft durch wenigstens
einen von den Wärmetauschern,
um innerhalb des Umwälzkreislaufs
strömendes
Kühlfluid
zu kühlen;
Durchführen
von Kompressorabzweigluft durch wenigstens einen von den Wärmetauschern, um
die Kompressorabzweigluft zu kühlen,
bevor die Kompressorabzweigluft zu dem Gasturbinentriebwerk geleitet
wird, wobei wenigstens ein Wärmetauscher
an einer Innenoberfläche
eines Triebwerksbläser-Nebenstromgehäuses befestigt
ist, und wenigstens ein Wärmetauscher
auf einer Außenoberfläche des
Triebwerkskerngehäuses
befestigt ist; und Umwälzen
des Brennstoff durch noch einen weiteren Wärmetauscher, der einen Brennstoffströmungspfad um
die Außenseite
mehrerer in engem Abstand angeordneter und Wärmeübertragungsfluid führender Rohre,
enthält,
so dass eine Reynolds-Zahl des in den Wärmetauscher eintretenden Brennstoffs
innerhalb des Wärmetauschers
erhöht
wird, um eine Entstehung einer Brennstoffharzabscheidung in dem wenigstens
einem von den Wärmetauschern
zu verhindern, wenn das Triebwerk betrieben wird.
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Nach
einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Kühlsystem
für ein
Gasturbinentriebwerk, das ein Triebwerkskerngehäuse enthält, wobei das Kühlsystem
gekennzeichnet ist durch einen durch Wärmeübertragungsfluid-Umwälzkreislauf
mit wenigstens drei Wärmetauschern
in Fluidverbindung, wobei wenigstens einer von den Wärmetauschern
einen Brennstoffströmungspfad
enthält,
der um und außerhalb
von mehreren in engem Abstand angeordneten Rohren ausgebildet ist,
die Wärmeübertragungsfluid
führen,
so dass eine Reynolds-Zahl des in den Wärmetauscher eintretenden Brennstoffs innerhalb
des Wärmetauschers
erhöht
wird, bevor er in dem Kühlsystem
ausgegeben wird, um die Reduzierung einer Brennstoffharzabscheidung
innerhalb der Wärmetauscher
zu ermöglichen,
wenn Brennstoff dem Gasturbinentriebwerk während des Betriebs zugeführt wird,
wobei der wenigstens eine Wärmetauscher
an einer Innenoberfläche
eines Triebwerksbläser-Nebenstromgehäuses befestigt
ist, und wenigstens ein Wärmetauscher
an einer Außenoberfläche des
Triebwerkskerngehäuses
befestigt ist.
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In
einer exemplarischen Ausführungsform der
Erfindung reduziert ein Kühlsystem
während
eines Gasturbinentriebwerksbetriebs die Brennstoffharzabscheidungen
innerhalb des Kühlsystems
und liefert Kühlluft
an das Gasturbinentriebwerk. Das Kühlsystem enthält einen
Umwälzkreislauf
mit mehreren Wärmetauschern
in Fluidverbindung mit dem Umwälzkreislauf.
Ein erster Wärmetauscher
ist ein Luft/Dampf-Wärmetauscher,
welcher Wärmeübertragungsfluid
verwendet, um von dem Gasturbinentriebwerk genutzte Kühlluft zu
kühlen.
Ein zweiter Wärmetauscher
ist ein Luft/Dampf-Wärmetauscher,
der Triebwerksbläserluft
verwendet, um das Wärmeübertragungsfluid
zu kühlen,
das in dem Umwälzkreislauf zirkuliert.
Ein dritter von den Wärmetauschern
ist ein Dampf/Brennstoff-Wärmetauscher,
der den Hauptbrennkammer-Brennstoffstrom
als eine Wärmesenke zum
Kühlen
des in dem Umwälzkreislauf
zirkulierenden Wärmeübertragungsfluids
verwendet. Das Kühlsystem
ist selektiv betreibbar, um Brennstoffharzabscheidungen zu reduzieren,
und um Kühlluft
dem Gasturbinentriebwerk zuzuführen,
wenn das Gasturbinentriebwerk arbeitet. Ein Strom des durch den
dritten Wärmetauscher
zirkulierenden Wärmeübertragungsfluids
wird mittels einer Nebenstromleitung und eines Ventil moduliert,
um die Wärmeübertragung aus
dem Wärmeübertragungsfluid
an den Brennstoffstrom zu steuern, um Brennstoffharzabscheidungen
zu reduzieren.
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Während des
Betriebs des Gasturbinentriebwerks kann das Kühlsystem betrieben werden,
indem entweder ein Brennstoffstrom oder ein Bläserauslass-Luftstrom als Wärmesenke
verwendet wird, wobei alle drei Wärmetauscher im Betrieb sind.
Alternativ kann das Kühlsystem
betrieben werden, indem Bläserauslass-Luftstrom
als eine Wärmesenke
verwendet und der dritte Wärmetauscher
umgangen wird. Brennstoff wird als eine Wärmesenke verwendet, wenn ausreichend
Abscheidungsauflösungskräfte innerhalb
des dritten Wärmetauschers
vorherrschen, oder wenn eine maximale Temperatur des Brennstoffs
so gesteuert werden kann, dass die Temperatur unter Temperaturen
bleibt, die zur Ausbildung einer Brennstoffharzabscheidung führen. Durch
den dritten Wärmetauscher
hindurchtretender Brennstoff strömt
durch einen Pfad, der die Wärmeübertragung von
dem Wärmeübertragungsfluid
auf den Brennstoff erhöht.
Als eine Folge des Stroms durch die Brennstoffpfade entwickelt der
Brennstoff hohe Fluidturbulenzkräfte
und Fluidscherungskräfte,
welche die Brennstoffabscheidungen innerhalb des dritten Wärmetauschers
reduzieren.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nun im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks ist;
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2 eine
schematische Darstellung eines mit dem in 1 dargestellten
Gasturbinentriebwerk verwendeten Kühlsystems ist;
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3 eine
Seitenquerschnittsansicht eines mit dem in 2 dargestellten
Kühlsystem
verwendeten Wärmetauschers
ist; und
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4 eine
Teilquerschnittsansicht des in 3 dargestellten
Wärmetauschers
entlang der Linie 4-4 ist.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks 10 mit
einem Niederdruckkompressor 12, einem Hochdruckkompressor 14 und
einer Brennkammer 16. Das Triebwerk 10 enthält auch
eine Hochdruckturbine 18 und eine Niederdruckturbine 20.
Der Kompressor 12 und die Turbine 20 sind über eine
erste Welle 21 gekoppelt und der Kompressor 14 und
die Turbine 18 sind über
eine zweite Welle 22 gekoppelt. In einer Ausführungsform ist
das Gasturbinentriebwerk 10 ein F110-Triebwerk, das im
Handel von General Electric Aircraft Engines, Cincinnati, Ohio beziehbar
ist.
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Im
Betrieb strömt
Luft durch den Niederdruckkompressor 12 und komprimierte
Luft wird aus dem Niederdruckkompressor 12 dem Hochdruckkompressor 14 zugeführt. Die
hoch komprimierte Luft wird der Brennkammer 16 zugeführt. Der
Luftstrom aus der Brennkammer 16 treibt die Turbinen 18 und 20 an
und verlässt
das Gasturbinentriebwerk 10 über eine Düse 24.
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2 ist
eine schematische Darstellung eines Kühlsystems 40, das
mit einem Gasturbinentriebwerk 10 verwendet wird. Das Kühlsystem 40 ist ein
indirektes Kühlungssystem
(ICS), das selektiv betreibbar ist. Kompressorabzweigluft 42 wird
durch das Kühlsystem 40 aus
dem Hochdruckkompressor 14 aus Zwischenstufen 41 des
Kompressors 14 entnommen. Alternativ wird Kompressorabzeigluft 42 durch
das Kühlsystem 40 aus
einem (nicht dargestellten) Hochdruckkompressorauslass des Kompressors 14 entnommen.
Das System 40 nutzt Bläserauslassluft 43 und
einen Brennkammerbrennstoffstrom 44 als Wärmesenken,
um einen erwärmten
Brennstoffstrom für
die Brennkammer 16 und gekühlte Kompressorzwischenstufen-Abzweigluft 42 zum
Kühlen
der Niederdruckturbine 20 und (nicht dargestellter) zugeordnete
Turbinenkomponenten zu erzeugen. In einer weiteren Ausführungsform
führt das
Kühlsystem 40 Kompressorauslass-Abzweigluft 42 zu,
um die Hochdruckturbine 18 und (nicht dargestellte) zugeordnete
Turbinenkomponenten zu kühlen.
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Der
Umwälzkreislauf 48 ist
ein geschlossener Kreislauf und enthält einen ersten Wärmetauscher 50,
einen zweiten Wärmetauscher 52 und
einen dritten Wärmetauscher 54.
Da der Umwälzkreislauf 46 ein
geschlossener Kreislauf ist, wird kein Zusatzwasser verwendet. Der
erste Wärmetauscher 50 ist
ein Luft/Dampf-Wärmetauscher
und überträgt Wärme aus
der Kompressorabzweigluft 42 an ein geeignetes Wärmeübertragungsfluid,
das in dem Umwälzkreislauf 46 umgewälzt wird.
In einer Ausführungsform
ist das Wärmeübertragungsfluid
ein Wasser/Methanol-Gemisch, wobei das Wasser reines deionisiertes
Laborwasser ist, und das Methanol verhindert, dass das Wärmeübertragungsfluid
einfriert, wenn das Gasturbinentriebwerk 10 nicht arbeitet, und
wenn das Wärmeübertragungsfluid
nicht zirkuliert. Pufferverbindungen werden dem Umwälzkreislauf 46 zugesetzt,
um die Wasserchemie anzupassen und eine Korrosion innerhalb des
Umwälzkreislaufs 46 zu
verhindern. In einer weiteren Ausführungsform ist der Umwälzkreislauf 46 mittels
einer chemischen Metalloxyd-Dampfabscheidungsbeschichtung
beschichtet, um Korrosion zu verhindern.
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Den
ersten Wärmetauscher 50 verlassender Dampf
wird direkt an einem zweiten Wärmetauscher 52 geleitet.
Der allgemeine Begriff "Dampf", sowie wie er hierin
verwendet wird, bezieht sich auf die Dampfphase eines Zweiphasen- Flüssigkeits/Dampf-Systems,
die auftritt, wenn eine Temperatur eine Sättigungstemperatur für den Systemdruck überschreitet,
ein einphasiges superkritisches Fluid, in welchem der Fluiddruck
einen kritischen Druck für das
Wärmeübertragungsfluid überschreitet
und keine Phasenänderung
vorliegt, oder eine Flüssigkeit
unterhalb einer Sättigungstemperatur
bei einem spezifizierten Druck in der gesamten oder in einem Teil
der Umwälzschleife 46.
Der zweite Wärmetauscher
ist ein Luft/Dampf-Wärmetauscher,
der Wärme
aus dem Wärmeübertragungsfluid
an die Bläserauslassluft 43 des
Gasturbinentriebwerks überträgt. Die
Bläserauslassluft 43 des
Gasturbinentriebwerks strömt
durch den zweiten Wärmetauscher 52 und
entzieht dem Wärmeübertragungsfluid
Wärme,
die als Folge davon erzeugt wird, dass das Wärmeübertragungsfluid Wärme aus
der Kompressorabzweigluft 42 im ersten Wärmetauscher 50 entzieht.
Da der zweite Wärmetauscher 52 Wärme aus
dem Wärmeübertragungsfluid
an die Bläserauslassluft 43 überträgt, wird
ein potentielle Wärmemenge,
die an den Hauptbrennkammer-Brennstoffstrom 44 von dem
zirkulierenden Wärmeübertragungsfluid übertragen
werden kann, reduziert. Ferner reduziert, da die Ausbildung von Brennstoffabscheidungen
bei höheren
Temperaturen vorherrscht, die Reduzierung der Temperatur des Wärmeübertragungsfluids
innerhalb des dritten Wärmetauschers 54 auch
die Ausbildung von Brennstoffabscheidungen.
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Den
zweiten Wärmetauscher 52 verlassender
Dampf wird einem dritten Wärmetauscher 54 zugeführt. Der
dritte Wärmetauscher 54 ist
ein Dampf/Brennstoff-Wärmetauscher,
der Wärme
aus dem Wärmeübertragungsfluid
auf den der Brennkammer 16 zugeführten Hauptbrennkammer-Brennstoffstrom 44 überträgt. Der
Hauptbrennkammer-Brennstoffstrom 44 ist die Wärmesenke,
die innerhalb des dritten Wärmetauschers 54 verwendet wird,
der restliche Wärme
entzieht, die dem Wärmeübertragungsfluid
beispielsweise aus dem ersten Wärmetauscher 50 zugeführt wird,
die nicht durch den zweiten Wärmetauscher 52 an
die Bläserauslassluft 43 übertragen
wurde. Somit baut der dritte Wärmetauscher 54 ein
Gesamtwärmegleichgewicht innerhalb
des Umwälzkreislaufes 46 auf.
Der dritte Wärmetauscher 54 enthält einen
(nicht dargestellten) ersten Durchtrittskanal und einen zweiten
(nicht dargestellten) Durchtrittskanal. Der erste Durchtrittskanal
enthält
mehrere (nicht dargestellte) Rohre, die einen Strom des Wärmeübertragungsfluids
aus dem zweiten Wärmetauscher 52 durch
den dritten Wärmetauscher 54 ermöglichen.
Der zweite Durchtrittskanal ermöglicht
einen Strom des Hauptbrennkammer-Brennstoffstroms 44 durch
den dritten Wärmetauscher 54 und
um die mehreren Wärmeübertragungsfluid
transportieren Fluidrohre des ersten Durchtrittskanals. In einer
Ausführungsform
wird ein Steuerventil 58 verwendet, um eine Menge des in dem
zweiten Durchtrittskanal des dritten Wärmetauschers eintretenden Brennstoffstroms 44 zu
verändern.
Eine Gesamtmenge des durch den dritten Wärmetauscher 54 und
das Steuerventil 58 strömenden Brennstoffsstroms
ist gleich einem Brennkammer 16 zugeführten Gesamtbrennstoffstrom 44.
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Die
mehreren Rohre des ersten Durchtrittkanals sind in engem Abstand
angeordnet und definieren mehrere Brennstoffdurchläufe, die
sich durch den zweiten Durchtrittskanal erstrecken. Da der Hauptbrennkammer-Brennstoffstrom 44 um
die Rohre durch die Brennstoff durchtrittskanäle strömt, bewirken die in engem Abstand
angeordneten Durchtrittskanäle
die Entstehung von Fluidturbulenzkräften und Fluidscherungskräften. Ferner
nimmt als Folge von Fluidturbulenzkräften und Fluidscherungskräften eine
Reynolds-Zahl für
das Wärmeübertragungsfluid zu.
Die erhöhte
Reynolds-Zahl und die Turbulenz- und Scherungskräfte des Fluids ermöglichen
in dem Fluid, eine Verminderung von sich auf (nicht dargestellten)
Außenoberflächen der
Rohre ausbildenden Abscheidungsfragmenten und eine Abtrennung der Abscheidungen
von den Rohren. Die gelösten
Abscheidungen werden mit dem Hauptbrennkammer-Brennstoffstrom 44 gemischt
und in der Brennkammer 16 verbrannt. Demzufolge wird eine
Abscheidungsansammlung und Blockierung innerhalb der Rohre reduziert.
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Der
Umwälzkreislauf 46 enthält auch
einen Akkumulator 60 und eine Pumpe 62. In einer
Ausführungsform
kann der Akkumulator 60 ein mit gasförmigem Stickstoff aufgeladener
Akkumulator sein, der den Systemdruck des Umwälzkreislaufs 46 aufrechterhält. In einer
weiteren Ausführungsform
enthält
der Umwälzkreislauf 46 eine
(nicht dargestellte) mechanische Vorrichtung, wie z.B. eine Feder,
innerhalb des Akkumulators 60 anstelle des gasförmigen Stickstoffs,
um den Systemdruck des Umwälzkreislaufs 46 aufrechtzuerhalten.
Der Akkumulator 60 bezieht thermische Energie aus dem Umwälzkreislauf 46 wie
es nachstehend detaillierter beschrieben wird. Die Pumpe 62 ist
eine Umwälzpumpe
mit variabler Drehzahl, die den Systemdruck innerhalb des Umwälzkreislaufes 46 anpassen
kann. Die Pumpe 62 ist mit einem Motor 64 gekoppelt.
In einer Ausführungsform
ist der Motor 64 ein Elektromotor. In einer weiteren Ausführungsform
werden der Motor 64 und die Pumpe 62 durch den
Brennstoffstrom 44 anstelle des Elektromotors 64 und
der Pumpe 62 angetrieben, und der Brennstoffstromdruck
wird durch eine Hauptbrennstoffpumpe 66 bereitgestellt,
welche innerhalb des Gasturbinentriebwerks 10 angeordnet
ist.
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Das
Kühlsystem 40 ist
mit einer (nicht dargestellten) elektronischen Kühlsystemsteuerung verbunden,
die elektrisch mit einem (nicht dargestellten) Triebwerkssteuersystem
verbunden ist. In einer Ausführungsform
ist das Triebwerkssteuersystem als eine "Full-Authority Digital Electronic Control" (FADEC) bekannt,
die von Lockheed Martin Control Systems, Johnson City, New York
beziehbar ist. Die elektronische Kühlsystemsteuerung regelt die
Energieversorgung der Pumpe 62 und regelt auch den Betrieb
eines Nebenstromventils 67, das einen Strom eines Wärmeübertragungsfluids
durch einen Nebenstrom 68 steuert, sowie ein Steuerventil 58,
welches einen Nebenstrom des Brennstoffstroms 44 um den dritten
Wärmetauscher 54 herum
steuert. Der Nebenstrom 68 ermöglicht, dass ein Teil oder
das gesamte Wärmeübertragungsfluid,
das in dem Umwälzkreislauf 46 strömt, den
dritten Wärmetauscher 54 umgeht,
wenn es erwünscht
ist, Austrittstemperaturen des den dritten Wärmetauscher 54 verlassenden Brennstoff
zu begrenzen. Somit regelt das elektronische Kühlsystem den Druck und die
Kühlkapazität des Umwälzkreislaufs 46 mittels
des Nebenstromes 68. Wenn der dritte Wärmetauscher 54 umgangen wird,
stellt der Wärmetauscher 52 immer
noch eine erhebliche Wärmeübertragung
für das
Wärmeübertragungsfluid
bereit.
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Das
Gasturbinentriebwerk 10 enthält ein Triebwerkskerngehäuse 70 mit
einer Außenoberfläche 72 und
ein Bläserumgehungsgehäuse 74 mit
einer Innenoberfläche 76 und
einer Außenoberfläche 78.
Das Triebwerkskerngehäuse 70 erstreckt
sich in Umfangsrichtung um das Gasturbinentriebwerk 10 und
erstreckt sich von dem Kompressor 14, zur Brennkammer 16 und über die
Turbinen 18 und 20. Das Bläserumgehungsgehäuse 74 erstreckt
sich um den Umfang um das Triebwerkskerngehäuse 70 und definiert
einen Hohlraum 80 zwischen dem Kernge häuse 70 und dem Bläserumgehungsgehäuse 74. Der
Triebwerksbläser-Auslassstrom 43 wird
durch den Hohlraum 80 zu der Auslassdüse 24 geleitet. Der erste
Wärmetauscher 50 ist
an der Außenoberfläche 73 des
Triebwerkskerngehäuses
befestigt und erstreckt sich in den Hohlraum 80, um mehrere
Kühlluftrohre 82 zu
befestigen, die innerhalb des Hohlraums 80 angeordnet sind.
Demzufolge enthält
der erste Wärmetauscher 50 keinerlei
Luftführungen,
um Luft dem ersten Wärmetauscher
zuzuführen.
Die Triebwerksleistung wird durch den Wärmetauscher 50 nicht
nachteilig beeinträchtigt,
da der Druckabfall der durch den ersten Wärmetauscher 50 hindurch tretenden
Luft relativ niedrig ist. Der zweite Wärmetauscher 52 ist
an der Innenoberfläche 76 des
Bläsernebenstromgehäuses befestigt
und erstreckt sich quer zu dem Hohlraum 80, um dem Triebwerksbläser-Auslassstrom 43 zu
ermöglichen,
durch den zweiten Wärmetauscher 52 hindurch
zu treten. Der dritte Wärmetauscher 54 ist
auf der Außenoberfläche 78 des
Bläsernebenstromgehäuses befestigt.
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Da
getrennte Wärmetauscher 52 und 54 für Luft und
Brennstoff verwendet werden, ist der dritte Wärmetauscher 54 für eine hohe
Abscheidungsablösungsrate
optimiert und der zweite Wärmetauscher für einen
niedrigen Kühlluftdruckabfall
optimiert, während
er gleichzeitig eine erhebliche Wärmesenkenkapazität für das System
bereitstellt, wenn sich der dritte Wärmetauscher 54 nicht
im Betrieb befindet. Insbesondere ist der dritte Wärmetauscher 54 dafür optimiert,
erhöhte
Reynolds-Zahlen zu entwickeln, um die Brennstoffscherungsspannungen
für den
Hauptbrennkammer-Brennstoffstrom 44 zu erhöhen. Während eines
Triebwerksbetriebs mit hohem Brennstoffstrom vermindern die Brennstoffscherungsspannungen,
dass das Anhaften von Harzabscheidungen an der Außenseite
der Rohre des dritten Wärmetauschers.
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Während eines
Start- und Niederlastbetriebs des Gasturbinentriebwerks 10 kann,
wenn keine ausreichenden Brennstoffabscheidungs-Ablösekräfte für den der
Brennkammer 16 in Abhängigkeit
von einem (nicht dargestellten) Brennstoffplan zugeführten Hauptbrennkammer-Brennstoffstrom 44 vorhanden sind,
das Kühlsystem 40 unter
Verwendung des zweiten Wärmetauschers 52 und
des Bläserauslassstroms 43 als
Wärmesenke
betrieben werden. Während
derartiger Betriebsbedingungen wird Wärmeübertragungsfluid innerhalb
des Umwälzkreislaufes 46 umgewälzt und
um den dritten Wärmetauscher 54 unter
Verwendung des Umgehungsventils 67 und der Umgehungsleitung 68 umgeleitet,
um die Ausbildung eine Brennstoffharzabscheidung innerhalb des dritten
Wärmetauschers 54 zu
vermeiden. Abhängig
von den Einlasstemperaturen des in den dritten Wärmetauscher eintretenden Hauptbrennkammer-Brennstoffstroms 54 kann
der Nebenstrom 68 unter Verwendung des Nebenstromventils 67 moduliert
werden, um zu verhindern, dass eine Austrittstemperatur des Brennstoffstroms 44 auf
eine Temperatur ansteigt, die zu zur Ausbildung einer Brennstoffharzabscheidung
führt,
während
gleichzeitig Wärmesenkenkapazität bereitgestellt
wird. Somit kann der Betrieb der Wärmetauscher 52 und 54 variiert
werden, um das Kühlen
der Kompressorabzweigluft 42 zu optimieren, während gleichzeitig
die Ausbildung von Brennstoffharzabscheidungen in dem dritten Wärmetauscher 54 verhindert
wird.
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Zu
Beginn wird der Akkumulator 60 auf einen relativ niedrigen
Druck aufgeladen. In einer Ausführungsform
wird der Akkumulator 60 zu Beginn auf angenähert 18,97
Bar (275 psia) aufgeladen. Wenn das Kühlsystem 40 in Betrieb
genommen wird, siedet zuerst das Wärmeübertragungsfluid in dem ersten
Wärmetauscher 50.
Sobald das Wärmeübertragungsfluid siedet,
steigt der Druck im Akkumulator 60 an. Der Akkumulator 60 nutzt
zusätzlicher Änderungen
in der Dichte des Wärmeübertragungsfluids,
zur Druckerhöhung
und erzeugt somit selbst Druck. Schließlich übersteigen die Drücke des
Umwälzkreislauf
superkritische Drücke
für das
Wärmeübertragungsfluid, und
halten somit ein Einphasenfluid im Umwälzkreislauf während stabiler
Betriebszustände
aufrecht. Während
Startbedingungen hält
die Pumpe 62 den Umwälzkreislaufdruck
und den Fluidstrom aufrecht.
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Während des
Betriebs des Kühlsystems 40 wird
das in dem Umwälzkreis 46 zirkulierende
Wärmeübertragungsfluid
bei einem geregelten Druck umgewälzt.
Der geregelte Strom des Wärmeübertragungsfluids
stellt sicher, dass eine angemessene Wärmeübertragung innerhalb der ersten,
zweiten und dritten Wärmetauscher 50, 52 bzw. 54 erfolgt. Insbesondere
reduziert die Kombination des geregelten Wärmeübertragungsfluidstroms, der
Anwendung des Fluidnebenstroms 68 zum Steuern der Austrittsbrennstofftemperaturen
und der innerhalb des dritten Wärmetauschers 54 während eines
Betriebs bei hohem Brennstoffstrom erzeugten Fluidkräfte die Brennstoffharzabscheidungen
innerhalb des dritten Wärmetauschers 54,
wenn das Gasturbinentriebwerk 10 über einen großen Bereich
von Betriebsleistungspegeln arbeitet. Ferner können als eine Folge der bei
hohen Brennstoffströmungsraten
entstehenden Fluidturbulenzkräfte
und Fluidscherungskräfte auf
den (nicht dargestellten) Außenoberflächen der Rohre
in den dritten Wärmetauscher 54 ausgebildete Abscheidungsfragmente
leicht von den Rohroberflächen
abgelöst
und mit dem Hauptbrennkammer-Brennstoffstrom 44 vermischt
werden. In einer weiteren Ausführungsform
kann ein stromab von dem dritten Wärmetauscher 54 angeordnetes
(nicht dargestelltes) Brenn stofffilter dazu verwendet werden, derartige
Abscheidungen auszufiltern, um zu verhindern, dass die Abscheidungen
in (nicht dargestellte) Brennstoffdüsen eintreten.
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Wenn
das Triebwerk 10 nach einer längeren Dauer bei Hochlastbetrieb
auf einen Niederlastbetrieb zurückkehrt,
bleibt das Kühlsystem 40 in
Betrieb und das Wärmeübertragungsfluid
wird durch den Nebenstrom 48 um den dritten Wärmetauscher 54 herum
geleitet. Die Kompressorabzweigluft 42 wird dann mit der
durch den zweiten Wärmetauscher 52 hindurch
tretenden Bläserauslassluft 43 gekühlt. Der Hauptbrennkammer-Brennstoffstrom 44 strömt weiter
durch den dritten Wärmetauscher 54 und
kühlt diesen.
Demzufolge werden Probleme durch Rückerhitzung minimiert.
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Der
Druck des Umwälzkreislaufes 46 wird
so geregelt, dass, wenn ein Austritt von Wärmeübertragungsfluid innerhalb
des Umwälzkreislaufs 46 des Kühlsystems 40 auftritt,
nur eine eingeschränkte Menge
an Wärmeübertragungsfluid
austritt, bevor der Druck auf einen Wert sinkt, bei dem kein Austritt mehr
erfolgen kann. Wenn die Triebwerkssteuerung einen Verlust im Umwälzkreislaufdruck
detektiert, kann die Triebwerkssteuerung eine Drosselungsgrenze
vorsehen, um einen Betrieb des Triebwerks 10 in einem Leistungsbereich
zu ermöglichen,
in welchem ein Vorkühlen
der Turbinenkühlluft
nicht erforderlich ist. Ferner werden Brandgefahren in Verbindung
mit dem Umwälzkreislauf 46 reduziert,
da das Gemisch aus Methanol und Wasser unter üblichen Triebwerksbetriebsbedingungen
nicht brennbar ist, und da der dritte Wärmetauscher 54 außerhalb
des Triebwerkgehäuses 74 befestigt
ist. Demzufolge wird, wenn sich ein Brennstoffaustritt entwickelt,
kein Brennstoff in das Triebwerk 10 eingeführt, sondern bleibt
außerhalb
des Triebwerks 10. 3 ist eine Seitenquerschnittsansicht
des auf dem Triebwerk 10 montierten ersten Wärmetauschers 50. 4 ist
eine Teilquerschnittsansicht des ersten Wärmetauschers 50 entlang
der in 3 dargestellten Linie 4-4. Das Triebwerkskerngehäuse 70 ist
aus einem ersten Abschnitt 90 und einen im Wesentlichen
(nicht dargestellten) ähnlichen
zweiten Abschnitt aufgebaut, die über einen (nicht dargestellten)
Teilungslinienflansch so verbunden sind, dass sich das Kerngehäuse 70 um
den Umfang herum erstreckt. Der erste Wärmetauscher 50 ist
auf der Außenoberfläche 72 des
Kerntriebwerkgehäuses
montiert und enthält
einen ersten Abschnitt 94 und einen (nicht dargestellten)
identischen zweiten Abschnitt. Der zweite Abschnitt des Wärmetauschers
und der erste Abschnitt sind identisch aufgebaut und wenn sie miteinander
verbunden sind, erstreckt sich der erste Wärmetauscher 50 in Umfangsrichtung
um das Kerngehäuse 70.
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Der
erste Wärmetauscher 50 enthält eine äußere Wärmetauscherabdeckung 96,
die in Umfangsrichtung um das Triebwerkskerngehäuse 70 angeordnet
ist. Die äußere Wärmetauscherabdeckung 96 ist
an dem Triebwerkskerngehäuse 70 mit
mehreren Befestigungselementen 100 verbunden. Eine (nicht dargestellte)
Dichtung ist zwischen der äußeren Wärmetauscherabdeckung 96 und
der Außenoberfläche 72 des
Kerngehäuses
angeordnet und minimiert den Austritt von Kühlluft 42, die durch
den ersten Wärmetauscher 50 strömt. Der
erste Wärmetauscher 50 steht
mit mehreren ersten Öffnungen 102 und
mehreren zweiten Öffnungen 104 in
Strömungsverbindung. Die
ersten Öffnungen 102 sind
in Umfangsrichtung um das Triebwerkskerngehäuse 70 angeordnet,
um den Eintritt von Abzweigluft 42 in den ersten Wärmetauscher 50 zu
ermöglichen.
Die zweiten Öffnungen 104 sind
in Umfangsrichtung um die äußere Wärmetauscherabdeckung 96 angeordnet,
um zu er möglichen,
dass die Abzeigluft 42 den ersten Wärmetauscher 50 verlässt und
in Kühlluftrohre 82 eintritt
und zur Turbine 20 (dargestellt in den 1 und 2) geleitet
wird.
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Der
erste Wärmetauscher 50 enthält auch
einen ersten Verteiler 110, der an einer Teilungslinie angeordnet
ist, und einen zweiten Verteiler 112, der an derselben
Teilungslinie angeordnet ist. Mehrere Rohrleitungen 114 erstrecken
sich zwischen dem ersten Verteiler 110 und dem zweiten
Verteiler 112 in einem (nicht dargestellten) Zweifachdurchlauf-Gegenstrommuster.
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Während des
Betriebs des Kühlsystems 40 tritt
Wärmeübertragungsfluid
in den Wärmetauscher 50 über den
ersten Verteiler 110 ein, durchläuft die erste Rohrleitung 114 und
verlässt
den ersten Wärmetauscher 50 über den
zweiten Verteiler 112.
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Das
vorstehend beschriebene Kühlsystem ist
kosteneffektiv und sehr zuverlässig.
Das Kühlsystem
ist selektiv betreibbar, wenn das Triebwerk arbeitet, um Brennstoffharzabscheidungen
innerhalb des Kühlsystems
zu reduzieren, und Kühlluft
an das Gasturbinentriebwerk zu liefern. Obwohl der Hauptbrennkammer-Brennstoffstrom
als eine Wärmesenke
verwendet wird, verhindert das Kühlsystem
die Ausbildung von schädlichen
Hochtemperaturbrennstoffabscheidungen innerhalb des Wärmetauschers.