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Die
Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke und speziell
Einrichtungen, die dazu dienen, Gasturbinentriebwerke zu betreiben.
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Gasturbinentriebwerke
enthalten im Allgemeinen in serieller Strömungsanordnung einen Hochdruckverdichter,
der dazu dient, durch das Triebwerk strömende Luft zu verdichten, eine
Brennkammer, in der Brennstoff mit der verdichteten Luft vermischt
und gezündet
wird, um einen Gasstrom hoher Temperatur zu erzeugen, und eine Hochdruckturbine.
Der Hochdruckverdichter, die Brennkammer und die Hochdruckturbine
werden gelegentlich zusammengefasst als das Kerntriebwerk bezeichnet. Solche
Gasturbinentriebwerke können
außerdem
einen Niederdruckverdichter bzw. ein Aufladegebläse enthalten, um dem Hockdruckverdichter
verdichtete Luft zuzuführen.
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Gasturbinentriebwerke
werden in vielen Anwendungen genutzt, beispielsweise in Luftfahrzeugen,
bei der Stromerzeugung und der Schifffahrt. selbstverständlich unterscheiden
sich die gewünschten
Triebwerkseigenschaften von Fall zu Fall. Insbesondere ist das Triebwerk,
wenn es in einer Umgebung betrieben wird, in der die Umgebungstemperatur
im Vergleich zu anderen Umgebungen reduziert ist, möglicherweise
in der Lage, mit einer höheren Wellenleistung
(WPS) und einer höheren
Ausgangsleistung zu laufen, ohne die Temperatur des Kerntriebwerks
auf ein unangemessen hohes Niveau zu steigern. Falls die Umgebungstemperatur
allerdings verhältnismäßig hoch
ist, kann die Kerntriebwerkstemperatur im Falle der Abgabe einer
hohen WPS-Ausgangsleistung auf einen unangemessen hohen Wert steigen.
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Um
die Erfüllung
der Betriebsanforderungen auch bei hoher Triebwerksumgebungstemperatur,
z. B. an heißen
Tagen, zu ermöglichen,
enthalten zumindest einige bekannte Gasturbinentriebwerke Verdunstungskühler oder
Kühlsysteme
für das
Einlasssystem, um eine Senkung der Einlasslufttemperatur zu erreichen.
Ein solches System ist in der
US 2002/0050134 gezeigt.
Zumindest einige bekannte Systeme benutzen Wassersprühvernebler-
oder Einspritzeinrichtungen, um entweder in das Aufladegebläse oder
in den Verdichter Wasser zu injizieren, so dass eine Senkung der
Betriebstemperatur des Triebwerks erzielt wird.
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Beispielsweise
enthält
wenigstens eine Gasturbine einen Aufladeverdichter, um eine Steigerung des
Drucks der in den Hockdruckverdichter eintretenden Luft zu ermöglichen,
was eine Steigerung der Leistungsabgabe und des Wirkungsgrads der
Gasturbine erbringt. Zwischen dem Aufladeverdichter und dem Hockdruckverdichter
kann ein Zwischenkühler-Wärmetauscher
angeordnet sein, um eine Senkung der Temperatur der in den Hockdruckverdichter
eintretenden Luft zu ermöglichen.
Die Verwendung eines Zwischenkühlers
ermöglicht
eine Steigerung des Wirkungsgrades des Triebwerks, während gleichzeitig
die von dem Hochdruckverdichter geleistete Arbeit reduziert wird.
Zumindest ein bekannter Zwischenkühler-Wärmetauscher verwendet Umgebungsluft
oder Wasser als ein Kühlmedium,
um den aus dem Aufladeverdichter austretenden Luftstrom zu kühlen. Wenn
Wasser als das Kühlmedium verwendet
wird, wird Wärme
aus dem Wasser mittels wassergekühlter
Kühltürme abgeführt. Die
Verminderung der Temperatur ist daher im Falle des luftgekühlten Wärmetauschers
durch die Umgebungsluftrockentemperatur und im Falle des wassergekühlten Wärmetauschers
durch die Feuchtkugeltemperatur beschränkt. Allerdings benutzen Luft-Wasser-Wärmetauscher
gewöhnlich
verhältnismäßig große Mengen
von Wasser, das in relativ trockenen Regionen möglicherweise nicht verfügbar ist.
Außerdem
sind Luft-Luft-Wärmetauscher
aufgrund einer geringeren Luftdichte und eines Anstiegs der Temperaturen
des Zwischenkühlerauslasses
bei einem Einsatz an heißen
Tagen im Allgemeinen weniger wirkungsvoll, was zu einer Reduzierung
der Gasturbinenleistung führt.
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In
einem Aspekt der Erfindung ist ein Kühlsystem für ein Gasturbinentriebwerk
geschaffen, das wenigstens einen ersten Verdichter, einen zweiten Verdichter
und eine Turbine aufweist. Das Kühlsystem
enthält
einen Wärmetauscher,
der stromabwärts von
dem ersten Verdichter so angekoppelt ist, dass verdichtete Abluft
aus dem ersten Verdichter durch ihn hindurchgeleitet wird, wobei
den Wärmetauscher ein
Luftstrom durchströmt,
und einen Verdunstungskühler,
der in Strömungsverbindung
mit dem Wärmetauscher
steht, wobei der Verdunstungskühler
so konfiguriert ist, dass er einen verdunstungsgekühlten Luftstrom
in den Wärmetauscher
leitet, um die Senkung einer Temperatur der zu dem zweiten Verdichter geleiteten
verdichteten Luft zu ermöglichen.
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In
einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Gasturbinentriebwerk
geschaffen. Das Gasturbinentriebwerk enthält einen ersten Verdichter,
einen stromabwärts
von dem ersten Verdichter angeordneten zweiten Verdichter, eine
in Strömungsverbindung mit
dem zweiten Verdichter stehende Turbine, einen Wärmetauscher, der stromabwärts von
dem ersten Verdichter so angekoppelt ist, dass verdichtete Abluft aus
dem ersten Verdichter durch ihn hindurchgeleitet wird, wobei den
Wärmetauscher
ein Luftstrom durchströmt,
um die Übertragung
von Wärmeenergie
aus der verdichteten Abluft in den Luftstrom zu ermöglichen,
und einen Verdunstungskühler,
der in Strömungsverbindung
mit dem Wärmetauscher
steht, wobei der Verdunstungskühler
so konfiguriert ist, dass er Kühlluft
in den Wärmetauscherluftstrom
leitet, um die Senkung einer Temperatur der zu dem zweiten Verdichter
geleiteten verdichteten Luft zu ermöglichen.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen
eingehender beschrieben:
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines exemplarischen Gasturbinentriebwerks, das
ein Kühlsystem
aufweist.
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2 zeigt
in einer exemplarischen grafischen Darstellung das in 1 dargestellte
Kühlsystem
während
eines normalen Gasturbinenbetriebs.
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3 zeigt
ein Blockdiagramm eines exemplarischen Gasturbinentriebwerks, das
ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
eines Kühlsystems
aufweist.
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4 zeigt
in einer grafischen Darstellung das in 3 dargestellte
Kühlsystem
während
eines normalen Gasturbinenbetriebs.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines Gasturbinentriebwerks 10, das ein
Kühlsystem 12 aufweist.
Abgesehen von dem weiter unten näher
erläuterten
Gaspfad-Luftkühlungssystem 12 ist
das Triebwerk 10 aus dem Stand der Technik bekannt und
enthält
in serieller Strömungsbeziehung
einen Niederdruckverdichter bzw. ein Aufladegebläse 14, einen Hockdruckverdichter 16,
eine Brennkammer 18, eine Hochdruckturbine 20,
eine Niederdruck- oder Zwischenturbine 22 und eine Leistungsturbine
oder Nutzleistungsturbine 24. Der Niederdruckverdichter bzw.
Aufladegebläse 14 weist
einen Einlass 26 und einen Auslass 28 auf, und
der Hockdruckverdichter 16 weist einen Einlass 30 und
einen Auslass 32 auf. Die Brennkammer 18 weist
einen im Wesentlichen mit dem Hochdruckverdichterauslass 32 zusammenfallenden
Einlass 34 und einen Auslass 36 auf.
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Die
Hochdruckturbine 20 ist mittels einer ersten Laufradwelle 40 an
den Hockdruckverdichter 16 angekoppelt, und die Niederdruckturbine 22 ist
mittels einer zweiten Laufradwelle 42 an den Niederdruckverdichter 14 angekoppelt.
Die Laufradwellen 40 und 42 sind jeweils in Bezug
auf eine longitudinale Mittelachse 43 des Triebwerks 10 im
Wesentlichen koaxial fluchtend angeordnet. Das Triebwerk 10 kann für den Antrieb
einer (nicht gezeigten) Last verwendet werden, die an eine Leistungsturbinenwelle 44 gekuppelt
werden kann. In einer Abwandlung kann die Last an eine (nicht gezeigte)
vordere Verlängerung
der Laufradwelle 42 gekuppelt werden.
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Im
Betrieb wird in den Niederdruckverdichtereinlass 26 angesaugte
Umgebungsluft verdichtet und stromabwärts zu dem Hockdruckverdichter 16 geleitet.
Der Hockdruckverdichter 16 verdichtet die Luft weiter und
liefert hochverdichtete Luft in die Brennkammer 18, wo
sie mit Brennstoff vermischt wird, und das Gemisch wird gezündet, um
Hochtemperaturverbrennungsgase zu erzeugen. Die Verbrennungsgase
werden aus der Brennkammer 18 geleitet, um die Turbinen 20, 22 und 24 anzutreiben.
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Die
Leistungsabgabe des Triebwerks 10 hängt wenigstens teilweise von
den an vielfältigen Stellen
längs des
Gasströmungspfads
auftretenden Temperaturen des Gasstroms ab. Im Einzelnen werden
während
des Betriebs des Triebwerks 10 eine Temperatur des Gasstroms
an dem Hochdruckverdichterauslass 32 und eine Temperatur
des Gasstroms an dem Brennkammerauslass 36 genau überwacht.
Eine Verminderung der Temperatur des in den Hockdruckverdichter 16 eintretenden
Gasstroms führt
im Allgemeinen zu einer Steigerung der Leistungsabgabe des Triebwerks 10.
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Um
die Senkung der Temperatur des in den Hockdruckverdichter 16 eintretenden
Gasstroms zu ermöglichen,
weist das Kühlsystem 12 einen
strömungsmäßig mit
dem Niederdruckverdichter 14 verbundenen Wärmetauscher 46 auf.
Ein aus dem Niederdruckverdichter 14 stammender Luftstrom
wird zu dem Wärmetauscher 46 geleitet,
um zusätzlich
gekühlt
zu werden, bevor er dem Hochdruckverdichter 16 zurückgegeben
wird.
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Das
Kühlsystem 12 weist
ferner einen strömungsmäßig mit
dem Wärmetauscher 46 verbundenen
Verdunstungskühler 48 und
ein strömungsmäßig mit
dem Wärmetauscher 46 verbundenes
Gebläse 50 auf.
Der Verdunstungskühler 48 weist
einen ersten Einlass 52, um Umgebungsluft aufzunehmen, und
einen zweiten Einlass 54 auf, um ein Arbeitsfluid aufzunehmen,
das beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, Wasser sein kann.
Die Umgebungsluft wird mit dem Wasser zusammengeführt, um
die Umgebungsluft zu kühlen.
Die gekühlte
Luft wird anschließend
durch einen Auslass 56 aus dem Verdunstungskühler 48 ausgestoßen und
anschließend
in den Wärmetauscherluftstrom 58 des
Wärmetauschers 46 geleitet.
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Den
Wärmetauscher 46 durchströmt ein Arbeitsfluid,
das dazu dient, aus dem Gasströmungspfad
entzogene Energie zu speichern. In einem Ausführungsbeispiel ist das Arbeitsfluid
Luft, und der Wärmetauscher 46 ein
Luft-Luft-Wärmetauscher.
Der Wärmetauscher 46 entzieht
dem Strömungspfad
verdichteter Luft Wärmeenergie
und leitet die gekühlte verdichtete
Luft dem Hockdruckverdichter 16 zu. Insbesondere ist der
Wärmetauscher 46 mit
mehreren (nicht gezeigten) Rohre versehen, durch die heiße verdichtete
Luft, d. h. ein von dem Niederdruckverdichter 14 ausgehender
Luftstrom, zir kuliert. Die Wärme
wird ausgehend von der in Umlauf gebrachten Luft durch (nicht gezeigte)
Rohrwände
hindurch auf einen außerhalb
der Rohrwände
strömenden, durch
das Gebläse 50 erzeugten
Luftstrom übertragen.
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Im
Betrieb wird dem Verdunstungskühler 48 durch
den Einlass 52 Umgebungsluft zugeführt, und dem Verdunstungskühler 48 durch
den Einlass 54 Wasser zugeführt. Das Wasser wird mit der
Umgebungsluft zusammengeführt,
um die Umgebungsluft zu kühlen.
Die gekühlte
Umgebungsluft wird anschließend
mittels des Gebläses 50 in
den Wärmetauscherluftstrom 58 gesaugt
bzw. geleitet, um die Senkung der Temperatur des in dem Wärmetauscher 46 verwendeten
Kühlmediums
zu ermöglichen.
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2 zeigt
in einer grafischen Darstellung das Kühlsystem 12 während des
normalen Betriebs. An einem verhältnismäßig kühlen Tag
wird im Betrieb keine Wassereinspritzung verwendet, da die Zwischenlufttemperatur,
d. h. eine Temperaturdifferenz zwischen einer Umgebungslufttemperatur
(T2) und einer gewünschten
Zwischenkühlerluftauslasstemperatur
(T23) größer ist
als das Minimum, das konstruktionsmäßig vorausgesetzt wird, um
den Wärmetauscher 46 sinnvoll
einzusetzen. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel beträgt die minimale
konstruktionsmäßige Differenz
etwa 8,33°C
(15°F).
Beispielsweise ist das Kühlsystem 12 an
einem Tag mit einer Temperatur von 23,9°C (75°F), in der Lage, von dem Arbeitsfluid
ausreichend Wärme
abzuführen, um
die Zwischenkühlerauslasslufttemperatur
(T23) ohne Injektion von Wasser in den Verdunster 48 bis auf
etwa 32,2°C
(90°F) zu
senken. An einem verhältnismäßig warmen
Tag kann die Umgebungslufttemperatur im Laufe des Tages allerdings
ohne weiteres 32,2°C
(90°F) überschreiten,
was zu einer Zwischenkühlerluftauslasstemperatur
(T23) von etwa 40,6°C (105°F) führt, mit
der Folge einer möglichen Verringerung
der Ausgangsleistung des Triebwerks 10. Um eine gesteigerte
Leistungsabgabe während
derartiger Betriebsbedingungen zu ermöglichen, wird dem Verdunster 48 Wasser
zugeführt.
Das Wasser wird mit Umgebungsluft zusammengeführt, um das Wasser zu kühlen. Das
gekühlte
Wasser wird durch den Verdunstungsauslass 56 ausgestoßen und
als ein feiner Nebel in den Wärmetauscherluftstrom 58 gesprüht. Das
Gebläse 50 trägt dazu
bei, das gekühlte Wasser
beispielsweise als einen feinen Nebel in den Wärmetauscherluftstrom 58 feinzuverteilen.
In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel
kann die tatsächliche
Temperatur der Luft auf die Feuchtkugeltemperatur/Kühlgrenztemperatur,
d. h. auf etwa zehn bis zwanzig Grad Fahrenheit unterhalb der Trockentemperatur,
gesenkt werden.
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In
der Praxis ermöglicht
das Kühlsystem 12 eine
Verringerung der Temperatur des in dem Wärmetauscher 46 verwendeten
Kühlmediums
auf zwischen etwa 21°C
(70°F) und
26,7°C (80°F), so dass die
Zwischenkühlerluftauslasstemperatur
(T23) auf zwischen etwa 32°C
(90°F) und
35°C (95°F) gesenkt wird.
Dementsprechend arbeitet das Kühlsystem 12 an
verhältnismäßig kühlen Tagen
wie ein "trockenes System", in dem kein Wasser
in den Verdunster 48 injiziert wird. Im Gegensatz dazu
wird an verhältnismäßig warmen
Tagen Wasser in den Verdunster 48 eingebracht und mit der
Umgebungsluft zusammengeführt,
um die Umgebungsluft zu kühlen.
Die gekühlte
Luft wird anschließend,
wie oben beschrieben, in den Wärmetauscherluftstrom 58 geleitet.
Das Kühlsystem 12 ermöglicht auf
diese Weise eine Verbesserung der von dem Turbinentriebwerk 10 abgegebenen
Leistung und eine Steigerung des Wirkungsgrads des Triebwerks 10.
In einem Ausführungsbeispiel
ermöglicht
das Kühlsystem 12 eine Leistungssteigerung
von zwischen etwa 5% und 8%.
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3 zeigt
ein Blockdiagramm eines Gasturbinentriebwerks 10, das ein
Kühlsystem 100 aufweist.
Das Kühlsystem 100 ähnelt weitgehend
dem (in 1 gezeigten) Kühlsystem 12,
und Komponenten des Kühlsystems 12,
die mit Komponenten des Kühlsystems 100 identisch
sind, sind in 3 mit denselben Bezugszeichen
bezeichnet, wie sie in 1 verwendet sind.
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Das
Kühlsystem 100 enthält einen
Wärmetauscher 46,
der mehrere Leitbleche 102 aufweist (und) strömungsmäßig mit
dem Niederdruckverdichter 14 verbunden ist. Ein aus dem
Niederdruckverdichter 14 stammender Luftstrom wird zu dem
Wärmetauscher 46 geleitet,
um gekühlt
zu werden, bevor er dem Hochdruckverdichter 16 zurückgegeben
wird.
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Das
Kühlsystem 100 weist
ferner einen strömungsmäßig mit
dem Wärmetauscher 46 verbundenen
Verdunstungskühler 48 und
ein strömungsmäßig mit
dem Wärmetauscher 46 verbundenes
Gebläse 50 auf.
Der Verdunstungskühler 48 weist
einen ersten Einlass 52, um Umgebungsluft aufzunehmen, und
einen zweiten Einlass 54 auf, um ein Arbeitsfluid aufzunehmen,
das beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, Wasser ist. Aus
einem Auslass 56 des Verdunstungskühlers 48 ausgestoßene, gekühlte Luft
wird anschließend
in einen Teil des Wärmetauscherluftstroms 58 geleitet.
Den Wärmetauscher 46 durchströmt ein Arbeitsfluid,
das dazu dient, aus dem Gasströmungspfad
entzogene Energie zu speichern. In einem Ausführungsbeispiel ist das Arbeitsfluid
Luft, und der Wärmetauscher 46 ist ein
Luft-Luft-Wärmetauscher.
Der Wärmetauscher 46 weist
mehrere (nicht gezeigte) Rohre auf, durch die ein von dem Niederdruckverdichter 14 stammender heißer Luftstrom
zirkuliert. Die Wärme
wird ausgehend von der Luft durch (nicht gezeigte) Rohrwände auf
den durch das Gebläse 50 erzeugten
Luftstrom übertragen.
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Im
Betrieb wird dem Verdunstungskühler 48 durch
den Einlass 52 Umgebungsluft zugeführt, und dem Verdunstungskühler 48 durch
den Einlass 54 Wasser zugeführt. Das Wasser wird mit der
Umgebungsluft zusammengeführt,
um die Umgebungsluft zu kühlen.
Die gekühlte
Umgebungsluft wird anschließend
durch Leitbleche 102 in den Wärmetauscherluftstrom 58 gesaugt
bzw. auf einen Abschnitt 104 des Wärmetauschers 46 geleitet,
so dass die Temperatur der Luft gesenkt wird, die als das Kühlmedium
für den
Wärmetauscher 46 verwendet
wird.
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4 zeigt
in einer grafischen Darstellung das Kühlsystem 100 während des
normalen Betriebs. Im Betrieb kann die Umgebungslufttemperatur an
einem verhältnismäßig warmen
Tag im Tagesverlauf ohne weiteres 32,2°C (90°F) überschreiten, was zu einer
Zwischenkühlerluftauslasstemperatur
(T23) von etwa 40,6°C
(105°F)
führt,
mit der Folge einer möglichen
Verringerung der Ausgangsleistung des Triebwerks 10. Um
eine gesteigerte Leistungsabgabe während derartiger Betriebsbedingungen
zu ermöglichen,
wird dem Verdunster 48 Wasser zugeführt und mit Umgebungsluft zusammengeführt, um die
Umgebungsluft zu kühlen.
Die gekühlte
Luft wird durch den Verdunstungskühlerauslass 56 ausgestoßen und
als feiner Nebel durch die Leitbleche 102 auf einen Abschnitt 104 des
Wärmetauschers 46 gesprüht. Dementsprechend
ermöglichen
die Leitbleche 102 es, die durch den Verdunster gekühlte Luft, die
durch die Leitbleche 102 auf einen Abschnitt 104 des
Wärmetauschers 46 gelenkt
ist, und die auf einen Abschnitt 106 des Wärmetauschers 46 gelenkte Umgebungsluft
zu trennen. Das Gebläse 50 ermöglicht es,
die Umgebungsluft über
den Abschnitt 106 zu verteilen, und die zweite Menge des
gekühlten Wassers
beispielsweise als einen feinen Nebel über den Abschnitt 104 des
Wärmetauschers 46 feinzuverteilen.
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In
der Praxis ermöglicht
das Kühlsystem 100 es,
die (Temperatur der) zweite(n) Menge der Luft auf ihre Feuchtkugeltemperatur
zu senken. Das Kühlsystem 100 ermöglicht auf
diese Weise sowohl eine Verbesserung der von dem Turbinentriebwerk 10 abgegebenen
Leistung als auch eine Steigerung des Wirkungsgrads des Triebwerks 10,
während
außerdem die
für die
Kühlung
der Umgebungsluft verwendete Wassermenge reduziert ist. In einem
Ausführungsbeispiel
ermöglicht
das Kühlsystem 100 eine
Leistungssteigerung von zwischen etwa 5% und 8%.
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Das
oben beschriebene Kühlsystem
stellt ein kosteneffektives und in hohem Maße zuverlässiges Verfahren für die Kühlung eines
Gasstroms in einem Gasturbinentriebwerk bereit. Das Kühlsystem
verwendet eine minimale Wassermenge, um die Umgebungsluft zu kühlen, und
verwendet anschließend
die gekühlte
Luft, um den Zwischenkühler
zu kühlen,
so dass eine Steigerung der potentiellen Leistungsabgabe des Triebwerks
ermöglicht
ist. Dementsprechend ist ein Gaspfadkühlsystem geschaffen, das eine
Senkung von Gaspfadtemperaturen ermöglicht, so dass der Triebwerkswirkungsgrad
auf kosteneffektive Weise verbessert wird.
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Im
Vorausgehenden sind Ausführungsbeispiele
von Gaspfadkühlsystemen
im Einzelnen beschrieben. Die Gaspfadkühlsysteme sind nicht auf die
im Vorliegenden beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr
können
Systemkomponenten unabhängig
und getrennt von sonstigen hier beschriebenen Komponenten verwendet
werden. Jede Gaspfadkühlungskomponente kann
auch in Kombination mit anderen Gaspfadkühlungskomponenten verwendet
werden.