DE69314697T2

DE69314697T2 - Gasturbine mit Zwischenkühlung

Info

Publication number: DE69314697T2
Application number: DE69314697T
Authority: DE
Inventors: William Miller Farrell; Gary Lee Leonard
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1992-05-14
Filing date: 1993-05-13
Publication date: 1998-04-23
Anticipated expiration: 2013-05-14
Also published as: US5553448A; JPH0610703A; EP0570217B1; CA2093683C; JPH073181B2; DE69314697D1; CA2093683A1; EP0570217A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk mit verbesserter Ausgangsleistung und auf das Verfahren zum Erzielen der verbesserten Ausgangsleistung.
Die Erfindung ist auf Gasturbinentriebwerke des Typs gerichtet, der einen Niederdruck-Verdichter, einen Hochdruck-Verdichter stromabwärts von dem Niederdruck-Verdichter, eine Brennkammer stromabwärts von dem Hochdruck-Verdichter, eine Hochdruck-Turbine stromabwärts von der Brennkammer und eine Niederdruck-Turbine stromabwärts von der Hochdruck-Turbine aufweist. Die Standard-Konfiguration für Triebwerke dieses Typs ist eine konzentrische Doppelwellenkonfiguration, bei der die Hochdruck-Turbine den Hochdruck-Verdichter durch eine erste Welle antreibt und die Niederdruck-Turbine den Niederdruck-Verdichter durch eine zweite Welle antreibt. Kommerziell erhältliche Systeme dieses Typs sind im allgemeinen weitestgehend optimiert, so daß die Luft- und Leistungsströme durch die Verdichter und Turbinen eng aneinander angepaßt sind. Beispielsweise liefert die Hochdruck-Turbine im allgemeinen genau die erforderliche Leistung, um den Hochdruck- Verdichter anzutreiben. In ähnlicher Weise liefert die Niederdruck-Turbine die erforderliche Leistung, um den Niederdruck-Verdichter anzutreiben, wobei die verbleibende Leistung in der Niederdruck-Turbine auf nutzbare Arbeit gerichtet ist, d.h. zum Antreiben einer Last.
In einem Ausführungsbeispiel eines derartigen Gasturbinen triebwerks ist die Niederdruck-Turbine direkt mit dem Niederdruck-Verdichter und direkt mit der Last verbunden. Ein Beispiel eines derartigen Triebwerks wird von General Electric in Evendale, Ohio, unter der Bezeichnung LM 6000 gefertigt. In einem anderen Ausführungsbeispiel von einem Gasturbinen triebwerk dieses Typs, auf den die Erfindung gerichtet ist, ist die Niederdruck-Turbine nur mit dem Niederdruck-Verdichter verbunden, und eine getrennte Arbeitsturbine, die stromabwärts von der Niederdruck-Turbine angeordnet ist, ist mit der Last verbunden. Ein Beispiel von einem derartigen Triebwerk wird von der General Elektric Company in Evendale, Ohio, unter der Bezeichnung LM 5000 gefertigt.
Ein Weg, um die Ausgangsleistung derartiger Triebwerke zu erhöhen, würde darin bestehen, einfach mehr Brennstoff zu verbrennen. Dieses Verfahren allein würde jedoch zur Folge haben, daß das System bei höheren Drehzahlen und bei höheren Temperaturen läuft als denjenigen, für die es ausgelegt war, init dem Ergebnis, daß die Lebensdauer für die Kraftanlage verkürzt wird. Nimmt man eine bestehende und optimierte Gasturbine von einem der beiden oben beschriebenen Typen und fügt einen Zwischenkühler zwischen den Niederdruck- und Hochdruck-Verdichtern hinzu, würde das Problem als solches nicht gelöst. Diese Zwischenkühlung würde eine Verkleinerung in den Leistungserfordernissen für den Hochdruck-Verdichter bewirken, aber die Hochdruck-Turbine würde nicht länger bei ihrem vorgesehenen Druckverhältnis arbeiten und ihre Leistungsfähigkeit würde verschlechtert sein. Zusätzlich würde das in die Niederdruck-Turbine eintretende Gas zu heiß sein und einen zu hohen Druck haben, was eine Strömungsfunktionsänderung erfordert und die kann ihrerseits eine verkürzte Lebensdauer und eine schlechte Leistungsfähigkeit der Niederdruck- Turbine zur Folge haben.
US-A-2 755 621 beschreibt eine Gasturbineninstallation, die eine Brennkammer, eine einen Verdichter antreibende Turbine, einen dadurch angetriebenen Verdichter und eine getrennte Leistungsausgangsturbine, wobei der Auslaß aus der den Verdichter antreibenden Turbine durch einen Kanal mit dem Einlaß von der Ausgangsturbine verbunden ist, ein Umschaltventil in dem Kanal, einen weiteren Kanal, der mit dem Ventil verbunden ist und einen Bypass zu der Ausgangs-turbine bildet, und eine Einrichtung in dem weiteren Kanal aufweist, die eine Öffnung bzw. Blende mit vorbestimmter Querschnittsfläche bildet, wodurch, wenn das Umschaltventil in der einen Stellung ist, das Gas in der normalen Art und Weise durch die Ausgangsturbine strömt, während, wenn das Ventil in der anderen Stellung ist, das Gas von der Ausgangsturbine abgesperrt ist und durch die Öffnung bzw. Blende strömt, um so im wesentlichen den gleichen Druckabfall zu erzeugen wie derjenige, der über der Ausgangsturbine unter den gleichen Bedingungen von Masseströmung und Einlaßtemperatur erzeugt wird.
US-A-2 575 683 beschreibt eine Kraftanlage, die eine Gasturbine mit einer Abgasleitung und einen Verstärkerkanal um die Abgasleitung herum, eine erste Verdichterstufe, eine zweite Verdichterstufe, einen Luftkanal zwischen den Verdichtern und diese direkt verbindend, einen Zwischenkühler, der über dem Kanal angeordnet ist zum Absorbieren von Wärme aus der verdichteten Luft, die von der ersten Verdichterstufe zur zweiten Verdichterstufe strömt, einen Kanal zum Leiten von atmosphärischer Luft zu dem Verstärkerkanal, einen Radiator in dem Verstärkerkanal, um in der Bahn der atmosphärischen Luft zu sein, ein System zum Umwälzen eines Kühlmediums durch den Zwischenkühler und Radiator und eine thermostatische Einrichtung, die gegenüber der Temperatur der verdichteten Luft an der stromabwärtigen Seite des Zwischenkühlers empfindlich ist zum Regulieren der Strömung des Kühlmediums durch den Radiator.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Gasturbinentriebwerk mit verbesserter Ausgangsleistung und ein Verfahren zum Erzielen der verbesserten Ausgangsleistung zu schaffen.
Gemäß der Erfindung wird ein Gasturbinentriebwerk mit den Merkmalen geschaffen, die in Anspruch 1 angegeben sind.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Umwandeln eines nicht-zwischengekühlten Turbinentriebwerks in ein zwischengekühltes Triebwerk gemäß Anspruch 9 geschaffen.
Auf diese Weise strömt eine Luftströmung aus dem Niederdruck- Verdichter durch einen Zwischenkühler, um den Leistungsbedarf des Hochdruck-Verdichters um etwa den Leistungsbetrag zu verkleinem, der zum Betrieb des Niederdruck-Verdichters erforderlich ist. Die Temperatur der zwischengekühlten Strömung wird in der Brennkammer so erhöht, daß die Hochdruck- Turbine eine Ausgangsleistung hat, die zum Betrieb beider Verdichter ausreichend ist. Die Leistung der Niederdruck-Turbine wird an die Last angepaßt, die von dem Gasturbinentriebwerk angetrieben wird.
Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß die Ausgangsleistung von Triebwerken des beschriebenen Typs durch Verdichtungs-Zwischenkühlung in Kombination mit einer Erhöhung der Last an der Hochdruck-Turbine in signifikanter Weise vergrößert werden kann. Wenn, mit anderen Worten, die Leistungserfordernisse des Hochdruck-Verdichters durch Zwischenkühlung um einen Betrag verkleinert werden, der nahe bei den Leistungserfordernissen des Niederdruck-Verdichters liegt, dann kann die Hochdruck-Turbine (deren Durchströmung durch zusätzlichen Brennstoff in der Brennkammer etwa auf Auslegungstemperatur zurückgebracht worden ist) verwendet werden, um beide Verdichter anzutreiben.
Der Niederdruck-Verdichter ist im allgemeinen so ausgelegt, daß er bei einer kleineren Drehzahl als der Hochdruck-Verdichter läuft. Wenn dies der Fall ist, kann der Verdichter zwischen etwa 1/5 und etwa 4/5 der Drehzahl des Hochdruck-Verdichters laufen. In vielen Fällen läuft der Niederdruck- Verdichter bei einer Drehzahl von etwa 1/3 bis etwa 1/2 von derjenigen des Hochdruck-Verdichters. Somit ist der Niederdruck-Verdichter so ausgelegt, daß er langsamer läuft als der Hochdruck-Verdichter, wobei das Drehzahluntersetzungsgetriebe in dem Antriebszug zwischen dem Hochdruck-Verdichter und dem Niederdruck-Verdichter vorgesehen ist. Aufgrund des oben beschriebenen Sachverhaltes ist die Niederdruck-Turbine nicht länger erforderlich, um den Niederdruck-Verdichter anzutreiben, und kann von diesem getrennt werden. Dementsprechend kann die gesamte Ausgangsgröße der Niederdruck-Turbine verwendet werden, um die angeschlossene Last oder durch eine Arbeitsturbine, wenn diese vorhanden ist, anzutreiben. Da weiterhin die Kühlluft zur Hochdruck-Turbine kälter sein wird, kann die Temperatur der Strömung aus der Brennkammer zu der Hochdruckturbine erhöht werden, um den Wirkungsgrad des Triebwerks und seine Ausgangsleistung zu vergrößern.
Auf diese Weise ist es möglich, ein kommerziell verfügbares, mehrere Wellen aufweisendes Gasturbinentriebwerk zu nehmen und es in einer einfachen und kosteneffektiven Weise zwischenzukühlen und deshalb die erhöhte Ausgangsleistung und den Wirkungsgrad von einem zwischengekühlten Triebwerk zu erreichen. Weiterhin können Verbesserungen in der Ausgangsleistung von etwa 20 % bis etwa 40 % oder mehr erreicht werden, ohne daß größere Änderungen in dem aerodynamischen Design des Triebwerkes oder Änderungen in der Kern-Hardware gemacht werden, die eine kostspielige Entwicklung und zeitraubende Prüfungen zur Folge haben würden. Die Ausführung der Erfindung würde nicht nur den Bau von neuen Triebwerken mit verbesserter Ausgangsleistung ermöglichen, die eine Überlegenheit von Produktionsteilen ausnutzen, sondern auch die Umwandlung von Triebwerken im Feld, um eine größere Ausgangsleistung zu erreichen.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine schematische Darstellung von einem bekannten Ausführungsbeispiel des Gasturbinentriebwerks des Typs ist, mit dem die Erfindung in Beziehung steht;
Figur 2 eine schematische Darstellung von dem Triebwerk gemäß Figur 1 nach einer Modifikation gemäß den Lehren der Erfindung ist;
Figur 3 eine Triebwerkszyklusdarstellung für die Triebwerke gemäß den Figuren 1 und 2 ist;
Figur 4 eine schematische Darstellung von einem anderen bekannten Ausführungsbeispiel eines Gasturbinentriebwerkes ist, mit dem die Erfindung in Beziehung steht;
Figur 5 eine schematische Darstellung von dem Triebwerk gemäß Figur 4 ist, das gemäß den Lehren der Erfindung modifiziert ist;
Figur 6 eine vereinfachte Darstellung von dem Gasturbinentriebwerk gemäß Figur 5 ist.
Es wird zunächst auf Figur 1 bezug genommen, die schematisch ein Beispiel von einem bekannten Gasturbinentriebwerk darstellt, wie beispielsweise das oben genannte LM 5000, das allgemein mit 1 bezeichnet ist. Das Triebwerk 1 ist von dem oben genannten Typ und weist einen Niederdruck-Verdichter 2 und einen Hochdruck-Verdichter 3, eine Brennkammer 4, eine Hochdruck-Turbine 5, eine Niederdruck-Turbine 6 und eine Arbeitsturbine 7 auf. Es sei bemerkt, daß die Niederdruck-Turbine 6 antriebsmäßig mit dem Niederdruck-Verdichter 2 durch eine Welle 8 verbunden ist. In ähnlicher Weise ist die Hochdruck-Turbine 5 antriebsmäßig mit dem Hochdruck-Verdichter 3 durch eine konzentrische Welle 9 verbunden. Die Arbeitsturbine 7 ist mit einer Last (nicht gezeigt) durch eine Welle 10 verbunden.
Die Luftströmung zu dem Niederdruck-Verdichter 2 ist durch einen Pfeil 11 dargestellt. In ähnlicher Weise ist die Luftströmung von dem Niederdruck-Verdichter 2 zu dem Hochdruck- Verdichter 3 durch einen Pfeil 12 dargestellt. Die Strömung von dem Hochdruck-Verdichter 3 zu der Brennkammer 4 ist durch einen Pfeil 13 dargestellt, und die Strömung von der Brennkammer 4 zu der Hochdruck-Turbine 5 ist durch einen Pfeil 14 dargestellt. Die Strömung von der Hochdruck-Turbine 5 zu der Niederdruck-Turbine 6 ist durch einen Pfeil 15 dargestellt, während die Strömung von der Niederdruck-Turbine 6 zur Arbeitsturbine 7 durch einen Pfeil 16 dargestellt ist. Die Strömung aus der Arbeitsturbine 7 ist zur Atmosphäre oder anderswohin entlüftet, wie es durch einen Pfeil 17 angegeben ist.
In einem Ausführungsbeispiel eines Gasturbinentriebwerks des in Figur 1 dargestellten Typs kann der Niederdruck-Verdichter etwa 11 MW (etwa 15.000 PS) erfordern. Der Hochdruck-Verdichter kann etwa 48 MW (etwa 65.000 PS) erfordern. Die Hochdruck-Turbine 5, die anstriebsmäßig mit dem Hochdruck- Verdichter 3 verbunden ist, kann etwa 48 MW (etwa 65.000 PS) erzeugen. Die Niederdruck-Turbine 6, die mit dem Niederdruck- Verdichter 2 verbunden ist, erzeugt etwa 11 MW (etwa 15.000 PS). Schließlich erzeugt die Arbeitsturbine etwa 34 MW (etwa 45.000 PS) für nutzbare Arbeit (d.h. die Last). Es sei daran erinnert, daß kommerziell erhältliche Systeme des in Figur 1 dargestellten Typs im allgemeinen weitestgehend optimiert sind, so daß die Luft- und Leistungsströme durch die Verdichter und Turbinen eng angepaßt sind, wie es beschrieben wurde.
Figur 2 stellt ein Gasturbinentriebwerk, allgemein mit 1a bezeichnet, dar, das dem Triebwerk 1 gemäß Figur 1 ähnlich ist, aber gemäß den Lehren der Erfindung modifiziert ist. Gleichen Teilen wurden gleiche Bezugszahlen gegeben. In Figur 2 sind der Niederdruck-Verdichter 2, der Hochdruck-Verdichter 3, die Brennkammer 4, die Hochdruck-Turbine 5, die Niederdruck-Turbine 6 und die Arbeitsturbine 7 mit ihrer Welle 10 gezeigt. In diesem Fall ist jedoch die Welle 9, die die Hochdruck-Turbine 5 mit dem Hochdruck-Verdichter 3 verbindet, weiterhin mit der Eingangswelle 18 von einem Drehzahluntersetzungs-Getriebegehäuse 19 verbunden. Das Drehzahluntersetzungs-Getriebegehäuse 19 hat eine Ausgangswelle 20, die mit der Welle 21 des Niederdruck-Verdichters 2 verbunden ist.
Die Auswahl eines geeigneten Getriebes liegt gut innerhalb des Könnens von einem Durchschnittsfachmann. Die Wahl hängt von der gewünschten Drehrichtung, der Orientierung der gewünschten Eingangs-Ausgangs-Wellen in Verbindung mit der Drehzahl und der erforderlichen Ausgangsleistung ab. Wenn diese Parameter bekannt sind, stehen für diesen Zweck geeignete Drehzahluntersetzungsgetriebe kommerziell zur Verfügung. Beispielsweise könnte das Doppeluntersetzungsgetriebe, das von The Cincinnati Gear Company in Cincinnati, Ohio, unter der Bezeichnung TG56 gefertigt wird, verwendet werden, wenn dies zweckmäßig ist. Wiederum stellt der Typ des Getriebes keine Einschränkung dar. Es würde sogar möglich sein, ein Getriebe zu verwenden, bei dem seine Eingangs- und Ausgangswellen in einem Winkel in bezug zueinander angeordnet sind, falls die Anordnung der Triebwerksteile dies erfordern sollte.
Es sei darauf hingewiesen, daß gemäß Figur 2 die Luftströmung 12a von dem Niederdruck-Verdichter 2 zu dem Hochdruck-Verdichter 3 durch einen Zwischenkühler hindurchtritt, der allgemein mit 22 bezeichnet ist. Bei einer kälteren Luftströmung zu dem Hochdruck-Verdichter ist die erforderliche Leistung, um die Luft um das gleiche Druckverhältnis zu komprimieren, verkleinert. Die Luftströmung 13 von dem Hochdruck-Verdichter zur Brennkammer 4 hat eine gesenkte Temperatur. Durch die Verwendung von mehr Brennstoff in der Brennkammer 4 wird ihre Ausgangsströmung 14 etwa auf die Auslegungstemperatur erhöht. Da die Masseströmung und der Druck im wesentlich konstant geblieben sind, liefert die Hochdruck-Turbine eine Ausgangsleistung, die angenähert gleich derjenigen der Hochdruck-Turbine gemäß Figur 1 ist, d.h. etwa 48 MW (65.000 PS). In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die von dem Hochdruck-Verdichter 3 geforderte Leistung nun etwa 37 MW (50.000 PS) im Gegensatz zu den etwa 48 MW (65.000 PS), die von dem Hochdruck-Verdichter gemäß Figur 1 gefordert wird. Dies stellt einen Leistungsabfall von etwa 11 MW (15.000 PS) dar, der etwa gleich dem Leistungsbedarf des Niederdruck-Verdichters 2 ist. Infolgedessen kann die Hochdruck-Turbine 5 nun dazu verwendet werden, sowohl den Niederdruck-Verdichter 2 als auch den Hochdruck-Verdichter 3 anzutreiben, wobei das Drehzahluntersetzungs-Getriebegehäuse 19 in dem Antriebszug angeordnet ist.
Da die Niederdruck-Turbine 6 nicht länger notwendig ist, um den Niederdruck-Verdichter 2 anzutreiben, kann sie nun davon getrennt werden. Die Niederdruck-Turbine 6 kann tatsächlich physikalisch mit der Arbeitsturbine 7 verbunden werden. Die Ausgangsgröße der Niederdruck-Turbine 6 von etwa 11 MW (15.000 PS) kann zu der Ausgangsleistung der Arbeitsturbine von etwa 34 MW (45.000 PS) hinzuaddiert werden, um eine Gesamtleistung von etwa 45 MW (60.000 PS) für den Antrieb der Last zu liefern.
Es wird nun auf das Triebwerkszyklusdiagramm gemäß Figur 3 bezug genommen, wo der Standard-Brayton-Zyklus des in Figur 1 dargestellten Triebwerks zusammen mit dem zwischengekühlten Zyklus des Triebwerks gemäß Figur 2 dargestellt ist. In dem Triebwerkszyklusdiagramm gemäß Figur 3 ist die Temperatur (T) über der Entropie (S) aufgetragen. In dem Diagramm sind drei Linien konstanten Druckes mit P&sub0;, P&sub1; und P&sub2; bezeichnet. P&sub0; gibt den atmosphärischen Druck an. P&sub1; gibt den Druck des Strömungsmittels an, das aus dem Niederdruck-Verdichter 2 austritt. P&sub2; gibt den Druck des Strömungsmittels an, das aus dem Hochdruck-Verdichter 3 austritt.
Der Standardzyklus des Triebwerks gemäß Figur 1 ist in Figur 3 in ausgezogenen Linien gezeigt. Luft tritt in den Niederdruck-Verdichter (LPC von Low Pressure Compressor) 2 am Punkt A ein, der Atmosphärendruck und Umgebungstemperatur festlegt. Die Luft wird auf einen Druck P&sub1; mit einem daraus resultierenden Temperaturanstieg ΔT-LPC verdichtet, wie es durch den Punkt B angegeben ist. Die Luft strömt dann durch den Hochdruck-Verdichter (HPC von High Pressure Compressor) 3 und erreicht den Ausgangsdruck P&sub2; des Hochdruck-Verdichters mit einem Temperaturanstieg ΔT-HPC, wie es am Punkt C angegeben ist. Wie für den Fachmann bekannt ist, ist die Temperaturänderung in dem Niederdruck-Verdichter zwischen den Punkten A und B etwa proportional zu der Leistung, die von dem Niederdruck-Verdichter 2 gefordert wird, und kann als repräsentativ dafür betrachtet werden. In ähnlicher Weise ist der Temperaturanstieg in dem Hochdruck-Verdichter 3, der durch die Linie B-C dargestellt ist, proportional zu der von dem Hochdruck Verdichter 3 geforderten Leistung und kann als repräsentativ dafür betrachtet werden.
Am Punkt C tritt die Luft aus dem Hochdruck-Verdichter 3 in die Brennkammer 4 ein. Der Druck bleibt der gleiche, die Temperatur steigt auf den Punkt D an, der den Druck und die Temperatur der Strömung aus der Brennkammer darstellt.
Die Strömung aus der Brennkammer tritt in die Hochdruck-Turbine (HPT von High Pressure Turbine) 5 ein, und die Temperatur fällt auf den Punkt E. Dieser Temperaturabfall in der Hochdruck-Turbine, ΔT-HPT, ist repräsentativ für die Leistung, die durch die Hochdruck-Turbine erzeugt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die Leistung, die durch die Linie B-C dargestellt ist, etwa gleich der durch die Linie D-E dargestellten Leistung ist. Dies ist in Übereinstimmung mit Figur 1, in der die von der Hochdruck-Turbine 5 gelieferte Leistung etwa gleich der Leistung ist, die von dem Hochdruck-Verdichter 3 benötigt wird. Die Strömung von der Hochdruck-Turbine durch die Niederdruck-Turbine (LPT von Low Pressure Turbine) ist durch die Linie E-F dargestellt. Der Temperaturabfall über der Niederdruck-Turbine ΔT-LPT ist repräsentativ für die Leistung, die von der Niederdruck-Turbine geliefert wird. Es sei darauf hingewiesen, daß, wenn man nahezu gleiche spezifische Wärmen für die Luft und das Gas annimmt, die Linie E-F eine im wesentlichen identische Länge wie die Linie A-B hat. Dies ist in Übereinstimmung mit Figur 1, in der die Ausgangsleistung der Niederdruck-Turbine 6 im wesentlichen äquivalent zu der Leistung ist, die von dem Niederdruck-Verdichter 2 benötigt wird. Der verbleibende Temperaturabf all, der durch die Linie F-G dargestellt ist, stellt den Temperaturabfall durch die Arbeitsturbine (ΔT-PT) dar, d.h. die für die Welle 10 verbleibende Leistung.
Der zwischengekühlte Zyklus für das Triebwerk gemäß dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in Figur 3 in gestrichelten Linien dargestellt. Die durch den Niederdruck- Verdichter 2 hindurchtretende Luft erfährt einen Temperaturund Druckanstieg vom Punkt A zum Punkt B. ΔT-LPC (d.h. die Strecke A-B) stellt auch die Leistung dar, die von dem Niederdruck-Verdichter benötigt wird, die die gleiche ist wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1. Die Strömung aus dem Niederdruck-Verdichter 2 gemäß Figur 2 tritt durch den Zwischenkühler 22 hindurch, was einen Temperaturverlust zur Folge hat, der durch die gestrichelte Linie B-B' entlang der Drucklinie P&sub1; dargestellt ist. Von dem Zwischenkühler (IC von intercooler) 22 tritt die Strömung durch den Hochdruck-Verdichter 3 mit einer Temperaturänderung von (ΔT-HPC-IC) zum Punkt C' hindurch. Somit ist die Strömung kälter, und die Leistung B-C', die für den Hochdruck-Verdichter 3 erforderlich ist, ist kleiner als die Leistung B-C des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1. Dies ist in Übereinstimmung mit Figur 2, worin die Leistung, die für den Hochdruck-Verdichter 3 erforderlich ist, 37 MW (50.000 PS) beträgt, was im Gegensatz steht zu den 48 MW (65.000 PS), die von dem Hochdruck-Verdichter 3 gemäß Figur 1 benötigt werden.
Die Strömung aus dem Hochdruck-Verdichter 3 gemäß Figur 2 strömt durch die Brennkammer 4, wo die Temperatur vom Punkt C' zu dem Punkt D in Figur 3 angehoben wird. Es ist ein Extra-Brennstoff erforderlich, um die Extra-Temperatur zu erreichen, die durch C'-C dargestellt ist. Wenn Masseströmung, Druck und Temperatur am Auslegungspunkt D sind, ist der Temperaturverlust durch die Hochdruck-Turbine wieder durch die Strecke D-E dargestellt. Somit ist die von der Hochdruck-Turbine erzeugte Leistung die gleiche wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1. Es ist jedoch sofort zu bemerken, daß die Länge der Linie D-E aus zwei Segmenten D-E' und E'-E zusammengesetzt ist. D-E' ist, in Leistungsdarstellung, äquivalent zu der Länge B'-C' und stellt diejenige Größe der Ausgangsleistung der Hochdruck-Turbine 5 dar, die zum Betrieb des Hochdruck-Verdichters 3 verwendet wird. E'-E ist äquivalent zu der Länge A-B und stellt diejenige Größe der Ausgangsleistung der Hochdruck-Turbine 5 dar, die zum Betrieb des Niederdruck-Verdichters 2 verwendet wird. Somit ist in dem Triebwerk la mit Zwischenkühlung gemäß Figur 2 die Ausgangsleistung der Hochdruck-Turbine 5 ausreichend, um sowohl den Hochdruck-Verdichter 3 als auch den Niederdruck-Verdichter 2 anzutreiben, wobei das Drehzahluntersetzungsgetriebe 19 die gewünschte Drehzahl des Niederdruck-Verdichters 2 sicherstellt. Die Strömung aus der Hochdruck-Turbine durch die Niederdruck-Turbine durchläuft einen Temperaturabfall, der der gleiche ist wie der Temperaturverlust in dem nicht-zwischengekühlten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 (ΔT-LPT) und der wiederum durch die Linie E-F dargestellt ist. In ähnlicher Weise ist der Temperaturabf all durch die Arbeitsturbine der gleiche wie der Temperaturabfall (ΔT-PT) in der nicht-zwischengekühlten Version und ist durch die Linie F-G dargestellt. Deshalb bleiben die Ausgangsleistungen der Niederdruck-Turbine 6 und der Arbeitsturbine 7 unverändert. Da aber die Ausgangsleistung der Niederdruck-Turbine 6 nicht länger erforderlich ist, um den Niederdruck-Verdichter 2 anzutreiben, kann sie zu der Ausgangsleistung der Arbeitsturbine 7 hinzuaddiert werden. Infolgedessen ist die Ausgangsleistung des zwischengekühlten Gasturbinentriebwerks gemäß Figur 2 etwa 33 % größer als diejenige des nicht-zwischengekühlten Triebwerks gemäß Figur 1.
Für den Fachmann ist klar, daß die in dem Diagramm gemäß Figur 3 dargestellten Triebwerkszyklen perfekte Zyklen sind, die schlechte Wirkungen und Verluste und die Änderungen in diesen Ineffizienzen und Verlusten, wenn sich die Zyklusparameter ändern, nicht berücksichtigen. Die Differenzen in den Ineffizienzen und Verlusten können auf einfache Weise kompensiert werden durch Einstellungen verschiedener Elemente und Funktionen des Triebwerkes. Beispielsweise kann eine Winkeleinstellung der Einlaßführungsschaufeln (nicht gezeigt) in bezug auf den Niederdruck-Verdichter 2 und den Hochdruck-Verdichter 3 vorgenommen werden. In ähnlicher Weise können Winkeleinstellungen in den Einlaßdüsen (nicht gezeigt) der Hochdruck-Turbine 5 und der Niederdruck-Turbine 6 gemacht werden. Eine Einstellung der Drehzahl des Niederdruck-Verdichters 2 kann durch das Drehzahluntersetzungsgetriebe 19 und seine geeignete Auswahl vorgenommen werden. Die Größe der Zwischenkühlung kann gesteuert werden, wie auch die Größe der zusätzlichen Erwärmung in der Brennkammer 4. Diese und andere Einstellungen sind für den Fachmann bekannt und werden nicht nur vorgenommen, um Änderungen in den Verlusten und Ineffizienzen zu kompensieren, sondern auch um die maximale Ausgangsleistung ohne Überschreiten der Auslegungsgrenzen der Triebwerksteile zu erreichen. Keine dieser Einstellungen würde ein kostspieliges oder zeitraubendes Prüfen erfordern.
Die Ausgangsluft des Hochdruck-Verdichters bei C' ist von etwa 47ºC (100ºF) bis etwa 150ºC (300ºF) kälter als die Ausgangsluft des Hochdruck-Verdichters in dem nicht-zwischengekühlten Ausführungsbeispiel (dargestellt durch Punkt c). Die Ausgangsluft des Hochdruck-Verdichters bildet die Quelle für den größten Teil der Kühlluft für die Hochdruck-Turbine, mit dem Ergebnis, daß die eine hohe Temperatur aufweisenden Teile der Hochdruck-Turbine kälter sein werden. Dies gibt die Möglichkeit, die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer zu vergrößern, um die Einlaßtemperatur der Hochdruck-Turbine (Punkt D) um einen Betrag zu erhöhen, der einem Betrag entspricht, der das Ein- oder Zweifache der Größe ist, um die die Kühlluft gekühlt worden ist, und trotzdem werden die Teile der Hochdruck-Turbine auf Auslegungstemperatur gehalten. Diese Erhöhung in der Zyklusgrundtemperatur führt zu einer weiteren Erhöhung in der Ausgangsleistung und Effizienz des Triebwerkes.
Figur 4 stellt das zweite grundlegende Ausführungsbeispiel des Gasturbinentriebwerkes dar, das in dem einleitenden Abschnitt dieser Beschreibung erläutert wurde und das dem oben erwähnten Triebwerkstyp LM 6000 ähnlich ist. Das LM 6000 ist fur einen Antrieb aus seinem kalten oder heißen Ende geeignet. In dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Triebwerk für einen Antrieb aus seinem heißen Ende gezeigt. Das Triebwerk, das allgemein mit 23 bezeichnet ist, enthält einen Niederdruck-Verdichter 24, einen Hochdruck-Verdichter 25, eine Hochdruck-Turbine 26 und eine Niederdruck- Turbine 27. Das Triebwerk 23 ist mit einer Brennkammer 28 versehen. Die Hochdruck-Turbine 26 ist antriebsmäßig durch eine Welle 29 direkt mit dem Hochdruck-Verdichter 25 verbunden. In ähnlicher Weise ist die Niederdruck-Turbine 27 antriebsmäßig mit dem Niederdruck-Verdichter 24 durch eine konzentrische Welle 30 und mit der Last durch eine Welle 37 verbunden. Die Strömung durch das Triebwerk ist durch Pfeile 31,32,33,34,35 und 36 dargestellt. Ein kommerziell erhältliches Triebwerk des in Figur 4 dargestellten Typs ist im allgemeinen weitestgehend optimiert, wie es oben angegeben wurde. Zu diesem Zweck kann in einem Ausführungsbeispiel der Hochdruck-Verdichter 25 einen Leistungsbedarf von etwa 56 MW (75.000 PS) haben. Die Ausgangsleistung der Hochdruck-Turbine 26 wird ebenfalls etwa 56 MW (75.000 PS) betragen. Der Niederdruck-Verdichter 24 wird etwa 11 MW (15.000 PS) benötigen, und die Niederdruck-Turbine 27 wird eine Ausgangsleistung von etwa 52 MW (70.000 PS) haben. 11 MW (15.000 PS) von diesen 52 MW (70.000 PS) werden zum Antrieb des Niederdruck-Verdichters 24 verwendet. Die verbleibenden 41 MW (55.000 PS) der Niederdruck-Turbine 27 können für nutzbare Arbeit verwendet werden (d.h. zum Antrieb einer geeigneten Last).
Figur 5 stellt ein zwischengekühltes Ausführungsbeispiel des Gasturbinentriebwerks gemäß Figur 4 dar. In Fig. 5 ist das Gasturbinentriebwerk allgemein mit 23a bezeichnet. Denjenigen Teilen, die den entsprechenden Teilen des Ausführungsbeispiels in Figur 4 ähnlich sind, sind die gleichen Bezugszahlen gegeben.
Die Hauptunterschiede zwischen dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 und dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 können wie folgt angegeben werden. Als erstes tritt die Strömung von dem Niederdruck-Verdichter 24 zu dem Hochdruck-Verdichter 25, wie es durch den Pfeil 32a angegeben ist, durch einen Zwischenkühler hindurch, der allgemein mit 38 bezeichnet ist. Weiterhin wird deutlich, daß die Welle 30, die die Niederdruck-Turbine 27 und den Niederdruck-Verdichter 24 miteinander verbindet, eliminiert worden ist. Schließlich ist die Welle 29a, die die Hochdruck-Turbine 26 und den Hochdruck-Verdichter 25 miteinander verbindet, zusätzlich operativ und antriebsmäßig mit dem Niederdruck-Verdichter 24 verbunden. Zu diesem Zweck ist die Welle 29a mit der Eingangswelle 39 von einem Drehzahluntersetzungs-Getriebegehäuse 40 verbunden. Die Ausgangswelle 41 des Drehzahluntersetzungsgetriebes ist mit einer Welle 42 von dem Niederdruck-Verdichter 24 verbunden.
Die Triebwerke gemäß den Figuren 4 und 5 haben Triebwerkszyklen, die denjenigen recht ähnlich sind, die in dem Diagramm gemäß Figur 3 dargestellt sind. In einer idealen Situation bleibt der Leistungsbedarf des Niederdruck-Verdichters 24 bei etwa 11 MW (15.000 PS). Die Zwischenkühlung der Strömung zum Hochdruck-Verdichter 25 senkt seinen Leistungsbedarf von etwa 56 MW (75.000 PS) auf etwa 45 MW (60.000 PS), eine Senkung von etwa 11 MW (15.000 PS) (d.h. äquivalent zu der Größe des Leistungsbedarfes des Niederdruck-Verdichters 24). Zusätzlicher Brennstoff in der Brennkammer bewirkt, daß die in die Brennkammer eintretende gekühlte Luft mit etwa ihrer Auslegungstemperatur austritt, und unter der Annahme, daß keine Änderung in der Massenströmung oder dem Druck auftritt, wird die Hochdruck-Turbine 26 etwa die gleiche Ausgangsleistung haben wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 (d.h. etwa 56 MW (75.000 PS)), was äquivalent zu den kombinierten Leistungserfordernissen des Hochdruck-Verdichters 25 und des Niederdruck-Verdichters 24 ist. Die Niederdruck-Turbine 27 wird eine Ausgangsleistung haben, die äquivalent zu derjenigen des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 4 ist (d.h. 52 MW (70.000 PS)). In diesem Fall muß jedoch ein Teil von dieser Ausgangsleistung nicht mehr zum Antreiben des Niederdruck- Verdichters 24 verwendet werden, mit dem Ergebnis, daß die volle Ausgangsleistung von 52 MW (70.000 PS) der Niederdruck- Turbine 27 zur Welle 37 und Last gerichtet werden kann.
Wenn das Triebwerk gemäß Figur 5 vollständig eingestellt und optimiert ist, können sich die oben angegebenen Leistungsangaben etwas ändern. Beispielsweise kann der Leistungsbedarf des Niederdruck-Verdichters 24 etwa 15 MW (20.000 PS) betragen. Der Leistungsbedarf des Hochdruck-Verdichters 25 wird etwa 45 MW (60.000 PS) betragen, und die Ausgangsleistung der Hochdruck-Turbine 26 kann etwa 60 MW (80.000 PS) betragen. Die Ausgangsleistung der Niederdruck-Turbine 27 (die auch als die Arbeitsturbine dient) wird auf etwa 52 MW (70.000 PS) ansteigen.
Figur 6 ist ein vereinfachte Darstellung von einem Gasturbinentriebwerk des in Figur 5 schematisch dargestellten Typs. In Figur 6 ist der Niederdruck-Verdichter 24 mit seiner Welle 42 gezeigt. Das Drehzahluntersetzungs-Getriebegehäuse 40 ist so dargestellt, daß seine Ausgangswelle 41 mit der Welle 42 des Niederdruck-Verdichters 24 durch zwei flexible Kopplungen 43 und 44 verbunden ist. Die Eingangswelle 39 des Drehzahluntersetzungs-Getriebegehäuses 40 ist so gezeigt, daß sie mit der Welle 29a des Hochdruck-Verdichters 25 durch zwei flexible Kopplungen 45 und 46 verbunden ist. Die Kopplungspaare 43-44 und 45-46 haben im allgemeinen jeweils die Form von einer einheitlichen, zweiendigen Struktur. Die Ausgangsluftströmung des Niederdruck-Verdichters 24 ist mit dem Eingang von dem Hochdruck-Verdichter 25 über einen Kanal 47 verbunden, der einen Wärmetauscher 48 enthält. Der Kanal 47 und der Wärmetauscher 48 bilden ein Beispiel von einem Zwischenkühler 38. Es kann jede geeignete Zwischenkühleinrichtung verwendet werden.
Figur 6 stellt die Brennkammer 28, die Hochdruck-Turbine 26, die Niederdruck-Turbine 27 und ihre Ausgangswelle 37 dar.
Die Einlaßführungsschaufeln von dem Niederdruck-Verdichter 24 sind bei 49 dargestellt. Die Einlaßführungsschaufeln für den Hochdruck-Verdichter 25 sind bei 50 dargestellt. Einlaßdüsen für die Hochdruck-Turbine 26 sind bei 51 gezeigt, und Einlaßführungsschaufeln für die Niederdruck-Turbine 27 sind bei 52 gezeigt.
Figur 6 könnte auch als eine Darstellung des Gasturbinentriebwerks gemäß Figur 2 verstanden werden. Der Hauptunterschied würde in der Tatsache liegen, daß die in Figur 6 bei 27 angegebene Turbine als die Kombination der Niederdruck Turbine 6 und der Arbeitsturbine 7 verstanden werden sollte.

Claims

1. Gasturbinentriebwerk (1a, 23a) enthaltend einen Niederdruck-Verdichter (2, 24); einen Hochdruck-Verdichter (3, 25), eine Brennkammer (4, 28), die stromabwärts von dem Hochdruck- Verdichter in direkter Strömungsverbindung damit angeordnet ist; eine Hochdruck-Turbine (5, 26), die stromabwärts von der Brennkammer angeordnet und mit dem Hochdruck-Verdichter durch eine erste Welle (9, 29a) verbunden ist; und eine Niederdruck-Turbine (6, 27), die stromabwärts von der Hochdruck- Turbine in Strömungsverbindung damit angeordnet ist; ein Drehzahluntersetzungs-Getriebegehäuse (19, 40), das zwischen dem Hochdruck-Verdichter (3, 25) und dem Niederdruck-Verdichter (2, 24) verbunden ist zum Antrieb des letzteren bei einer kleineren Drehzahl als derjenigen des Hochdruck-Verdichters (3, 25); und einen Zwischenkühler (22, 38), der in Strömungsverbindung zwischen dem Niederdruck-Verdichter und dem Hochdruck-Verdichter angeordnet ist, zum Kühlen verdichteter Luft (12a, 32a), die von dem Niederdruck-Verdichter (2, 24) abgegeben und an den Hochdruck-Verdichter geliefert wird, um die für den Hochdruck-Verdichter erforderliche Leistung relativ zu derjenigen zu verkleinern, die beim Fehlen des Zwischenkühlers erforderlich ist; wobei die Hochdruck-Turbine dazu dient, ausreichend Leistung zu erzeugen, um sowohl den Hochdruck-Verdichter als auch den Niederdruck-Verdichter anzutreiben, wobei die in der Niederdruck-Turbine (6, 27) entwikkelte Leistung zum Antrieb einer Last verfügbar ist.

2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebegehäuse Eingangs- und Ausgangswellen (39, 41) hat, die mit dem Hochdruck-Verdichter und dem Niederdruck-Verdichter auf entsprechende Weise durch eine flexible Kopplung (43- 44, 45-46) verbunden sind.

3. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruck-Verdichter und der Hochdruck-Verdichter vielstufige Axialverdichter sind.

4. Triebwerk nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Einlaßführungsschaufeln (49) für den Niederdruck-Verdichter, Einlaßführungsschaufeln (50) für den Hochdruck-Verdichter, eine Einlaßdüse (51) für die Hochdruck-Turbine und eine Einlaßdüse (52) für die Niederdruck-Turbine, wobei alle Winkelorientierungen haben, um maximale Ausgangsleistung von dem zwischengekühlten Gasturbinentriebwerk zu erzielen, ohne daß dessen Auslegungsgrenzen uberschritten werden.

5. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruck-Turbine (27) direkt mit einer Ausgangswelle (37) verbunden ist, um eine Last anzutreiben.

6. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenkühler einen Kanal (47) zwischen den Niederdruck- und Hochdruck-Verdichtern und einen Wärmetauscher (48) in dem Kanal aufweist.

7. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehzahluntersetzungs-Getriebegehäuse bewirkt, daß der Niederdruck-Verdichter mit von etwa 1/5 bis etwa 4/5 der Drehzahl des Hochdruck-Verdichters umläuft.

8. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehzahluntersetzungs-Getriebegehäuse bewirkt, daß der Niederdruck-Verdichter mit von etwa 1/3 bis etwa 1/2 der Drehzahl des Hochdruck-Verdichters umläuft.

9. Verfahren zum Umwandeln eines nicht-zwischengekühlten Gasturbinentriebwerks (1), das für einen spezifizierten nicht-zwischengekühlten Brayton-Triebwerkszyklus ausgelegt ist, in ein zwischengekühltes Gasturbinentriebwerk (1a), das einen zwischengekühlten Brayton-Triebwerkszyklus zum Vergrößern der Ausgangsleistung aufweist, wobei das nicht-zwischengekühlte Triebwerk enthält: einen Niederdruck-Verdichter (2); einen Hochdruck-Verdichter (3), der stromabwärts von dem Niederdruck-Verdichter angeordnet ist; eine Brennkammer (4), die stromabwärts von dem Hochdruck-Verdichter in direkter Strömungsverbindung damit angeordnet ist; eine Hochdruck-Turbine (5), die stromabwärts von der Brennkammer angeordnet und mit dem Hochdruck-Verdichter durch eine erste Welle (9) verbunden ist; eine Niederdruck-Turbine (6), die stromabwärts von der Hochdruck-Turbine in Strömungsverbindung damit angeordnet und mit dem Niederdruck-Verdichter durch eine zweite Welle (8) verbunden ist, wobei das Verfahren enthält: Eliminieren der zweiten Welle (8) zwischen dem Niederdruck-Verdichter und der Niederdruck-Turbine; Verbinden des Niederdruck-Verdichters mit dem Hochdruck-Verdichter durch ein Drehzahluntersetzungs- Getriebegehäuse (19) zum Antreiben des Niederdruck-Verdichters mit einer kleineren Drehzahl als derjenigen des Hochdruck-Verdichters; Bereitstellen eines Zwischenkühlers (22) in Strömungsverbindung zwischen dem Niederdruck-Verdichter und dem Hochdruck-Verdichter zum Kühlen verdichteter Luft, die von dem Niederdruck-Verdichter abgegeben und an den Hochdruck-Verdichter geliefert wird, um die für den Hochdruck- Verdichter erforderliche Leistung zu verkleinern; und Einstellen des Heizvermögens der Brennkammer durch zusätzlichen Brennstoff und wobei die Hochdruck-Turbine wirksam ist zum Erzeugen etwa der gleichen Leistung wie in dem nicht-zwischengekühlten Zyklus und zum Antreiben sowohl des Hochdruck- Verdichters als auch des Niederdruck-Verdichters an dem Auslegungspunkt, wobei die in der Niederdruck-Turbine entwikkelte Leistung zum Antreiben einer Last verfügbar ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Einlaßtemperatur der Hochdruck-Turbine um einen Betrag erhöht wird, der wenigsten dem Betrag entspricht, um den der Zwischenkühler die verdichtete Luft kühlt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das nicht-zwischengekühlte Gas turbinentriebwerk ferner Einlaßführungsschaufeln (49) für den Niederdruck-Verdichter, Einlaßführungsschaufeln (50) für den Hochdruck-Verdichter, eine Einlaßdüse (51) für die Hochdruck-Turbine und eine Einlaßdüse (52) für die Niederdruck-Turbine aufweist, und wobei das Verfahren ferner enthält, daß Winkeleinstellungen in den Einlaßführungsschaufeln des Niederdruck-Verdichters und des Hochdruck-Verdichters und in den Einlaßdüsen der Hochdruck-Tur bine und der Niederdruck-Turbine bereitgestellt werden, um eine maximale Ausgangsleistung aus dem zwischengekühlten Gasturbinentriebwerk zu erzielen, ohne daß deren Auslegungsgrenzen überschritten werden.

12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, enthaltend den Schritt, daß die Niederdruck-Turbine direkt mit der Last verbunden wird.

13. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, wobei das nicht-zwischengekühlte Gasturbinentriebwerk von dem Typ ist, der eine getrennte Arbeitsturbine stromabwärts von der Niederdruck- Turbine und direkt mit der Last verbunden aufweist, und den Schritt enthält, daß die Niederdruck-Turbine direkt mit der Arbeitsturbine verbunden wird zum gemeinsamen Antreiben der Last.