DE69933362T2

DE69933362T2 - Wassereinspritzdüsen für eine gasturbine

Info

Publication number: DE69933362T2
Application number: DE69933362T
Authority: DE
Inventors: Stephen Rex Fairfield PAYLING; Paul Robert Fairfield COLEMAN; Lee Curtis Cincinnati BROWN
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-07-24
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2019-07-23
Also published as: TR200000777T1; BR9906627A; DE69921336T2; DE69933362D1; WO2000008326A9; ES2274654T3; US6553753B1; CA2306487A1; JP2002522705A; BR9912403A; NO20001525D0; ATE340923T1; AU767021B2; BR9906626A; CA2303316A1; ES2230914T3; TR200001047T1; NO20001525L; WO2000009875A3; EP1062415B1

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft ganz allgemein Gasturbinentriebwerke und insbesondere eine Wassereinspritzung vor dem Aufladegebläse und vor dem Verdichter in einem Gasturbinentriebwerk.
Gasturbinentriebwerke enthalten gewöhnlich einen Verdichter zum Verdichten eines Arbeitsfluids, z.B. Luft. Die verdichtete Luft wird in eine Brennkammer injiziert, die das Fluid erwärmt, was eine Expansion desselben bewirkt, und das expandierte Fluid wird durch eine Turbine gedrückt. Der Verdichter enthält gewöhnlich einen Niederdruckverdichter und einen Hockdruckverdichter.
Die Ausgangsleistung bekannter Gasturbinentriebwerke kann durch die gelegentlich als Temperatur "73" bezeichnete Temperatur des Arbeitsfluids am Ausgang des Hockdruckverdichters und durch die gelegentlich als Temperatur "T41" bezeichnete Temperatur des Arbeitsfluids im Brennkammerauslass beschränkt sein. Um sowohl die T3- als auch die T41-Temperatur zu reduzieren, ist die Verwendung eines in den Fluidströmungspfad zwischen dem Niederdruckverdichter und dem Hockdruckverdichter positionierten Zwischenkühlers bekannt. Im Dauerbetrieb entzieht der Zwischenkühler Wärme aus der in dem Niederdruckverdichter komprimierten Luft, was sowohl die Temperatur als auch das Volumen der in den Hockdruckverdichter eintretenden Luft reduziert. Diese Temperaturreduzierung senkt sowohl die T3- als auch die T41-Temperatur. Durch eine Steigerung der Strömung durch den Verdichter lässt sich daher eine gesteigerte Leistungsabgabe erzielen.
Typischerweise zirkuliert kühles Wasser oder Luft durch den Zwischenkühler, und es wird Wärme von dem Luftstrom auf das kühle Wasser bzw. die Luft übertragen. Das Wasser bzw. die Luft absorbiert die Wärme und das erwärmte Wasser bzw. die Luft wird anschließend abgeführt. Ein Abführen des erwärmten Wassers bzw. der Luft führt zu Verlusten im Gesamtwirkungsgrad des thermischen Zyklus. Ein Zwischenkühler dient daher zwar einer Steigerung der Leistungsabgabe, reduziert jedoch den thermischen Wirkungsgrad des Triebwerks. Im Zusammenhang mit der Abnahme von Luft, der tatsächlichen Kühlung jener Luft und der Kanalisierung der gekühlten Luft zu dem Verdichter führt der Zwischenkühler außerdem Druckverluste ein. Darüber hinaus ist es im Falle eines Zwischenkühlers praktisch undurchführbar, eine zusätzlich Zwischenstufenkühlung vorzusehen.
In Zusammenhang mit zumindest einigen bekannten Zwischenkühlern wird das erwärmte Wasser mittels eines Wasserkühlers abgeführt, der das erwärmte Wasser durch einen Kühlturm als Dampf in die Umgebung vergeudet. Selbstverständlich wirft die Abgabe von Dampf in die Umgebung Umweltprobleme auf. Weiter benötigen derartige Zwischenkühler eine beträchtliche Menge Wasser, und ein solcher hoher Wasserverbrauch steigert die Betriebskosten.
Es besteht Bedarf eine teilweise gesteigerte Leistungsabgabe zu ermöglichen, wie sie mit Zwischenkühlern erreicht wird, jedoch dabei im Vergleich zu mindestens bekannten Zwischenkühlern einen verbesserten thermischen Wirkungsgrad zu schaffen. Weiter wäre es erwünscht, auch für Einzelrotorgasturbinen eine Steigerung der Leistungsabgabe zu ermöglichen.
Ein verbessertes Verhältnis von Temperatur und Leistungsabgabe wurde durch die EP-A-0 781 909, die U5-A-4 101 073, die U5-A-5 525 268 und die GB-A-1 093 682 erreicht, die, zwar Wassereinspritzung aufweisen, jedoch mit dem Nachteil verbunden sind, dass sie nicht in der Lage sind, die erforderliche Gleichmäßigkeit von Temperaturreduzierungen zur Verfügung zu stellen, die für eine volle Realisierung erforderlich ist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung ist ein Gasturbinentriebwerk mit einem Hockdruckverdichter geschaffen, der ein Außengehäuse und eine Düsenkonfiguration zum Einspritzen von Wasser in den Gasströmungspfad des Gasturbinentriebwerks aufweist, wobei die Düsenkonfiguration mehrere an dem Außengehäuse befestigte Düsen aufweist, wovon jede Düse aufweist: einen Kopf mit einer Lufteinlassdüse und einer Wassereinlassdüse; einen Schaft, durch den Luft und Wasser aus der Lufteinlassdüse und der Wassereinlassdüse strömen; ein Rohr, das sich von dem Schaft aus erstreckt und ein offenes Ende aufweist, wobei die Düsen dafür konfiguriert sind, Wasser in den Gasstrom des Turbinentriebwerks einzuspritzen, um im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturreduzierungen in radialer und Umfangsrichtung an einem Auslass des Gasturbinenhochdruckverdichters zu erzeugen, und in der die mehreren Düsen einen Satz langer Düsen und einen Satz kurzer Düsen aufweisen, wobei sich der Satz der langen Düsen über einen größeren radialen einwärts gerichteten Abstand von dem Außengehäuse in den Gasströmungspfad als der Satz der kurzen Düsen erstreckt, und wobei sich wenigstens eine kurze Düse um den Umfang herum zwischen zwei um den Umfang herum angeordneten langen Düsen befindet.
Jede kurze Düse kann im Wesentlichen mit dem Umfang des Gasströmungspfades bündig sein, und die langen Düsen können sich radial etwa 10,2 cm (4 Zoll) in den Gasströmungspfad hinein erstrecken.
Die Düsen können stromaufwärts von dem Hochdruckverdichter so positioniert sein, dass in den Gasströmungspfad durch die Düsen eingespritztes Wasser zu einer im Wesentlichen gleichmäßigen Reduzierung der Temperatur der Gasströmung an dem Hochdruckverdichterauslass führt.
Das Triebwerk kann ferner einen Niederdruckverdichter enthalten, wobei die Düsen stromaufwärts des Niederdruckverdichters angeordnet sind.
Die kurzen Düsen können so konfiguriert sein, dass eine Düsenachse gegenüber der Außengehäuseoberfläche senkrecht verläuft, und der Einspritzpunkt kann sich von der Außengehäuseoberfläche aus um etwa 0,51 cm (0,2 Zoll) radial weiter innen befinden.
In einem Gasturbinentriebwerk kann das Verhältnis des Wasserstroms durch die kurzen Düsen zu dem Wasserstrom durch die langen Düsen etwa 50:50 betragen.
Die Gasturbine kann einen Temperatursensor enthalten, um die Temperatur an einem Einlass des Hockdruckverdichters abzunehmen, wobei der Sensor abstromseitig von einer der langen Düsen fluchtend angeordnet ist.
Jede der Düsen weist ferner einen Befestigungsflansch zur Befestigung an dem Triebwerksgehäuse auf.
Der Düsenschaft kann auf einem äußeren tubulären Rohr und einem in dem äußeren Rohr angeordneten inneren tubulären Rohr basieren.
Durch einen Ringspalt zwischen dem äußere Düsenkanal und dem inneren Düsenkanal kann Luft strömen, und durch den inneren Düsenkanal kann Wasser strömen.
Die Luft und das Wasser können sich in dem von dem Düsenschaft weg erstreckenden Düsenkanal mischen.
Im Betrieb strömt durch den Niederdruckverdichter Luft, und es wird von dem Niederdruckverdichter her zu dem Hockdruckverdichter verdichtete Luft zugeführt. Darüber hinaus wird dem Einlass des Hockdruckverdichters ein Wassersprühstrahl zugeführt, und der Wassersprühstrahl tritt durch den Einlass in den Hockdruckverdichter ein. Aufgrund der Hochtemperaturumgebung an dem Ort, an dem der Wassersprühstrahl eingespritzt wird, verdunstet dieser teilweise vor seinem Eintreten in den Hockdruckverdichter. Der Wassersprühstrahl kühlt den Luftstrom in dem Hockdruckverdichter wenigstens für jede Verdichtungsstufe, durch die ein solcher Sprühstrahl strömt, d.h. bis er verdunstet ist. Gewöhnlich, und abhängig von der Wassermenge, ist der Hauptteil des Wassersprühstrahls etwa bei Erreichen der mittleren Stufen des Hockdruckverdichters verdampft.
Die Luft und der Wasserdampf werden durch den Hockdruckverdichter weiter verdichtet, und die hochverdichtete Luft wird der Brennkammer zugeführt. Der Luftstrom aus der Brennkammer treibt die Hochdruckturbine, die Niederdruckturbine und die Leistungsturbine an. Die Abwärme wird durch Dampferzeuger aufgefangen, und es kann Wärme aus dem Dampferzeuger in Form von Dampf zu stromaufwärts angeordneten Komponenten geliefert werden.
Der Wassersprühstrahl ermöglicht insofern einen Vorteil, als die Temperatur des Luftstroms an dem Auslass des Hockdruckverdichters (Temperatur T3) und die Temperatur des Luftstroms an dem Auslass der Brennkammer (Temperatur T41) im Dauerbetrieb im Vergleich zu ohne Einsatz des Sprühstrahls auftretenden Temperaturen reduziert sind. Insbesondere entzieht der Wassersprühstrahl der in und durch den Hockdruckverdichter strömenden heißen Luft Wärme, und durch die Abfuhr dieser Wärme aus dem Luftstrom werden die T3- und T41-Temperaturen reduziert und die Druck-PS-Leistung verringert. Die Wärme wird abgeführt während das Wasser verdampft/verdunstet. Ein Reduzieren der T3- und T41-Temperaturen ermöglicht den Vorteil, dass das Triebwerk nicht durch T3 und T41 beschränkt wird, und das Triebwerk daher mit höheren Ausgangsleistungspegeln arbeiten kann, als ohne einen solchen Wassersprühstrahl möglich. D.h., mit der oben beschriebenen Wassersprühstrahleinspritzung und unter Verwendung derselben Ausstoßtemperaturkontrollgrenze für den Hochdruckverdichter, ist der Hockdruckverdichter in der Lage, mehr Luft zu pumpen, mit der Folge eines höheren Druckverhältnisses und einer höheren Ausgangsleistung.
Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen eingehender beschrieben:
1 veranschaulicht schematisch ein Gasturbinentriebwerk mit Verdichterwassereinspritzung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 veranschaulicht schematisch das in 6 gezeigte Gasturbinentriebwerk, gekoppelt an einen elektrischen Generator;
3 zeigt in einer Seitenansicht ein LM6000 Triebwerk von General Electric Company, das modifiziert ist, um Sprühstrahleinspritzung aufzuweisen;
4 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht eine Verbindungsvorrichtung, die dazu dient, die in 3 gezeigte acht Stufen aufweisende Abzapfeinrichtung des Triebwerks an einen Luftverteiler anzuschließen;
5 veranschaulicht in einer geschnittenen Ansicht des in 3 gezeigten Triebwerks eine Düsenkonfiguration;
6 zeigt in einer Seitenansicht eine Düse;
7 zeigt eine Draufsicht auf die in 11 gezeigte Düse;
8 zeigt in einem Blockschaltbild einen Steuerschaltkreis zum Steuern der Zufuhr von Wasser und Luft zu den Düsen in dem in 8 gezeigten Triebwerk;
9 veranschaulicht in einer Grafik einen exemplarischen Wasserplan für die in 8 veranschaulichte Triebwerksanordnung;
10 veranschaulicht in einer Grafik die Ausgangsleistung, Wärmerückgewinnung, Strömung und die dem in 8 veranschaulichten Triebwerk zugeführte Wasserrate bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen;
11 veranschaulicht in einer Grafik die Beziehung der Hochdruckturbinenhohlraumströmung gegenüber der korrigierten Hockdruckverdichterauslassgeschwindigkeit des in 8 veranschaulichten Triebwerks;
12 veranschaulicht in einer Tabelle die Ergebnisse für den Druck- und Luftzerstäuberdüsenbetrieb;
13 zeigt eine grafische Darstellung des Wasserstroms gegenüber der Verdunstung in dem Hochdruckverdichter; und
14 veranschaulicht in einer Tabelle den Einfluss der Düsenleistung auf die Verdunstung in dem Hockdruckverdichter.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden exemplarische Konfigurationen einer Wassersprühstrahleinspritzung gemäß vielfältiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Vorweg sollte es klar sein, dass zwar spezielle Durchführungen veranschaulicht und beschrieben sind, in der Praxis die Wassersprühstrahleinspritzung jedoch mittels vieler alternativer Konstruktionen und in vielfältigen Triebwerken durchgeführt werden kann. Darüber hinaus, und wie weiter unten detaillierter beschrieben, kann Wassersprühstrahleinspritzung an dem Einlass eines Hockdruckverdichters, an einem Einlass des Aufladegebläses oder an beiden Orten ausgeführt werden.
Die Wassersprühstrahleinspritzung ermöglicht viele der Vorteile der Zwischenkühlung, beseitigt jedoch einige Nachteile derselben. Beispielsweise, und im Zusammenhang mit Zwischenkühlung, wird das erwärmte Wasser (bzw. die Luft) abgeführt und eine Abfuhr eines solchen erwärmten Wassers (bzw. der Luft) reduziert den thermischen Wirkungsgrad des Zyklus und schafft Umweltprobleme. Die durch Zwischenkühlung gewöhnlich erzielte wesentliche Leistungssteigerung beseitigt die im Zusammenhang mit der Zwischenkühlung vorhandenen Nachteile, und demzufolge wird Zwischenkühlung oft eingesetzt, wenn unter Verwendung eines anderen oder größeren Luftstromaufladegebläses und einer größeren Hochdruckturbinenströmungsfunktion zusätzliche Leistung verlangt wird. Die Wassersprühstrahleinspritzung, wie sie nachstehend beschrieben ist, erreicht eine Leistungssteigerung, die möglicherweise etwas geringer ist als die in einem in ähnlicher Weise angeordneten Zwischenkühler erzielte maximale Leistungssteigerung. Allerdings wird im Falle von Wassersprühstrahleinspritzung wesentlich weniger Wasser eingesetzt, und das Wasser verlässt den Zyklus als Wasserdampf mit Auslassgastemperatur.
1 veranschaulicht schematisch ein Gasturbinentriebwerk 200 mit Verdichterwassereinspritzung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Triebwerk 200 enthält einen Niederdruckverdichter 202 und einen Hockdruckverdichter 204. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Niederdruckverdichter 202 ein fünf Stufen aufweisender Verdichter und der Hockdruckverdichter 204 ist ein vierzehn Stufen aufweisender Verdichter. Eine (nicht gezeigte) Brennkammer ist abstromseitig von dem Verdichter 204 angeordnet. Das Triebwerk 200 enthält ferner eine (nicht gezeigte) Hochdruckturbine und eine (nicht gezeigte) Niederdruckturbine. Die Hochdruckturbine ist eine zwei Stufen aufweisende Turbine und die Niederdruckturbine ist eine fünf Stufen aufweisende Turbine.
Das Triebwerk 200 enthält ferner eine Wassereinspritzvorrichtung 206 zum Einspritzen von Wasser in einen Einlass 208 des Hockdruckverdichters 204. Die Wassereinspritzvorrichtung 206 enthält ein mit einem Wasserverteiler 212 strömungsmäßig verbundenes Wassermessventil 210. Dem Messventil 210 wird aus einer Wasserquelle oder einem Behälter Wasser zugeführt. Einem Luftverteiler 213 wird aus einer acht Stufen aufweisenden Abzapfeinrichtung 214 des Hockdruckverdichters 204 Luft zugeführt. Die Abzapfeinrichtung 214 dient als ein Quelle für erwärmte Luft. Ein Wärmetauscher 216 ist an ein Strömungsrohr 218 angeschlossen, das sich von der acht Stufen aufweisenden Abzapfeinrichtung 214 zu dem Luftverteiler 213 erstreckt. Speiserohre 220 und 221 erstrecken sich von dem Luftverteiler 213 und dem Wasserverteiler 212 aus zu vierundzwanzig Sprühdüsen 222 und 223, die radial beabstandet sind und sich durch ein Außengehäuse 224 hindurch erstrecken. Die Düsen 222 sind gelegentlich im Vorliegenden als die kurzen Düsen 222 bezeichnet, und die Düsen 223 sind hier gelegentlich als die langen Düsen 223 bezeichnet. Die Düsen 222 und 223 sind wie weiter unten detaillierter beschrieben, um den Umfang des Gehäuses 224 in einer abwechselnden Anordnung radial beabstandet.
Von dem Wasserverteiler 212 aus erstrecken sich vierundzwanzig Wasserspeiserohre 221, und von dem Luftverteiler 213 ausgehend erstrecken sich vierundzwanzig Luftspeiserohre 220. Jede Düse 222 ist an ein von dem Wasserverteiler 212 ausgehendes Wasserspeiserohr 221 und an ein von dem Luftverteiler 213 ausgehendes Luftspeiserohr 220 angeschlossen. Im Allgemeinen wird das in Richtung jeder Düse 222 und 223 strömende Wasser mittels der unter hohem Druck (z.B. von etwa 1034 kPa (150 psi)) stehenden Luft zerstäubt, die von der achtstufigen Abzapfeinrichtung 214 des Hockdruckverdichters 204 abgenommen wird. In diesem Ausführungsbeispiel sollte der Tröpfchendurchmesser, bei etwa 20 μm gehalten werden. Ein solcher Tröpfchendurchmesser wird durch Steuerung der Geschwindigkeit des durch das Ventil 210 strömenden Wasserstroms mittels des weiter unten detaillierter beschriebenen Wasserplans und mittels der aus der Abzapfeinrichtung 214 stammenden unter hohem Druck stehenden Luft aufrecht erhalten. Abgesehen von der Wassersprühstrahleinspritzvorrichtung 206 sind die vielfältigen Komponenten des Triebwerks 200 aus dem Stand der Technik bekannt.
Im Betrieb wird das Triebwerk 200 bis zu dessen maximaler Leistungsabgabe ohne Sprühstrahleinspritzung betrieben, d.h. das Wasserventil 210 ist geschlossen. In diesem Betriebsmodus strömt Luft durch das Luftrohr 218 zu den Düsen 222 und 223. Die Luft wird durch den Wärmetauscher 216 gekühlt. Da dem Wasser der Weg durch das Ventil 210 versperrt ist, wird allerdings kein Wasser in den zu dem Hockdruckverdichter 204 führenden Strom eingespritzt.
Wenn die maximale Leistungsabgabe erreicht ist, wird die Wassereinspritzvorrichtung aktiviert, und Wasser strömt zu den Düsen 222 und 223. Der Wärmetauscher 216 bleibt in Betrieb, um die Temperatur der den Düsen 222 und 223 zugeführten Luft zu reduzieren.
Insbesondere wird die Temperatur des aus der achten Stufe der Abzapfeinrichtung 214 stammenden Luftstroms gewöhnlich etwa 316–343 °C (600–650 °F) betragen. Um die Differenz oder mangelnde Übereinstimmung der Temperatur der heißen Luft aus der Abzapfeinrichtung und derjenigen des Wassers aus dem Wasserbehälter zu reduzieren, wird die Lufttemperatur aus der achten Stufe der Abzapfeinrichtung 214 durch den Wärmetau scher 216 auf etwa 250 °F gesenkt, während der Druck der Luft bei etwa 150 psi gehalten wird. Durch Aufrechterhalten des Drucks bei etwa 1034 kPa (150 psi) weist die Luft einen ausreichenden Druck zum Zerstäuben des Wassers auf.
Die Düsen 222 und 223 spitzen an dem Einlass 208 des Hockdruckverdichters 204 (wie in 6 schematisch veranschaulicht) Wassersprühstrahlen 226 und 227 in den Strom ein, und diese treten durch den Einlass 208 in den Verdichter 204 ein. Aufgrund der Hochtemperaturumgebung an dem Einspritzort des Wassersprühstrahls verdunstet dieser teilweise vor seinem Eintreten in den Hockdruckverdichter 204. Der Wassersprühstrahl kühlt den Luftstrom in dem Hockdruckverdichter 204 für wenigstens jede Stufe des Verdichter 204, die ein solcher Sprühstrahl durchströmt, d.h. bis zu dessen Verdunstung. Für gewöhnlich ist der Wassersprühstrahl bei Erreichen der sechsten Stufe des Verdichters 204 völlig verdunstet. Die Luft wird durch den Hockdruckverdichter 204 weiter verdichtet, und die hochverdichtete Luft wird der Brennkammer zugeführt. Der Luftstrom aus der Brennkammer treibt die Hochdruckturbine und die Niederdruckturbine an.
Die Wasserpartikel aus der Wassersprühstrahleinspritzvorrichtung 206 ermöglichen den Vorteil, dass die Temperatur des Luftstroms an dem Auslass des Hockdruckverdichters 204 (Temperatur T3) und die Temperatur des Luftstroms an dem Auslass der Brennkammer (Temperatur T41) im Vergleich zu solchen Temperaturen, wie sie ohne den Sprühstrahl auftreten, reduziert sind. Insbesondere entzieht der Wassersprühstrahl Wärme aus der in und durch den Verdichter 204 strömenden heißen Luft, und die T3- und T41-Temperaturen werden durch den Entzug dieser Wärme aus dem Luftstrom zusammen mit der geforderten Verdichterleistung gesenkt.
Ein Reduzieren der T3- und T41-Temperaturen schafft den Vorteil, dass das Triebwerk 200 nicht durch T3 und T41 beschränkt ist, und das Triebwerk 200 kann daher durch Throttle-Pushing mit einem höheren Ausgangsleistungspegel arbeiten als dies ohne einen solchen Wassersprühstrahl möglich ist.
D.h., durch Einspritzen eines zerstäubten Wassersprühstrahls vor dem Hockdruckverdichter 204 wird die Einlasstemperatur des Hockdruckverdichters 204 erheblich reduziert. Folglich ist der Hockdruckverdichter 204 unter Verwendung derselben Verdichterausstoßtemperaturkontrollgrenze in der Lage, mehr Luft zu pumpen, wobei ein höheres Druckverhältnis erzielt wird. Daraus ergibt sich eine höhere Ausgangsleistung und ein verbesserter Wirkungsgrad. Zusätzlich zu der gesteigerten Leistungsabgabe schafft die Wassersprühstrahleinspritzung, wie sie oben beschrieben ist, den Vorteil eines geringeren Wasserverbrauchs im Vergleich zu einer unter denselben Bedingungen verwendeten Zwischenkühlung. Es sollte klar sein, dass die Triebwerksbeschränkungen mittels der Wassersprühstrahlkonfiguration möglicherweise nicht mehr auf Temperaturen wie der T3- und T41-Temperatur basieren, sondern beispielsweise eher durch die Turbineneinlasstemperatur T48 der Hochdruckturbine und durch die Kerngeschwindigkeit vorgegeben sind.
2 veranschaulicht schematisch das an einen elektrischen Generator 228 gekoppelte Gasturbinentriebwerk 200. Wie in 5 gezeigt, enthält das Triebwerk 200 abstromseitig des Hockdruckverdichters 204 eine Hochdruckturbine 230 und eine Niederdruckturbine 232. Der Hockdruckverdichter 204 und die Hochdruckturbine 230 sind über eine erste Welle 234 verbunden, und der Niederdruckverdichter 202 und die Niederdruckturbine sind über eine zweite Welle 236 verbunden. Die zweite Welle 236 ist ebenfalls an den Generator 228 angeschlossen. Das Triebwerk 200 kann beispielsweise das von General Electric Company, Cincinnati, Ohio, 45215, im Handel beziehbare Gasturbinentriebwerk LM6000 sein, das modifiziert ist, um die Wassersprühstrahleinspritzvorrichtung 206 (4) zu enthalten.
Anstelle einer Einbeziehung der Einspritzvorrichtung 206 in eine ursprüngliche Herstellung ist es möglich, die Einrichtung 206 in bestehenden Triebwerken nachzurüsten. Die Einspritzvorrichtung 206 würde in Form eines Baukastens angeboten, der die Verrohrung 218 und 220 zusammen mit dem Wasser- und Luftverteiler 212 und 213 und dem Wassermessventil 210 enthält.
Außerdem würden die Düsen 222 und 223 bereitgestellt. Wenn es erwünscht ist, Wassersprühstrahleinspritzung zu schaffen, werden die Düsen 222 und 223 in das Außengehäuse 224 eingebaut, und das Strömungsrohr 218 wird installiert und erstreckt sich von der achten Stufe der Abzapfeinrichtung 214 zu dem Luftverteiler 213. Das Ventil 210 wird zwischen eine Wasserquelle und den Wasserverteiler 212 eingefügt, und der Wasserverteiler 212 wird an den Luftverteiler 213 angeschlossen.
3 zeigt in einer Seitenansicht ein LM6000-Triebwerk 250 von General Electric Company, das modifiziert ist, um eine Sprühstrahleinspritzung zu enthalten. Das Triebwerk 250 weist einen Einlass 252, einen Niederdruckverdichter 254 und ein vorderes Gehäuse 256 und einen Hockdruckverdichter 258. Das Triebwerk 250 ist modifiziert, um die Wassersprühstrahleinspritzvorrichtung 260 zu enthalten, die einen Luftverteiler 262 und einen Wasserverteiler 264 enthält, der mit vier undzwanzig radial beabstandeten Düsen 266 verbunden ist, die an einem Außengehäuse 268 des Triebwerks befestigt sind. Die Düsen 266 sprühen an einer zwischen dem Niederdruckverdichter 254 und dem Hockdruckverdichter 258 befindlichen Stelle Wasser in das Triebwerk 250. Die Einspritzvorrichtung 260 enthält ferner eine Verbindungsvorrichtung 270 zum Anschließen an eine achtstufige Abzapfeinrichtung 272 des Hockdruckverdichters 258, und ein Rohr 274, das sich von der Verbindungsvorrichtung 270 aus zu dem Luftverteiler 262 erstreckt. Obwohl in 8 nicht gezeigt, kann an das Rohr 274 ein Wärmetauscher (Luft zu Luft oder Wasser zu Luft) angeschlossen sein, um die Temperatur der dem Luftverteiler 262 zugeführten Luft zu reduzieren. Zum Zweck der Veranschaulichung sind die Düsen 276 an dem Einlass 252 des Niederdruckverdichters 254 angebracht gezeigt. Die Luft- und Wasserverteiler könnten ebenso an die Düsen 276 angeschlossen sein, um die Wassersprühstrahleinspritzung vor dem Niederdruckverdichter vorzusehen. Die Komponenten der oben beschriebenen Einspritzvorrichtung 260 sind aus rostfreiem Stahl hergestellt.
Der Hockdruckverdichter 258 enthält Statorleitschaufeln, die gewöhnlich nicht mit dem Gehäuse 268 geerdet sind. Für den Fall einer mit Wassersprühstrahleinspritzung kombinierten Verwendung hat sich herausgestellt, dass des Erden zumindest eines Teils derjenigen Leitschaufeln, die mit dem Wassersprühstrahl in Berührung kommen, möglicherweise erforderlich ist. Solche Leitschaufeln können in dem erforderlichen Ausmaß und beispielsweise über Graphitfett an dem Gehäuse 268 geerdet sein. D.h., es kann Graphitfett auf die Lagerflächen solcher Leitschaufeln aufgetragen sein. Beispielsweise kann ein solches Graphitfett an der Einlassführungsschaufel und für jede stromabwärts gelegene Leitschaufel über die zweite Stufe hinweg verwendet werden. Im Betrieb wird ein Teil des Fettes heiß und entweicht, während das Graphit zurückbleibt, um einen Strompfad von der Leitschaufel zu dem Gehäuse 268 bereitzustellen.
Es sollte ferner klar sein, dass es möglicherweise nicht erforderlich ist, den Düsen hochkomprimierte Luft zuzuführen, falls den Wassersprühstrahleinspritzdüsen Wasser mit ausreichendem Druck zugeführt werden kann. Folglich wird in Erwägung gezogen, dass auf die achtstufige Abzapfeinrichtung verzichtet werden kann, falls Wasser unter hohem Druck verfügbar ist.
4 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht die Verbindungsvorrichtung 270, die dazu dient, die Abzapfeinrichtung 272 der achten Stufe mit dem Triebwerk 250 zu verbinden. Die Verbindungsvorrichtung 270 ist dazu eingerichtet, in ein Triebwerksgehäuse 268 eingeschraubt zu werden, und weist eine Öffnung 274 auf, die gewöhnlich durch eine Bolzenschraube 276 geschlossen ist. Wenn gewünscht ist, dem Luftverteiler 262 Zapfluft zuzuführen, wird die Bolzenschraube 276 entfernt und das Rohr 274 über einen am Ende des Rohrs 274 vorhandenen Passungsflansch, der zu der Oberfläche 278 der Verbindungsvorrichtung 270 passt, an die Verbindungsvorrichtung 270 angeschlossen. Die Bolzenschraubenöffnungen 280 ermöglichen ein Verschrauben des Rohrpassungsflansches mit der Verbindungsvorrichtung 270.
5 zeigt eine geschnittene Ansicht des Triebwerks 250 und veranschaulicht die Düsen 266. Die Düsen 266 sind geeignet konfiguriert, so dass Wasser, das in den zu dem Hockdruckverdichter 258 strömenden Gasstrom eingespritzt wird, an dem Auslass des Hockdruckverdichters 258 in radialer und in Umfangsrichtung im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturredu zierungen hervorruft. Die Düsen 266 beinhalten einen Satz 282 von langen Düsen und einen Satz 284 von kurzen Düsen. In der in 10 gezeigten Konfiguration ist an einem radial intermediären Ort zwischen zwei radial fluchtenden langen Düsen 282 wenigstens eine kurze Düse 284 angeordnet. Kurze Düsen 284 schließen im Wesentlichen mit dem Umfang des Strömungspfads bündig ab, und die langen Düsen 282 erstrecken sich um etwa vier Zoll in den Strömungspfad hinein. Selbstverständlich können abhängig von dem gewünschten Betriebsergebnissen Düsen anderer Längen verwendet werden. In einer speziellen Durchführung erstreckt sich die Düse 284 um etwa 1,107 cm (0,436 Zoll) in den Strömungspfad hinein, und die Düse 282 erstreckt sich um 9,362 cm (3,686 Zoll) in den Strömungspfad hinein. Das Wasserverhältnis zwischen den kurzen Düsen 284 und den langen Düsen 282 (z.B. 50:50) kann ebenfalls ausgewählt werden, um die resultierende Kodierung an dem Verdichterauslass zu steuern.
Der Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur an dem Einlass des Hockdruckverdichters (d.h. der Temperatur T25), ist mit einer langen Düse 282 fluchtend angeordnet. Durch fluchtendes Ausrichten eines solchen Temperatursensors mit einer langen Düse 282 wird ein präziserer Temperaturmesswert erlangt als durch fluchtendes Ausrichten eines solchen Sensors mit einer kurzen Düse 284.
6 und 7 veranschaulichen eine der Düsen 266. Die langen und kurzen Düsen 282 und 284 unterscheiden sich lediglich durch ihre Länge. Die Düse 266 weist einen Kopf 286 mit einer Luftdüse 288 und einer Wasserdüse 290 auf. Die Luftdüse 288 ist mit einem (nicht gezeigten) Luftrohr verbunden, das sich von der Düse 288 zu dem Luftverteiler 262 erstreckt. Die Wasserdüse 290 ist an ein (nicht gezeigtes) Wasserrohr ange schlossen, das sich von der Düse 290 zu dem Wasserverteiler 264 erstreckt. Die Düse 266 weist ferner einen Schaft 292 und einen Befestigungsflansch 294 zum Befestigen der Düse 266 an dem Gehäuse 262 auf. Ein Befestigungsabschnitt 296 des Schafts 292 vereinfacht die Montage der Düse 266 an dem Gehäuse 262.
Der Schaft 292 wird durch ein äußeres tubuläres Rohr 298 und ein in dem Rohr 298 angeordnetes inneres tubuläres Rohr 300 gebildet. Luft strömt in die Düse 288 und durch den zwischen dem äußeren Rohr 298 und dem inneren Rohr 300 vorhandenen Ringspalt. Wasser strömt in die Düse 290 und durch das innere Rohr 300. in dem durch ein einziges Rohr 304 gebildeten Schaftabschnitt 302 findet eine Vermischung von Luft und Wasser statt. Ein Ende 306 der Düse 266 ist offen, so dass das Wasser-Luft-Gemisch in der Lage ist, aus dem Ende 306 heraus und in den Strömungspfad hinein zu strömen.
8 zeigt in einem Blockschaltbild einen Steuerschaltkreis 350, der dazu dient, die Zufuhr von Wasser und Luft zu den Düsen 282 und 284 in dem Triebwerk 250 sowohl für eine Gehäusewassereinspritzung (Draufsicht von hinten) als auch für eine Einlasswassereinspritzung (Draufsicht von hinten) zu steuern. Wie in 8 gezeigt, wird durch eine mittels eines Motors angetriebene Wasserpumpe 352 vollentsalztes Wasser gepumpt. An die Wasserzufuhrleitung sind Sensoren 354 angeschlossen, beispielsweise ein linear variabler Differentialtransformator, ein Drucksensor und ein Wassermessventil. Ein Entlastungsventil 356 ist mit der Pumpe 352 strömungsmäßig parallel geschaltet, und eine Strömungsmesseinrichtung 358 ist mit der Pumpe 352 in Reihe geschaltet. Ferner ist eine Luftreinigungsleitung 360 an die Wasserzufuhrleitung angeschlossen. Bedienungselemente 362 für ein im Ruhezustand ge schlossenes elektromagnetisches Ventil kontrollieren 364 Luftreinigungsvorgänge. Weiter ist ein Filter 366 in der Wasserzufuhrleitung vorgesehen, und Sensoren 368 mit Ventilen 370 (manuell zu bedienendes Handventil-Sperrzustandsanzeigemerkmal (im Ruhezustand offen)) sind parallel mit dem Filter 366 geschaltet.
Mit Steuerelementen 374 verbundene, im Ruhezustand offene Ventile 372 sind dazu vorgesehen, eine Abfuhr von Wasser aus der Wasserzufuhrleitung in ein Wasserabfuhrsystem zu erlauben. Das Wasser in der Wasserzufuhrleitung strömt durch einen Wärmetauscher 376, der Luft von der achtstufigen Abzapfeinrichtung des Hockdruckverdichters 258 aufnimmt.
Für die Gehäusewassereinspritzung steuern mehrere Sensoren 378 und Steuer-/Regelventile 380 die Zufuhr von Wasser zu den Düsen 282 und 284. Der Steuerschaltkreis 350 enthält außerdem einen Wasserspeicher 382. Für die Einlasswassereinspritzung steuern Sensoren 378 und ein Regelungsventil 384 die Zufuhr von Wasser zu den Düsen 282.
Alphabetische Bezeichnungen in 8 haben die folgenden Bedeutungen:

T: – Temperaturmessort
P: – Druckmessort
PI: – Druckanzeiger
N/C: – im Ruhezustand geschlossen
N/O: – im Ruhezustand offen
PDSW: – Druckgefälleschalter
PDI: – Druckgefälleanzeiger
DRN: – Abfuhröffnung
ZS: – Positionsschalter
WMV: – Wassermessventil
PRG: – Reinigung
LVDT: – linear variabler Differentialtransformator

In 8 stellt eine durchgezogene Linie eine Wasserspeiseleitung dar, eine doppelte gestrichelte Linie eine Ablassleitung, und eine durchgezogene Linie mit Markierungen bedeutet eine elektrische Leitung. Kästen kennzeichnen Schnittstellen zwischen dem Wasserspeisesystem und dem Triebwerk. Wassermessringventile 286 und sonstige Steuerungs-/Messventile 288 sowie eine Öffnung 290 (für Einlasswassereinspritzung) werden in Verbindung mit der Steuerung des Wasserstroms durch den Kreislauf 350 hindurch verwendet.
Im Folgenden werden die Bedienelemente für unterschiedliche Betriebsmodi des Schaltkreises 350 in Verbindung mit dem Triebwerk 250 erläutert. In der nachstehenden Beschreibung haben die Bezeichnungen Z-SPRINTON, Z-SPRINT und Z-RAISE die folgende Bedeutung.
Z-SPRINTON = Systemanbieteraktivierung/Sequenzsteuerung für triebwerksexterne H₂O-Lieferung.
Z-SPRINT = Kernsteuerlogikplanbegrenzungssequenz, die auf Wärmetauscherreinigung folgt, verwendet für Wassereinspritzung, Herunterfahren und Schutzfunktionen.
Z-RAISE = Z SPRINT plus dem Verteilerfüllungszeitgeber abgelaufen, verwendet für Alarmfunktionen – Weiter zeigt ein "*" an, dass die ausgewählte Variable abstimmbar ist.
Voreinspritzungsfreigabe/Reinigungsaktivierung (AUTOMATISCH oder MANUELL)

1. T2 > –1,1 °C (30 °F)* = EIN T2 < –2,8 °C (27 °F)* = AUS
2. Speicherfülldruck > 276 kPa (40 psi Überdruck)*
3. Anwender setzt Z SPRINTON auf WAHR Wärmeaustauscherreinigung auf Bypass initiiert
AUTO Zu jedem Zeitpunkt konsistent mit benötigter Reinigungszeit
MANUELL zum Zeitpunkt der Initialisierung der Wassereinspritzung
4. Ablassventile geschlossen

Einspritzungsfreigaben (Voreinspritzungsfreigaben 1–4 erfüllt)

1. PS3 345 kPa (50 psi)* oder weniger unterhalb Begrenzungsplan
2. T2-Regler nicht aktiv (nur MANUELL)
3. Luftdruck der achten Stufe > (PS3/4)
4. Wärmetauscherreinigungszeitgeber abgelaufen
5. Lufttemperatur der 8. Stufe geringer als 149 °C (300 °F)
6. Wassertemperatur geringer als 177 °C (250 °F*)

MANUELL-Modusequenz

1. Anwender stellt die Leistung so ein, dass obige Einspritzfreigaben 1–2 erfüllt sind, und setzt Z_SPRINTON = T (WAHR = EIN)
2. Wasserpumpe an und Wärmeaustauschspülventil auf Bypass (minimaler Wasserstrom).
3. Wasserwärmetauscherspülung reduziert Lufttemperatur der achten Stufe auf < 149 °C (300 °F) (Fünf Minuten *).
4. Z-SPRINT = T (WAHR = EIN) SPRINT Absperrventil öffnet sich (Wärmetauscherbypass zu Triebwerk umgeleitet), minimal geplanter Strom zu dem Triebwerk
5. Strom füllt den Verteiler mit minimal geplantem Wasserstrom für 60 Sekunden. Z-RAISE = T (WAHR = EIN)
6. Anwender steigert SPRINT-Strömung (0,5 gpmJs) bis maximal geplanten Pegel.
7. Anwender hebt Leistung auf das gewünschte oder wie durch MW, T3, T48, Ps3, XN25R3 oder XN25R beschränkte Niveau.
8. Leistung und Wasser wunschgemäß zwischen geplanten Grenzen gesenkt.
9. Bei PS3 414 kPa (60 psi) unter der Basisplangrenze wird Z-SPRINT = F gesetzt und SPRINT fällt (–2 gpm/s) bis zu minimal geplantem Fluss und schaltet ab.
10. Schalte Z-SPRINTON auf AUS (FALSCH = AUS) SPRINT Absperrventil aus leitet Wasser von Triebwerk zu Bypass um, Wasserpumpe aus, Wärmetauscherspülventil auf Bypass, öffnet die Systemabfuhröffnungen und reinigt die Verrohrung bis diese frei ist und schließt Abfuhröffnungen ab.

AUTO-Modus (Freigabe erfüllt)

1. Anwender setzt Z-SPRINTON rechtzeitig auf EIN (WAHR = EIN), um Wärmetauscherspülung vor SPRINT-Aktivierungsfreigaben zu erledigen.
2. Z-SPRINT = T wird automatisch bei Erreichen des Freigabepunkts beginnen.
3. SPRINT-Absperrventil öffnet sich (leitet von dem Bypass Wasser zu dem Triebwerk um)
4. Verteilerfüllung auf minimale Zeit (60 s* Verzögerung) Z-RAISE = T lässt Wasserstrom (0,5 gpmJsec) bis zu dem maximal geplanten Wert ansteigen.
5. Leistung steigt linear bis zu dem gewünschten und durch MW gegenüber T2-Begrenzer, T3, T48, Ps3, XN25R3 oder XN25R beschränkten Niveau.
6. Leistung wunschgemäß auf 414 kPa (60 psi)* unterhalb der Basisplangrenze (T_P3BNVG) gesenkt, bevor ein lineares Absinken von SPRINT (–2 gpmJsec) auf den minimalen Stromplan und ein Herunterfahren stattfindet.
7. Aktiviere Z-SPRINTON auf AUS (FALSCH = AUS) SPRINT-Absperrventil aus, Wärmetauscherspülventil auf Bypass, Wasserpumpe aus und öffne die Systemabfuhröffnungen und reinige Verrohrung bis diese frei ist.

Alarmsignalvoraussetzungen

Z-RAISE = WAHR (WAHR = EIN) Verteilerfüllungszeitgeber erfüllt und SPRINT strömt für ALARM.
- 1. Strömungsfehler (I-Bedarf – gemessen) > 3 gpm* für 5 Sekunden* – Alarm
- 2. Lufttemperatur der 8. Stufe > 121 °C (250 °F)* für 5 Sekunden* – Alarm

Voraussetzungen für Wasserabschaltung

Z-SPRINT = F initiiert Wasserabschaltung durch Kontrollgrenzen für lineares Absenken und aktiviert Wasserabschaltung.
- 1. Strömungsfehler (Bedarf – gemessen) > 6 gpm* für 10 s* – – setze Z-SPRINT = F
- 2. Druckabfall unter 165 kPa (24 psi)* bei Wasserbedarf > 6 gpm* – – setze Z-SPRINT = F
- 3. Druckabfall unter 345 kPa (50 psi)* bei Wasserbedarf > 10 gpm* – setze Z-SPRINT = F
- 4. Lufttemperatur der 8. Stufe größer als 149 °C (300 °F)* – – setze Z-SPRINT = F
- 5. Luftdruck der 8. Stufe < (PS3/4) – – setze Z-SPRINT = F
- 6. T2 < 27F – – setze Z SPRINT = F
- 7. PS3 nicht innerhalb von 414 kPa (60 psi)* des Ps3-Begrenzungsplans – – setze Z-SPRINT = F
- 8. Beliebiges Herunterfahren, Fallen der Last oder Ansetzen zum Leerlauf der Gasturbine – – setze Z-SPRINT = F (Steuerung des linearen Absinkens des Bypasswassers)
- 9. Stromunterbrecher nicht geschlossen – – setze Z-SPRINT = F (Steuerung des linearen Absinkens des Bypasswassers)

9 veranschaulicht in einer Grafik einen exemplarischen Wasserplan für die in 8 veranschaulichte Triebwerksanordnung. In dieser Liste kann °F mittels der folgenden Formel in °C umgerechnet werden: °C = (°F – 32)/9 × 5
10 veranschaulicht in einer Grafik die Ausgangsleistung, Wärmerückgewinnung, Strömung und die dem in 3 veranschaulichten Triebwerk zugeführte Wasserrate jeweils bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen. Die den Düsen zugeführte Menge von Wasser variiert beispielsweise in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und der Größe der gewünschten Tröpfchen. Es hat sich herausgestellt, dass in wenigstens einer Anwendung mit einer Tröpfchengröße von 20 μm die angemessenen Ergebnisse erzielt werden. Selbstverständlich beeinflussen die Betriebsparameter des Triebwerks, in dem Wassersprühstrahleinspritzung eingesetzt wird, die gewünschte Be triebsparameter und sonstige in der Fachwelt bekannte Faktoren das Maß der Wassersprühstrahleinspritzung.
11 veranschaulicht in einer Grafik die Beziehung der Hochdruckturbinenhohlraumströmung gegenüber der hinsichtlich des Hockdruckverdichterauslasses korrigierten Geschwindigkeit des in 3 veranschaulichten Triebwerks. Eine zusätzliche Triebwerkskontrollgrenze wird im Zusammenhang mit dem in 3 veranschaulichten Triebwerk eingesetzt, um zu verhindern, dass die Temperaturen des Innenraums der Hochdruckturbine aufgrund der Aufnahme der Luft aus dem Hochdruckturbinengaspfad zu sehr ansteigen. Die Hochdruckturbinenhohlräume werden mit Luft aus dem Hockdruckverdichter bei einem geeigneten Strömungs- und Druckpegel gekühlt, so dass immer ein positiver Luftstrom aus dem Innenraum in den Hochdruckturbinengaspfad hinein vorhanden ist, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Aufnahme eliminiert ist. Da ein Ziel der Wassereinspritzung in die Verdichterkomponenten darauf basiert, die Temperatur T3 zu senken, so dass das Triebwerk durch Drücken des Betriebshebels (Thottle-Push) werden kann, um die Leistung zu steigern, läuft das Hochdrucksystem rascher, als dies ohne die Wassereinspritzung der Fall wäre.
Allerdings ist die durch den Verdichter zur Kühlung der Turbinenhohlräume gelieferte parasitäre Luft reduziert. Die in 11 veranschaulichte Kurve zeigt die Beziehung des Hockdruckverdichterkühlluftstroms als Funktion der hinsichtlich der Hockdruckverdichterauslasstemperatur korrigierten Hockdruckverdichterdrehzahl.
Die hinsichtlich des Hockdruckverdichterauslasses korrigierte Temperatur ist definiert durch: physikalische Drehzahl des HP*
Quadratwurzel (Internationale Standard-Temperatur/Hockdruckverdichterauslasstemperatur), oder: XN25R3 = XN25·(TSTD/T3) 1/' mit TSTD = 15 °C (518,67°R (59°F)).
Wie in der in 11 veranschaulichten Kurve gezeigt, wird eine minimale Hochdruckturbinenhohlraumströmung benötigt, um zu gewährleisten, dass keine Aufnahme aus dem Hochdruckturbinenhohlraum stattfindet. Dieser Strömungspegel und seine Beziehung mit der hinsichtlich des Hockdruckverdichterauslasses korrigierten Geschwindigkeit definieren den Wert von XN25R3 hinsichtlich dessen das Triebwerk als eine maximale Grenze zu steuern/regeln ist.
Was die Tröpfchengröße betrifft, sollte bei jeder Strömungsrate eine minimale Tropfengröße erzeugt werden, so dass sowohl die Verweildauer für eine vollständige Verdunstung reduziert ist, als auch die Tropfengrößen ausreichend klein gehalten sind, um eine Erosion von Schaufeln zu vermeiden. Im Folgenden ist ein Weg zur Analyse der Tröpfchengröße erläutert. Insbesondere, und für eine vorbereitende Analyse, wird ein dreidimensionales Modell eines 30° Sektors des LM-6000 Aufladegebläsekanals eingesetzt, um die Geschwindigkeit und das Temperaturfeld in dem Kanal zu bestimmen. Vorausgesetzt wird, das keine Verwirbelung an dem Kanaleinlass besteht, und dass die Düsenenden in dem Außengehäuse an dem Einlass des Aufladegebläsekanals radial nach innen gerichtet angeordnet sind. Die Düsenachse verlief orthogonal zu der Außengehäuseoberfläche, und der Einspritzpunkt befand sich von der Gehäuseoberfläche ausgehend um etwa 0,508 cm (0,2 Zoll) radial weiter innen. Die durch die Düse erzeugten Tropfengrößenwerte wurden als die kleinsten Werte der durch Gleichung 1 vorgege benen RR-Tropfengröße angenommen. Weiter wurden zwei kleinere Werte (d.h. 10,5 pm und 7,5 Am) angenommen, um die Wirkung von Tropfengrößen zu ermitteln, die kleiner sind als jene, die gewöhnlich durch Luftzerstäuberdüsen erzeugt werden. Die Ergebnisse sind in 12 aufgelistet. Es wurde vorausgesetzt, dass 36 Düsen bei jeweils 0,5 GPM verwendet wurden, d.h. 3 pro 30°-Sektor.
Die Beziehung zwischen dem Wasserstrom an dem Einlass zu dem HP-Verdichter und der Stufe für vollständige Verdunstung ist in 13 gezeigt.
Die Daten in 13 können verwendet werden, um die ungefähre maximale Tropfengröße zu ermitteln, die an dem Einlass zu dem HP-Verdichter vorliegen muss, um die vollständige Verdunstung an der angezeigten Stufe zu ermöglichen. Außerdem sind in 13 die erhaltenen Tropfengrößen gezeigt. Diese Berechnung geht davon aus, dass die mittlere Tropfengröße, die anhand einer erneuten Mitnahme an benetzten Oberflächen erhalten wurde, mit derjenigen der abgeschiedenen Tropfen übereinstimmt. Aufgrund der ansteigenden Luftdichte und der kleineren Flüssigkeitsmenge, die in dem Verdichter vorhanden ist, werden die tatsächlichen Größen der von neuem mitgenommenen Tropfen kleiner sein als die in 13 gezeigten. Mittels Sprühdüsen kleinere Tropfen zu erzeugen als jene, die in dem Verdichter aufgrund einer erneuten Mitnahme erzeugt werden, erscheint zwar unnötig, ist es aber nicht, da der Bruchteil der Verdichtereinlassströmungsrate, der sich auf den HP- Einlassführungsschaufeln niederschlägt, um so kleiner ist, je kleiner die durch die Düse erzeugten Tropfen sind. Darüber hinaus ließ sich der Bruchteil benetzter Fläche bei Stufen, in denen Befeuchtung angezeigt war, nicht annähernd genau ermitteln. Es ist daher möglich, dass in dem – HP-Verdichter weniger Wasser vorhanden war, als durch die Temperaturen des 'nassen' Gehäuses impliziert wurde.
Der Ort für vollständige Verdunstung ist in 14 gezeigt. Aus den Daten geht hervor, dass bei einer vorgegebenen Stufe möglicherweise etwa 20 % mehr des eingespritzten Wassers verdunstet ist, als in der vorbereitenden Analyse berechnet.
Dieselben Düsenströmungsraten und anfänglichen Tropfengrößen, wie sie in 19 vorgegeben sind, wurden an dem Einlass des LP-Verdichters angeordnet, um den Ort der vollständigen Verdunstung in dem HP-Verdichter zu berechnen. Die durch die Düsen erzeugten kleineren Tropfengrößen bewirken, dass nur ein Bruchteil des Düsenstroms auf den Einlassführungsschaufeln des LP-Verdichters abgeschieden wird. Während der abgeschiedene Strom sich ebenso verhält, verdunstet der nicht abgeschiedene Teil in dem LP-Verdichter und Aufladegebläsekanal rascher.
Das Verfahren zur Berechnung der Verdunstung des anfänglich in dem LP-Verdichter abgeschiedenen Wassers stimmt mit dem zuvor erörterten überein. Die Verdunstung des tropfenförmigen Teils wurde mittels eines Modells berechnet, das den Ort der vollständigen Verdunstung der Tropfen bestimmt. Dieser Ort befand sich aufgrund der geringen Grenzgröße für den nicht abgeschiedenen Strom in dem LP-Verdichter. Mittels ei ner Bahnanalyse ergab sich für diese Grenzgröße an dem Einlass zu dem LP rechnerisch der Wert 13 Am.
Die Ergebnisse für die ersten vier Düsen in 14, wo nochmals anfänglich bei 0,5 GPM pro Düse insgesamt 18 GPM eingespritzt wird.
Als eine Kalibrierung für die Wirkung der Tropfengrenzgröße auf die anfängliche Abscheidung würde, falls eine Grenzgröße von 13 Am anstelle von 10 Am für die Düse 3 in 19 verwendet wird, eine vollständige Verdunstung bei der 11. Stufe anstelle der 9.–10. Stufe des HP-Verdichters (Hochdruckverdichters) stattfinden. Im Vergleich zu einer Einspritzung an dem Aufladegebläsekanaleinlass fällt die Verdunstung aufgrund eines Anstiegs der mittleren Tropfengröße in dem Aufladegebläsekanal bei Einspritzung an dem LP-Einlass (Niederdruckverdichtereinlass) in dem Aufladegebläsekanal etwas geringer aus, während eine Verdunstung in dem LP-Verdichter zu einer frühen Verdunstung in dem HP-Verdichter führt.
Hinsichtlich der Düsenwahl und der Leistung, setzt die Leistung ausgewählter Druck- und Luftzerstäuberdüsen und deren Wirkung auf die Verdunstung in dem HP-Verdichter Kenntnis über die zeitliche Verteilung der Tropfengrößen voraus, die durch die Düsen in der Umgebung hervorgebracht werden, in der sie eingesetzt werden sollen. Die zeitliche Verteilung der Größe muss bei der interessierende Luftdichte gemessen werden. Die räumliche Verteilung der Tropfengröße, der Anteil flüssigen Volumens und das Tropfengeschwindigkeitsprofil muss gemessen werden, um die zeitliche Tropfengröße zu berechnen.
Es kann ein Sprühtunnel verwendet werden, um die Leistung der Düsen zu messen. In einer exemplarischen Untersu chung wird der Tunnel mit bis zu 3,18kg/s (7 Pfund/s) Luft mit 3 Druckwerten beschickt, die ausreichen, um der Aufladegebläsekanalluftdichte von 2,08kg/m³ (0,13 Pfund/Fuß³) zu entsprechen. Die Luftgeschwindigkeit in dem Tunnel wurde von 1371,6 bis 2286 cm/s (45 bis 75 Fuß/s) variiert, um eine Gegenzirkulation des Sprühstrahls an dem äußeren Sprühstrahlrand zu eliminieren und den Sprühstrahldurchmesser ausreichend klein zu halten, um ein Auftreffen von Tropfen auf die Quarzfenster zu vermeiden. Die Lufttemperatur wurde unter 35 °C (95°F) gehalten, um auf eine Berücksichtigung der Verdunstung zwischen der Düse und den Messpositionen verzichten zu können.
Die radiale Verteilung der Tropfengeschwindigkeiten in der axialen Richtung wird anhand der Messung der Luftgeschwindigkeiten der entsprechenden Zerstäuberluftströmungsraten, jedoch ohne Wasserstrom, gewonnen. Die radialen Werte der RR-Tropfengröße werden mit den radialen Werten des Anteils flüssigen Volumens und den axialen Tropfengeschwindigkeiten multipliziert, wobei das sich ergebende Produkt anschließend über den Sprühstrahlradius integriert wird. Nach Dividieren durch den integrierten mittleren Anteil flüssigen Volumens und die axiale Geschwindigkeit über den Sprühstrahlquerschnitt, ergibt sich die mittlere RR-Tropfengröße der Strömung. Die Luftzerstäuberdüsenleistung ist besser als diejenige der Druckzerstäuberdüse. Bei 930,8 kPa (135 psi Überdruck) ermöglichen 24 Luftzerstäuberdüsen mit 24 GPM Gesamteinspritzrate eine Verdunstung in dem HP-Verdichter, während die 20684 kPa (3000 psi) verwendenden Druckzerstäuberdüsen verursachen, dass 5 GPM von den 24 GPM den HP-Verdichter überwinden.
Um 24 GPM in dem HP-Verdichter mit Druckzerstäuberdüsen bei 1 GPM pro Düse zu verdunsten, müssten zumindest einige Düsenkonfigurationen bei 34473 kPa (5000 psi) betrieben werden. Bei geringeren Wasserraten pro Düse verbessert sich die Leistung von Luftzerstäuberdüsen, während die Leistung von Druckzerstäuberdüsen abnimmt, falls die Düsenkonfiguration nicht verändert wird. Düsen können im Handel von FST Woodward, Zeeland, Michigan, 49464 bezogen werden.
Nochmals dargelegt und zusammenfassend ermöglicht die oben beschriebene Wassersprühstrahleinspritzung das beachtliche Ergebnis, dass sich mittels derselben Verdichterausstoßtemperaturkontrollgrenze eine gesteigerte Leistungsabgabe erzielen lässt. D.h., durch Einspritzen eines zerstäubten Wassersprühstrahls vor dem Aufladegebläse und/oder vor dem Hockdruckverdichter wird die Einlasstemperatur des Hockdruckverdichters erheblich reduziert. Demzufolge ist der Hockdruckverdichter bei Einsatz derselben Verdichterausstoßtemperaturkontrollgrenze in der Lage, mehr Luft zu pumpen, wobei ein höheres Druckverhältnis erzielt wird. Daraus ergibt sich eine höhere Ausgangsleistung und ein verbesserter Wirkungsgrad. Zusätzlich zu der gesteigerten Leistungsabgabe bietet die oben beschriebene Wassersprühstrahleinspritzung den Vorteil eines geringeren Wasserverbrauchs im Vergleich zu einer unter denselben Bedingungen verwendeten Zwischenkühlung.

Claims

Gasturbinentriebwerk (10, 50, 82, 84, 160, 200, 250) mit einem Hockdruckverdichter (14, 54, 86, 168, 204, 258), der ein Außengehäuse und eine Düsenkonfiguration zum Einspritzen von Wasser in den Gasströmungspfad des Gasturbinentriebwerks aufweist, wobei die Düsenkonfiguration mehrere an dem Außengehäuse befestigte Düsen (222, 223, 266, 276) aufweist, wovon jede Düse aufweist: einen Kopf (286) mit einer Lufteinlassdüse (288) und einer Wassereinlassdüse (290); einen Schaft (292), durch welchen Luft und Wasser aus der Lufteinlassdüse (288) und der Wassereinlassdüse (290) strömen; ein Rohr (304), das sich von dem Schaft (292) aus erstreckt und ein offenes Ende (306) aufweist, wobei die Düsen (222, 223, 266, 276) dafür konfiguriert sind, Wasser in den Gasstrom des Turbinentriebwerks einzuspritzen, um im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturreduzierungen in radialer und Umfangsrichtung an einem Auslass des Gasturbinenhochdruckverdichters zu erzeugen und dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Düsen (222, 223, 266, 276) einen Satz langer Düsen (223, 282) und einen Satz kurzer Düsen (222, 284) aufweisen, wobei sich der Satz der langen Düsen (223, 282) über einen größeren radialen einwärts gerichteten Abstand von dem Außengehäuse in den Gasströmungspfad als der Satz der kurzen Düsen (222, 284) erstreckt, und wobei sich wenigstens eine kurze Düse (222, 284) um den Umfang herum zwischen zwei um den Umfang herum angeordneten langen Düsen (223, 282) befindet.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, wobei jede kurze Düse (222, 223, 266, 276) im Wesentlichen mit dem Umfang des Gasströmungspfades bündig ist, und sich die langen Düsen radial etwa 10,2 cm (4 inches) in den Gasströmungspfad hinein erstrecken.
Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, wobei die Düsen (222, 223, 266, 276) stromaufwärts von dem Hochdruckverdichter (14, 20, 54, 86, 168, 258) so positioniert sind, dass in den Gasströmungspfad durch die Düsen eingespritztes Wasser zu einer im Wesentlichen gleichmäßigen Reduzierung der Temperatur der Gasströmung an dem Hochdruckverdichterauslass führt.