EP0995484B1

EP0995484B1 - Verfahren zur Erzeugung eines Gasstromes mittleren Druckes und mittlerer Temperatur aus einem Gasstrom hohen Druckes und hoher Temperatur sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: EP0995484B1
Application number: EP98811042A
Authority: EP
Inventors: Gustav Hagström; Jakob Prof.Dr. Keller
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Switzerland GmbH
Priority date: 1998-10-19
Filing date: 1998-10-19
Publication date: 2003-01-29
Anticipated expiration: 2018-10-19
Also published as: US6286333B1; DE59807078D1; EP0995484A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Strömungstechnik. Sie betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines dritten Gasstromes mittleren Druckes und mittlerer Temperatur, welcher insbesondere als Kühlluft für eine Gasturbine einsetzbar ist, aus einem ersten Gasstrom hohen Druckes und hoher Temperatur, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solches Verfahren ist z.B. aus der Druckschrift US-A-2,839,900 bekannt.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

STAND DER TECHNIK

Eine besondere Schwierigkeit im Zusammenhang mit der Kühlung von Gasturbinen besteht darin, dass am Kompressor nur eine begrenzte Anzahl von Druckstufen für die Sekundärluftversorgung zur Verfügung steht. Infolge dieser Einschränkung kommt es häufig vor, dass Kühlluft mit einem sehr hohen Druck bereit gestellt wird, und dass hohe Verluste entstehen, bevor die Kühlluft ein gewünschtes Druckniveau erreicht, dass sehr viel tiefer liegen kann als das Druckniveau bei der Bereitstellung. In diesem Fall besteht ein weiteres Problem darin, dass die Temperatur der Kühlluft sehr hoch ist, weil eine reine Druckabsenkung die Ruhetemperatur der Kühlluft nicht verringert.
Eine besonders missliche Situation ergibt sich bei den niedrigen Versorgungsdruckniveaus eines Kompressors, wenn die Einlass-Leitschaufeln des Kompressors weitgehend geschlossen sind. In diesem Fall kann der niedrigste Versorgungsdruck, der bei vollkommen geöffneten Einlass-Leitschaufeln etwa 2 bar betragen würde, unter den Umgebungsdruck absinken. Als Folge davon würde der niedrigste erlaubte Versorgungsdruck für die Versorgung der Lager mit Sperrluft und der letzten Turbinenscheibe mit Kühlluft bis zu 5 bar hoch sein, obgleich ein Ueberdruck von 200 mbar ausreichend sein würde (siehe z.B. die US-A-5,564,896)
Aus der eingangs genannten Druckschrift US-A-2,839,900 ist ein regeneratives Vortex-Kühlsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3 für Turbinen von Flugzeugen bekannt, bei dem in einem mehrstufigen Abkühlprozess mittels zweier Wärmetauscher und zwei hintereinandergeschalteter Vortexrohre heisse komprimierte Luft aus dem Verdichterteil der Turbine durch Energieaustausch mit angesaugter Luft von der Eingangsseite des Verdichterteils abgekühlt wird. Die beiden Luftströme werden dabei voneinander getrennt geführt, was nicht nur einen sehr aufwendigen Aufbau der Wärmetauscher bedingt, sondern auch den Energieaustausch behindert.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, mit welchen die Kühlluft bzw. generell ein Gasstrom mit gutem Wirkungsgrad von einem vergleichsweise hohen Ausgangsdruck und einer vergleichsweise hohen Ausgangstemperatur auf besser geeignete niedrigere Niveaus des Druckes und der Temperatur abgesenkt werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, den Druck und die Temperatur des eingangsseitigen Gasstromes durch Kombination mit einem weiteren Gasstrom geringen Drucks und geringer Temperatur energetisch günstig in mehreren Schritten in einer Kaskade von Energieaustauschern abzusenken, in denen jeweils durch Mischung zweier Masssenströme unterschiedlichen Druckes und unterschiedlicher Temperatur ein resultierender dritter Massenstrom erzeugt wird.
Es gibt eine Vielzahl verschiedener Typen von Energieaustauschern, die in einer solchen Kaskade eingesetzt werden können, einschliesslich Turboladern, Druckwellenmaschinen, Ranque-Hilsch-Rohren oder einfachen Strahlinjektoren. In jedem Fall wird in einem solchen einzelnen Energieaustauscher ein Gasstrom hohen Druckes und ein Gasstrom niedrigen Druckes zu einem resultierenden Gasstrom mit einem mittleren Druck kombiniert. Eine erste bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Massenstrom des zweiten und aller weiteren Energieaustauscher jeweils in zwei Teilströme aufgeteilt wird, dass der erste Teilstrom als erster Massenstrom des innerhalb der Kaskade nachfolgenden Energieaustauschers verwendet wird, dass der zweite Teilstrom als zweiter Massenstrom des innerhalb der Kaskade vorangegangenen Energieaustauschers verwendet wird, dass der erste Gasstrom als erster Massenstrom in den ersten Energieaustauscher eingespeist wird, dass der zweite Gasstrom als zweiter Massenstrom in den letzten Energieaustauscher eingespeist wird, und dass der erste Teilstrom des letzten Energieaustauschers als resultierender Gasstrom der Kaskade entnommen wird.
Die Unterschiede zwischen den verschiedenen Typen von Energieaustauschern sind im wesentlichen verknüpft mit den unterschiedlichen Anwendungsbereichen, mit unterschiedlichen Komplexität und unterschiedlicher Effektivität. Die einfachste Klasse von Energieaustauschern sind die sogenannten direkten Flüssigkeits-Flüssigkeits-Energieaustauscher, zu denen der Strahlinjektor und das Ranque-Hilsch-Rohr zählen. Man kann daher gemäss einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung auf besonders einfache Weise ausreichend hohe Effektivitäten erzielen, wenn die Energieaustauscher als Strahlinjektoren ausgebildet sind, d.h., wenn in jedem der Energieaustauscher der Kaskade der erste und der zweite Massenstrom jeweils als Strahl in einen Mischraum eingedüst und dort zum dritten Massenstrom miteinander vermischt werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Energieaustauschern in einer Kaskade hintereinandergeschaltet sind, dass jeder der Energieaustauscher zwei Eingänge und einen.Ausgang aufweist, dass der Ausgang eines Energieaustauschers jeweils mit dem ersten Eingang des nachfolgenden Energieaustauschers verbunden ist, dass Mittel vorhanden sind, welche jeweils einen Teilstrom vom Ausgang eines Energieaustauschers auf seinen zweiten Eingang zurückführen, dass der erste Eingang des ersten Energieaustauschers als Hochdruckeinlass zum Einspeisen des ersten Gasstromes vorgesehen ist, dass der zweite Eingang des letzten Energieaustauschers als Niederdruckeinlass zum Einspeisen des zweiten Gasstromes vorgesehen ist, und dass der Ausgang des letzten Energieaustauschers als Mitteldruckauslass zur Entnahme des dritten Gasstromes vorgesehen ist.
Eine wegen der Einfachheit bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Energieaustauscher als Strahlinjektor ausgebildet ist und jeweils einen von den Gasströmen durchströmten Mischraum aufweist, dass an dem Mischraum stromaufwärts zwei düsenförmige Einlässe vorgesehen sind, welche die beiden Eingänge des Energieaustauschers bilden, und dass an dem Mischraum stromabwärts ein Auslass angeordnet ist, welcher des Ausgang des Energieaustauschers bildet.
Ein sehr kompakter Aufbau lässt sich für die gesamte Kaskade dadurch erreichen, dass die Injektorkaskade aus einer Mehrzahl von im Durchmesser abgestuften halbkreisförmigen Rohrsegmenten aufgebaut ist, welche alternierend und konzentrisch auf den beiden Seiten einer Mittelebene angeordnet und mit ihren offenen Seiten so zur Mittelebene hin orientiert sind, dass die Rohrsegmente ineinandergreifen, und zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rohrsegmenten auf derselben Seite der Mittelebene jeweils Mischkanäle gebildet werden, welche untereinander kaskadenartig in Verbindung stehen.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhand mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1: die schematisierte grundsätzliche Anordnung einer 3-stufigen Kaskade mit Strahlinjektoren mit den dazugehörigen Druckniveaus und Massenströmen gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2: den prinzipiellen Aufbau eines einzelnen Strahlinjektors mit Mischrohr mit den für eine Berechnung notwendigen Parametern;
Fig. 3-11: verschiedene Diagramme mit berechneten charakteristischen Grössen einer beispielhaften 7-stufigen Kaskade mit Strahlinjektoren gemäss Fig. 2 in Abhängigkeit vom Verhältnis der Einlassquerschnitte; und
Fig. 12: im Querschnitt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine aus konzentrischen halbkreisförmigen Rohrsegmenten zusammengesetzte, kompakte Strahlinjektorkaskade.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist die schematisierte grundsätzliche Anordnung einer 3-stufigen Kaskade mit Strahlinjektoren mit den dazugehörigen Druckniveaus und Massenströmen gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Die Kaskade 10 umfasst drei als Strahlinjektoren ausgebildete Energieaustauscher EE1,..,EE3, die hintereinander angeordnet und in charakteristischer Weise untereinander verbunden sind. Die Darstellung ist zugleich auf einer Druckskala p so gewählt, dass die jeweiligen Druckniveaus p₀ bis r⁴p₀ in den einzelnen Stufen der Kaskade erkennbar sind (die Bedeutung der Grössen p₀ und r⁴ ergibt sich aus den weiter unten folgenden Erläuterungen). Am linken Hochdruckeinlass 21 der Kaskade wird ein erster Gasstrom S1 mit einem hohen Druck r⁴p₀ (und einer hohen Temperatur) als Massenstrom F₁ in einen ersten Eingang (Hochdruckeingang) des ersten Energieaustauschers EE1 der Kaskade 10 eingespeist. In einen zweiten Eingang (Niederdruckeingang) des ersten Energieaustauschers EE1 gelangt ein zweiter Massenstrom R₁ mit einem niedrigeren Druck r²p₀ (und einer niedrigeren Temperatur). Am Ausgang des Energieaustauschers EE1 steht dann ein aus den Massenströmen F₁ und R₁ kombinierter Massenstrom F₂ bei einem mittleren Druck r³p₀ (und einer mittleren Temperatur) zur Verfügung. Der kombinierte Massenstrom F₂ = F₁ + R₁ wird auf den ersten Eingang des nachfolgenden Energieaustauschers EE2 gegeben, dessen zweiter Eingang mit einem weiteren Massenstrom R₂ mit dem Druck rp₀ beaufschlagt wird. Am Ausgang entsteht aus den beiden eingangsseitigen Massenströmen F₂ und R₂ ein weiterer Massenstrom F₂ + R₂ mit dem mittleren Druck r²p₀.
Von diesem ausgangsseitigen Massenstrom F₂ + R₂ wird der Massenstrom R₁ = β₁F₁ als Teilstrom abgezweigt und auf den zweiten Eingang des ersten Energieaustauschers EE1 zurückgeleitet. Der restliche Massenstrom F₃ = F₂ + R₂ - R₁ vom Ausgang des zweiten Energieaustauschers EE2 gelangt auf den ersten Eingang des in der Kaskade 10 nachfolgenden dritten Energieaustauschers EE3. Auf den zweiten Eingang des dritten Energieaustauschers EE3, der einen Niederdruckeinlass 20 bildet, wird von aussen ein Gasstrom S2 als Massenstrom R₃ = β₃F₃ mit dem niedrigsten Druck p₀ gegeben. Aus beiden Massenströmen ergibt sich am Ausgang des dritten Energieaustauschers EE3 der Massenstrom F₃ + R₃, von dem der Teilstrom R₂ = β₂F₂ abgezweigt und auf den zweiten Eingang des vorangehenden Energieaustauschers EE2 zurückgeführt wird. Der restliche Massenstrom F₄ = F₃ + R₃ - R₂ steht am Mitteldruckauslass 22 der Kaskade 10 als Gasstrom mit reduzierten Druck rp₀ (und reduzierter Temperatur) zur Verfügung. Enthält die Kaskade weitere Stufen bzw. Energieaustauscher, erfolgt die Führung der Gasströme bzw. Massenströme entsprechend.
Die grundsätzliche Situation bei einem einzelnen Strahlinjektor kann anhand der Fig. 2 betrachtet werden. Der dort dargestellte schematisierte Strahlinjektor 11 besteht aus einem zentralen Mischrohr 12, welches von links nach rechts durchströmt wird: Auf der (linken) Eingangsseite des Mischrohres 12 sind zwei durch eine Trennwand 15 voneinander getrennte düsenartige Einlässe 13 und 14 vorgesehen. Auf der rechten Seite des Mischrohres 12 befindet sich ein Auslass 16. In der Fig. 2 sind verschiedene, mit Indizes versehene Parameter eingetragen. Die Indizes "1", "2", "3" und "13" beziehen sich dabei auf unterschiedliche Orte innerhalb des Strahlinjektors 11. Eine zusätzlich "0" am Ende der Indizes bezeichnet einen zugehörigen stationären Zustand. Die Parameter p, T, u und α bezeichnen den Druck, die Temperatur, die Strömungsgeschwindigkeit und das Verhältnis der Querschnittsfläche des Hochdruckeinlasses 13 zur Querschnittsfläche des Mischrohres 12. Weitere, in der Fig. 2 nicht eingezeichnete Parameter für die nachfolgende formelmässige Betrachtung sind die Dichte ρ, die Schallgeschwindigkeit c, die Machzahl M, das Verhältnis γ der spezifischen Wärmen, und die spezifische Wärme c_p bei konstantem Druck.
Für verlustfreie Strömungen durch die Einlässe 13 und 14 gilt: $(1) \frac{p_{10}}{p_{13}} = (1 + \frac{γ - 1}{2} M_{1}^{2}) ^{\frac{γ}{γ-1}}, \frac{p_{30}}{p_{13}} = (1 + \frac{γ - 1}{2} M_{3}^{2}) ^{\frac{γ}{γ-1}} .$
Die Impulserhaltung über die Mischzone des Strahlinjektors 11 ergibt: $(2) p_{13} {+ αρ}_{1} u_{1}^{2} {+ (1-α)ρ}_{3} u_{3}^{2} = p_{2} + ρ_{2} u_{2}^{2} .$
Die Bedingung der Erhaltung der Masse kann wie folgt formuliert werden: $(3) {αρ}_{1} u_{1} + (1 - α) ρ_{3} u_{3} {= ρ}_{3} u_{2},$ und die Erhaltung der Energie über die Mischzone erfordert, wenn die spezifischen Wärmen als konstant angenommen werden: ${(4) αρ}_{1} u_{1} T_{10} {+ (1 - α)ρ}_{3} u_{3} T_{30} = ρ_{2} u_{2} T_{20} .$
Weiterhin gelten die Zustandsgleichung $(5) \frac{p}{ρ T} = \frac{γ - 1}{γ} c_{p},$ und die Bedingungen für eine isentropische Strömung $(6) \frac{p}{p_{0}} = {(\frac{ρ}{ρ _{0}})}^{γ} = (\frac{T}{T_{0}}) ^{γ-1 ^{\underset{̲}{γ}}} = (\frac{c}{c_{0}}) ^{\frac{2γ}{γ-1}},$ um die lokalen Grössen mit den entsprechenden Grössen unter stationären Bedingungen in Beziehung zu setzen.
Auf der Basis der Gleichungen (1) bis (6) lassen sich nun die Bedingungen am Einlass und am Auslass des Strahlinjektors 11 miteinander verknüpfen. Nimmt man weiterhin, dass das Flächenverhältnis α und das Druckverhältnis pro Stufe r = p_n+1,0/p_n,0 für alle Strahlinjektoren dieselben sind, können die Strahlinjektoren bzw. Energieaustauscher gemäss Fig. 1 zu der entsprechenden Kaskade 10 kombiniert werden. Wird der vorwärts gerichtete Massenstrom von der Stufe n zur Stufe n+1 mit F_n bezeichnet, und der von der Stufe n+1 zur Stufe n zurückgeführte Massenstrom mit R_n, ergibt die Massenerhaltung: $(7) F_{n} _{+1} = F_{n} + R_{n} - R_{n} _{-1} .$
Auf der anderen Seite führt die Lösung der Gleichungen (1) bis (6) bei vorgegebenen stationärem Druck- und Temperaturverhältnissen zu einer Beziehung der Form: $(8) R_{n} {= β}_{n} F_{n},$ wobei der Proportionalitätsfaktor β_n ein Mass für die Effektivität der n-ten Stufe der Kaskade 10 ist. Geht man davon aus, dass die Kaskade aus N Stufen zusammengesetzt ist, müssen N-1 Strahlinjektoren miteinander verknüpft werden. In diesem Fall ist das Druckverhältnis zwischen dem Hochdruckeingang und dem Niederdruckeingang r_total = r^N, während das Druckverhältnis zwischen dem Ausgang und dem Niederdruckeingang r beträgt.
Bezeichnet man die stationären Temperaturen beim hohen Druck und beim niedrigen Druck mit T_HP0 bzw. T_LP0, können die Verhältnisse der Massenströme bei den Hochdruckeingängen und den Niederdruckeingängen ṁ _HP und ṁ _LP für eine verlustfreie Energieaustauscher-Kaskade wie folgt ausgedrückt werden: $(9) \frac{{\dot{m}}_{LP}}{{\dot{m}}_{HP}} = \frac{T_{HP 0}}{T_{LP 0}} \frac{1 - r ^{-(N -1) \frac{γ-1}{γ}}}{r ^{\frac{γ-1}{γ}} -1} .$
Die Effektivität η_E des Energieaustausches der vollständigen Kaskade 10 kann dann ausgedrückt werden durch

Beispiel:

Eine Kaskade mit 7 Strahlinjektoren (N = 8) hat folgende Bedingungen am Hochdruckeingang und am Niederdruckeingang: ${(11) p}_{HP0} {= 5.10}^{5} {Pa, T}_{HP0} {= 480 K, p}_{LP0} {= 10}^{5} {Pa, T}_{LP0} = 288 K .$
Die unter diesen Bedingungen errechneten Ergebnisse für verschiedene Parameter sind in den Figuren 3 bis 11 wiedergegeben. Fig. 3 zeigt die berechneten stationären Temperaturen in allen Stufen der Kaskade als Funktion des Flächenverhältnisses α des einzelnen Strahlinjektors gemäss Fig. 2. Die Figuren 4 und 5 zeigen die Machzahlen der eingangsseitigen Ströme am jeweiligen Hochdruckund Niederdruckeingang (Einlass 13 bzw. 14) des einzelnen Injektors. Fig. 6 zeigt die kumulierte Effektivität an jeder Stufe der Kaskade einschliesslich der gesamten Effektivität, die in der 7. Stufe erreicht wird. Es soll noch darauf hingewiesen werden, dass die Gültigkeit der Ergebnisse auf den Fall der unterschallschnellen Strömungen beschränkt ist. Es ist nicht ratsam, die Machzahlen (Fig. 4) wesentlich über 1 zu erhöhen. Die Prandtl-Meyer-Winkel, die aufgrund einer überschallschnellen Ausdehnung auftreten würden, würden zu einer Verschlechterung der Energieaustausch-Effektivität führen. Aus diesem Grund (siehe Fig. 4) sollte die Kaskade nahe bei α = 0,435 ausgelegt werden, wo die gesamte Effektivität ungefähr 0,4 und das Verhältnis der Gesamt-Massenströme gemäss Fig. 7 etwa 4 beträgt.
Eine Verringerung oder Erhöhung der Anzahl der Stufen führt zu einer Verringerung bzw. Erhöhung der Kaskaden-Effektivität. Jedoch ist es kaum möglich, für ein grosses Druckverhältnis eine Kaskaden-Effektivität von mehr als 0,5 zu erreichen. Ein typischer Bereich der Effektivität, die mit einer geeigneten Anzahl von Stufen erreicht werden kann, liegt irgendwo zwischen 0,35 und 0,5. Die Geometrie bzw. Auslegung der Kaskade wird durch die Fig. 8 bis 11 festgelegt, welche die auf die Querschnittsfläche des ersten Hochdruckeinlasses der Kaskade normalisierte Querschnittsfläche des jeweiligen Hochdruckeinlasses eines Energieaustauschers (Fig. 8), des jeweiligen Niederdruckeinlasses eines Energieaustauschers (Fig. 9), der jeweiligen Mischkammer eines Energieaustauschers (Fig. 10), und des jeweiligen Auslasses für den zurückgeführten Teilstrom eines Energieaustauschers (Fig. 11) in Abhängigkeit vom Flächenverhältnis α zeigen. Es ist anzumerken, dass die Abstimmung zwischen den Auslass- und Einlassflächen aufeinanderfolgender Stufen relativ gut ist. Daher ist es nicht notwendig, viel kinetische Energie durch Abbremsen nach einem Auslass und Beschleunigen vor einem Einlass zu opfern. Die Uebergänge zwischen den Stufen können so ziemlich fliessend gehalten werden.
Eine sehr einfach aufgebaute und kompakte Injektorkaskade 17 für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann gemäss Fig. 12 dadurch realisiert werden, dass eine Mehrzahl von im Durchmesser abgestuften, halbkreisförmigen Rohrsegmenten (Halbrohren) 18, 19 konzentrisch und alternierend auf beiden Seiten einer Mittelebene 26 so angeordnet werden, dass auf beiden Seiten der Mittelebene 26 zwischen aufeinanderfolgenden Rohrsegmenten jeweils ein gekrümmter Mischkanal 23-25 gebildet wird. Die Rohrsegmente 18, 19 sind so ineinander verschachtelt, dass jeder Mischkanäle auf der einen Seite der Mittelebene 26 an beiden Enden gleichzeitig mit zwei Mischkanälen auf der anderen Seite der Mittelebene 26 in Verbindung steht. Der innerste Mischkanal ist mit dem Hochdruckeinlass 21 verbunden, der äusserste Mischkanal 24 mit dem Niederdruckeinlass 20 und dem Mitteldruckauslass 22. Es versteht sich von selbst, dass die Anordnung Rohrsegmente (Halbrohre) an ihren beiden Seiten durch entsprechende Endplatten begrenzt und geschlossen ist.
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine einfache Möglichkeit, mit hoher Effizienz aus einem Hochdruck-Gasstrom einen Gasstrom mittleren Druckes zu erzeugen, die insbesondere für die Bereitstellung von Kühlluft für eine Gasturbine aus dem Kompressor geeignet ist.

BEZUGSZEICHENLISTE

10: Kaskade
11: Strahlinjektor
12: Mischrohr
13,14: Einlass
15: Trennwand
16: Auslass
17: Injektorkaskade
18,19: Rohrsegment (halbkreisförmig)
20: Niederdruckeinlass
21: Hochdruckeinlass
22: Mitteldruckauslass
23,24,25: Mischkanal
26: Mittelebene
EE1,..,EE3: Energieaustauscher
F₁,..,F₄: Massenstrom
R₁,..,R₃: Massenstrom
S1,..,S3: Gasstrom

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines dritten Gasstromes (S3) mittleren Druckes und mittlerer Temperatur, welcher insbesondere als Kühlluft für eine Gasturbine einsetzbar ist, aus einem ersten Gasstrom (S1) hohen Druckes und hoher Temperatur, bei welchem Verfahren die Reduzierung durch stufenweisen Energieaustausch zwischen dem ersten Gasstrom (S1) und einem zweiten Gasstrom (S2) niedrigen Druckes und niedriger Temperatur in einer Kaskade (10) aus mehreren hintereinandergeschalteten Energieaustauschern (EE1,..,EE3) vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Energieaustauscher (EE1,..,EE3) aus einem ersten Massenstrom (F₁,..,F₃) mit einem ersten Druck und einer ersten Temperatur und einem zweiten Massenstrom (R₁,..,R₃) mit einem zweiten Druck und einer zweiten Temperatur, welche kleiner sind als der erste Druck und die erste Temperatur, ein resultierender dritter Massenstrom (F₂,..,F₄) mit einem dritten Druck und einer dritten Temperatur erzeugt wird, welche zwischen dem ersten und zweiten Druck und der ersten und zweiten Temperatur liegen, und dass in jedem der Energieaustauscher (EE1,..,EE3) der Kaskade (10) der erste und der zweite Massenstrom jeweils als Strahl in einen Mischraum (12, 24) eingedüst und dort zum dritten Massenstrom miteinander vermischt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Massenstrom des zweiten und aller weiteren Energieaustauscher (EE2, EE3) jeweils in zwei Teilströme aufgeteilt wird, dass der erste Teilstrom als erster Massenstrom des innerhalb der Kaskade (10) nachfolgenden Energieaustauschers verwendet wird, dass der zweite Teilstrom (R₁, R₂) als zweiter Massenstrom des innerhalb der Kaskade (10) vorangegangenen Energieaustauschers verwendet wird, dass der erste Gasstrom (S1) als erster Massenstrom in den ersten Energieaustauscher (EE1) eingespeist wird, dass der zweite Gasstrom (S2) als zweiter Massenstrom in den letzten Energieaustauscher (EE3) eingespeist wird, und dass der erste Teilstrom des letzten Energieaustauschers (EE3) als resultierender Gasstrom der Kaskade (10) entnommen wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei eine Mehrzahl von Energieaustauschern (EE1,..,EE3) in einer Kaskade (10) hintereinandergeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet dass jeder der Energieaustauscher (EE1,..,EE3) zwei Eingänge und einen Ausgang aufweist, dass der Ausgang eines Energieaustauschers jeweils mit dem ersten Eingang des nachfolgenden Energieaustauschers verbunden ist, dass Mittel vorhanden sind, welche, beim zweiten Energieaustauscher beginnend, jeweils einen Teilstrom vom Ausgang eines Energieaustauschers auf den zweiten Eingang des in der Kaskade (10) vorangehenden Energieaustauschers zurückführen, dass der erste Eingang des ersten Energieaustauschers (EE1) als Hochdruckeinlass (21) zum Einspeisen des ersten Gasstromes (S1) vorgesehen ist, dass der zweite Eingang des letzten Energieaustauschers (EE3) als Niederdruckeinlass (20) zum Einspeisen des zweiten Gasstromes (S2) vorgesehen ist, und dass der Ausgang des letzten Energieaustauschers (EE3) als Mitteldruckauslass (22) zur Entnahme des dritten Gasstromes (S3) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Energieaustauscher (EE1,..,EE3) als Strahlinjektor (11) ausgebildet ist und jeweils einen von den Gasströmen durchströmten Mischraum (12, 23-25) aufweist, dass an dem Mischraum (12, 23-25) stromaufwärts zwei düsenförmige Einlässe (13, 14) vorgesehen sind, welche die beiden Eingänge des Energieaustauschers bilden, und dass an dem Mischraum (12, 23-25) stromabwärts ein Auslass (16) angeordnet ist, welcher des Ausgang des Energieaustauschers bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischraum als Mischrohr (12) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektorkaskade (17) aus einer Mehrzahl von im Durchmesser abgestuften halbkreisförmigen Rohrsegmenten (18, 19) aufgebaut ist, welche alternierend und konzentrisch auf den beiden Seiten einer Mittelebene (26) angeordnet und mit ihren offenen Seiten so zur Mittelebene (26) hin orientiert sind, dass die Rohrsegmente (18, 19) ineinandergreifen und zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rohrsegmenten auf derselben Seite der Mittelebene (26) jeweils Mischkanäle (24, 25) gebildet werden, welche untereinander kaskadenartig in Verbindung stehen.