Beschreibung
Verfahren zur Entspannung eines RauchgasStroms in einer Tur¬ bine sowie entsprechende Turbine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entspannung eines heißen RauchgasStroms in einer von diesem durchströmten Tur¬ bine, bei dem zumindest eine Strukturkomponente der Turbine mittels eines zugehörigen Kühlgasstroms gekühlt wird, welcher Kühlgasstrom die Strukturkomponente durchströmt und aus die¬ ser dem Rauchgasstrom zugeführt wird, und bei dem dem Rauch¬ gasstrom in der Turbine Brennstoff zudosiert wird. Die Erfin¬ dung betrifft auch eine entsprechende Turbine.
Ein solches Verfahren und eine solche Turbine gehen hervor aus der DE 43 30 612 AI oder der DE 43 30 613 AI. Hierin sind Hinweise zu dem technischen Gebiet gegeben, die auch im Zu¬ sammenhang mit der nachfolgend beschriebenen Erfindung von Bedeutung sind. Auf die gesamten Inhalte beider Schriften wird daher ausdrücklich Bezug genommen.
Die DE 43 30 613 AI betrifft eine sogenannte Zwischenerhit¬ zung mit dem Ziel, die Abgastemperatur des Rauchgasstroms zu erhöhen, um einen nachfolgenden Dampfprozeß wirtschaftlicher zu machen. Das Prinzip der Zwischenüberhitzung besteht darin, eine Temperaturerhöhung der Verbrennungsluft in der Brennkam¬ mer durchzuführen und zusätzlich während der Expansionsphase der verbrannten Verbrennungsluft erneut eine Temperaturerhö¬ hung bei einem niedrigeren Druck durchzuführen, was letztend- lieh nach einer vollständigen Expansion auf den Atmosphären¬ druck eine höhere Austrittstemperatur des Rauchgasstroms be¬ dingt. Eine solche Zwischenüberhitzung erfolgt vorzugsweise bis auf die maximal in der Gasturbine zulässige Temperatur, wodurch eine besonders hohe Austrittstemperatur des Rauch- gasstroms erreicht wird.
In der GB 2 288 640 A, welche eine Gasturbine mit einer Mehr¬ zahl strömungstechnisch hintereinandergeschalteter Verdichter und ebenfalls strömungstechnisch hintereinandergeschalteter Gasturbinen aufweist, findet ebenfalls eine mehrfache Zwi- schenerhitzung statt mit dem Ziel einer besonders hohen Aus- trittstemperatur des Rauchgases. Wie in der DE 43 30 613 AI ist damit das Ziel einer Wirkungsgraderhöhung über eine Ände¬ rung des thermodynamischen Prozesses beschrieben. Insbeson¬ dere soll diese mehrfache Wiedererhitzung eine Abänderung des Joule-Prozesses und eine Annäherung an den sogenannten
Ericson-Prozeß ermöglichen. Die Temperatur des Rauchgasstroms wird hierbei vorzugsweise in jeder einzelnen Gasturbine auf ca. 1400 °C erhöht. In einer zwischen den Gasturbinen und den Verdichtern angeordneten Brennkammer findet eine unvollstän- dige Verbrennung statt, wobei der gesamte Brennstoff dieser Brennkammer zugeführt wird. Eine über einen jeweiligen Ver¬ dichterstrom zugeführte Luftmenge ist jeweils größer als die zur Kühlung erforderliche Luftmenge. Die GB 2 288 640 A ver¬ folgt mithin das Ziel, einen Temperaturverlust infolge der auftretenden Expansion auszugleichen.
In der DE 35 00 447 C2 ist eine Gasturbine beschrieben, deren axialer Strömungskanal in zwei Teilkanäle aufgeteilt ist, durch welche sich die Laufschaufeln hindurchbewegen. In einem Verbrennungsgas-Sektor strömt das verbrannte Gas und in einem Luft-Sektor die Kühlluft zur Kühlung der Laufschaufeln. Eine verringerte Leistung der Turbine aufgrund dessen, daß die Laufschaufeln nicht über den gesamten Querschnitt des Strö¬ mungskanals, sondern nur in dem Verbrennungsgas-Sektor mit der heißen Verbrennungsluft beaufschlagt werden, soll durch eine Modifizierung der angegebenen Gasturbine beseitigt wer¬ den. Hierzu sind in dem Verbrennungsgas-Sektor axial hinter¬ einander angeordnete Brennkammern vorgesehen. Die DE 35 00 447 C2 behandelt mithin ebenfalls wie die DE 43 30 613 AI eine Form der Zwischenerhitzung, welche hierin allerdings ausschließlich auf den Verbrennungsgas-Sek¬ tor beschränkt ist.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Turbine, die mit einem Kompressor, insbesondere einem Turboverdichter,und einer Verbrennungseinrichtung im Verbund arbeitet, wobei ge¬ mäß geläufiger Praxis ein Verbund aus Kompressor, Verbren- nungseinrichtung und eigentlicher Turbine als "Gasturbine" bezeichnet wird. Wesentliches Kennzeichen einer Gasturbine ist ihre Arbeitsweise im offenen Kreislauf, also in einem Kreislauf, bei dem das für den thermodynamisehen Prozeß er¬ forderliche Strömungsmittel der Umgebung entnommen und nach dem Prozeß wieder der Umgebung zugeführt wird. Im allgemeinen entnimmt der Kompressor Luft aus der Umgebung, komprimiert sie und stellt sie in komprimierter Form der Verbrennungsein¬ richtung zu. Dort wird in der komprimierten Luft ein Brenn¬ stoff verbrannt unter Bildung eines Rauchgasstroms, welcher anschließend der Turbine zugeführt und in der Turbine bis zum normalen Umgebungsdruck entspannt wird. Ein Teil der vom Kom¬ pressor bereitgestellten Luft gelangt nicht zur Verbrennungs¬ einrichtung, sondern wird, gegebenenfalls nach besonderer Kühlung, unmittelbar der Turbine zugeführt, wo er als Kühl- gasstrom thermisch hoch belastete Strukturkomponenten kühlt. In einer modernen Gasturbine wird die Luft aus der Umgebung auf das 16fache bis 30fache des Luftdrucks in der Umgebung komprimiert und heizt sich dabei auf eine Temperatur zwischen 350 °C und 500 °C auf. In der Verbrennungseinrichtung erfolgt eine weitere Aufheizung auf Temperaturen zwischen 1100 °C und 1400 °C, und mit einer solchen Temperatur gelangt der gebil¬ dete Rauchgasstrom in die Turbine. Wenn der Rauchgasstrom nach seiner Entspannung die Turbine verläßt, hat er bei einem Druck, welcher dem normalen Luftdruck in der Umgebung ent- spricht, eine Temperatur um 500 °C.
Aufgabe der Erfindung ist, das Verfahren bzw. die Turbine der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß mit möglichst einfachen Mitteln die Nachteile der unvermeidlichen Kühlgasprozesse ausgeglichen werden.
Im Hinblick auf ein Verfahren wird zur Lösung der Aufgabe an¬ gegeben ein Verfahren zur Entspannung eines heißen Rauchgas- Stroms in einer von diesem durchströmten Turbine, bei dem zu¬ mindest eine Strukturkomponente der Turbine mittels eines zu- gehörigen Kühlgasstroms gekühlt wird, welcher Kühlgasstrom die Strukturkomponente durchströmt und aus dieser dem Rauch¬ gasstrom zugeführt wird, und bei dem dem Rauchgasstrom in der Turbine Brennstoff zudosiert wird, wobei der Brennstoff der¬ art zudosiert wird, daß eine Temperaturabsenkung in dem Rauchgasstrom, die sich ergibt durch Zuführung des Kühlgas- Stroms ohne Zudosierung des Brennstoffs, durch Verbrennung des zudosierten Brennstoffs weitgehend kompensiert wird.
Im Hinblick auf eine Turbine wird zur Lösung dieser Aufgabe angegeben eine Turbine zur Entspannung eines heißen Rauch¬ gasstroms, mit zumindest einer Strukturkomponente, die eine Kühlkanalanordnung für einen durchströmenden und dem Rauchgas zuzuführenden Kühlgasstrom aufweist, und welcher ein Dosierer zur Zudosierung von Brennstoff in den Rauchgasstrom zugeord- net ist, wobei der Dosierer eine Steuereinrichtung aufweist, durch welche er derart steuerbar ist, daß eine Temperaturab¬ senkung in dem Rauchgasstrom, die sich ergibt durch die Zu¬ führung des Kühlgasstroms ohne Zudosierung von Brennstoff, durch Verbrennung des zudosierten Brennstoffs weitgehend kom- pensiert wird. Eine weitgehende Kompensation bedeutet hier¬ bei, daß im zeitlichen und/oder räumlichen Mittel die durch die Verbrennung zugeführte Wärmemenge ungefähr einer Abküh¬ lung des Rauchgasstroms durch Zuführung der Kühlluft ent¬ spricht. Man könnte mit anderen Worten sagen, daß die Tempe- ratur der Kühlluft auf die jeweils herrschende Temperatur des Rauchgasstroms angehoben wird. Aufgrund der Komplexität der thermodynamisehen Prozesse umfaßt die Formulierung weitgehend natürlich auch eine geringfügige Überkompensation oder Unter¬ kompensation.
Die Erfindung geht davon aus, daß eine herkömmliche Gastur¬ bine, in der Luft zur Kühlung dient, als thermodynamische Ma-
schine aufgefaßt werden kann, in der zwei getrennte Arbeits- medien zwei verschiedene Kategorien von Kreisprozessen durch¬ laufen. Eine erste Kategorie betrifft den eigentlichen und vorstehend beschriebenen Heißgasprozeß, eine zweite Kategorie betrifft Kühlgasprozesse. Das Arbeitsmedium des Heißgaspro¬ zesses in der Gasturbine ist das heiße Rauchgas, welches in dem Rauchgasstrom die eigentliche Turbine anströmt. Gasströme, die dem Rauchgas hinter dem Eintritt der Turbine zugemischt werden, bleiben außer Betracht; außer Betracht bleiben also insbesondere die Kühlgasströme, die nach jeweils erfüllter Kühlaufgäbe in herkömmlicher Weise aus den gekühl¬ ten Strukturkomponenten der Turbine dem Rauchgasstrom zuge¬ mischt werden. Arbeitsmedien der Kühlluftprozesse sind die Gase, insbesondere Luft, die zur Kühlung der Strukturkompo- nenten der Turbine benutzt werden. Entsprechende Luft wird einem der Turbine zugeordneten Kompressor in herkömmlicher Weise am Austritt oder an einer Anzapfung entnommen und, wo¬ möglich nach besonderer Kühlung, den zu kühlenden Struktur¬ komponenten der Turbine, insbesondere Leit- und Laufschau- fein, zugeführt. Aus diesen gelangt das Kühlgas letztlich in den Rauchgasstrom und verteilt sich darin. Das Phänomen der Verteilung kann für eine einfache modellmäßige Betrachtung außer Betracht bleiben; in diesem Rahmen können der Hei߬ gasprozeß sowie die Kühlgasprozesse unabhängig voneinander betrachtet werden. Sowohl beim Heißgasprozeß als auch bei ei¬ nem Kühlgasprozeß werden im Prinzip die gleichen Zustands- änderungen des jeweiligen Arbeitsmediums durchlaufen: Das Ar¬ beitsmedium wird vom Atmosphärendruck bis zu einem vorgegebe¬ nen Maximaldruck komprimiert; anschließend erfolgt eine Wär- mezufuhr, wobei der Druck des Arbeitsmediums bis auf prak¬ tisch unvermeidliche Druckverluste unverändert bleibt; darauf erfolgt eine Expansion des Arbeitsmediums in der Turbine, bis das Arbeitsmedium einen dem Umgebungsdruck entsprechenden Druck erreicht hat; und schließlich wird überschüssige Wärme aus dem Arbeitsmedium abgegeben, bis es die Umgebungstempera¬ tur erreicht hat. Die zuletzt genannte Zustandsänderung er-
folgt außerhalb der eigentlichen Gasturbine, kennzeichnend für den offenen Kreislauf.
Ein Heißgasprozeß und ein Kühlgasprozeß unterscheiden sich in erster Linie durch die bei der Aufheizung des jeweiligen Ar¬ beitsmediums realisierten Temperaturdifferenz; beim Hei߬ gasprozeß tritt eine Temperaturdifferenz von über 500 °C, wo¬ möglich sogar über 1000 °C, auf, beim Kühlgasprozeß ergibt sich eine Temperaturdifferenz von höchstens 200 °C. Entspre- chend unterscheiden sich die Wirkungsgrade der Prozesse und die Beiträge, die die Prozesse zur insgesamt von einer Gasturbine erzeugten mechanischen Arbeit liefern. Ein beacht¬ licher Teil der von einer Turbine insgesamt gelieferten me¬ chanischen Arbeit muß aufgewandt werden, um das Arbeitsmedium bzw. , im Rahmen der soeben angestellten Betrachtung, die Ar¬ beitsmedien zu komprimieren. Die aus einem thermodynamisehen Prozeß frei zur Verfügung stehende "Nutzarbeit" ist die Dif¬ ferenz zwischen der von der Turbine gelieferten "Expansionsarbeit" und der für die Kompression erforderlichen "Kompressionsarbeit". Die Nutzarbeit ist um so größer, je größer bei gegebener Temperaturdifferenz der Kompression, vorbestimmt durch den jeweils eingesetzten Kompressor, die Temperaturdifferenz der Expansion ist. Hieraus ergibt sich, daß ein Kühlgasprozeß allenfalls einen sehr geringen Beitrag zur Nutzarbeit leisten kann.
Thermodynamische Verluste, die sich in einer realen Gastur¬ bine sowohl bei der Kompression als auch bei der Expansion ergeben, erfordern eine Veränderung der soeben angestellten Betrachtung dahingehend, daß bei der Kompression ein ver¬ größertes Temperaturgefälle und bei der Expansion ein ver¬ kleinertes Temperaturgefälle zugrundegelegt werden muß. Hier¬ aus ergibt sich eine weitere Reduzierung der aus einem Kühl- luftprozeß erwartbaren Nutzarbeit, und es muß die Möglichkeit in Betracht gezogen werden, daß die Nutzarbeit eines Kühl- gasprozesses negativ wird; unter Umständen verschlingt ein Kühlgasprozeß mehr Arbeit, als er selbst liefert. Da eine mo-
derne Gasturbine die Abzweigung von 20% bis 25% der insgesamt verfügbaren verdichteten Luft als Kühlluft erfordert, ist die Einbuße, die hinsichtlich der Nutzarbeit in Kauf genommen werden muß, durchaus bemerkenswert; man muß immerhin davon ausgehen, daß für den einzigen Heißgasprozeß, welcher im we¬ sentlichen allein die von der Gasturbine abgegebene Nutzar¬ beit bestimmt, höchstens 80% der insgesamt verfügbaren Luft beitragen können.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß eine Zumi- schung von Kühlluft (oder anderem Kühlgas) zum sich entspan¬ nenden Rauchgas in einer Turbine thermodynamisch unschädlich wäre, wenn die zugemischte Kühlluft (bzw. das zugemischte Kühlgas) dieselbe Temperatur hätte wie das Heißgas. Es ver- steht sich, daß ein gewisser Verlust verbleibt, wenn das
Kühlgas besonderen Behandlungen unterworfen wird, beispiels¬ weise einer Kühlung, oder wenn das Kühlgas mit zusätzlichen Gebläsen auf einen höheren Druck als das Rauchgas gebracht werden muß; dies kann unter Umständen erforderlich sein, um eine erforderliche Kühlwirkung zu gewährleisten oder eventu¬ ell vorhandenen Drosselstellen in einem KühlkanalSystem, durch welches der Kühlgasstrom geführt werden muß, kompensie¬ ren. Von solchen Verlusten muß vorliegend freilich abgesehen werden; sie sowie ihre allfällige Minimierung können zusätz- liehe Erwägungen erfordern. Da, wie gesagt, Kühlgas in den zu kühlenden Strukturkomponenten der Turbine herkömmlicherweise um höchstens 200 °C aufgeheizt wird und damit nur bis zu ei¬ ner Temperatur von vielleicht 700 °C gelangt, muß also eine zusätzliche Aufheizung des Kühlgases erfolgen.
Im Sinne der Erfindung wird diese Aufheizung erst dann und in gewünschter Höhe realisiert, wenn das Kühlgas seine Kühlauf- gäbe erfüllt hat, nämlich dann, wenn das Kühlgas aus der zu kühlenden Strukturkomponente heraus in das Rauchgas gelangt ist. Dabei nutzt die Erfindung aus, daß ein Brennstoff, bei¬ spielsweise Erdgas, bei den in einem heißen Rauchgas jeden¬ falls dann, wenn dieses sich in den ersten Stufen der Turbine
befindet, herrschenden Temperaturen sich sehr schnell und ohne Erzeugung einer Flamme entzündet und im wesentlichen vollständig verbrennt. Die Verhältnisse in dem heißen Rauch¬ gasstrom sind durchaus anders als die Verhältnisse in einer Verbrennungseinrichtung einer Gasturbine. Eine Verbrennungs- einrichtung wird angeströmt mit Temperaturen, die höchstens 500 °C betragen; daher ist zur Verbrennung jedweden Brenn¬ stoffs in der Verbrennungseinrichtung eine Flammenbildung er¬ forderlich. In den ersten Stufen einer Turbine herrscht eine Temperatur von 1000 °C oder mehr; daher kann dort, anders als in einer herkömmlichen Verbrennungseinrichtung, stets mit ei¬ ner spontanen exothermen Reaktion zwischen vorhandenem Sauer¬ stoff und gesondert zugeführtem Brennstoff gerechnet werden. Es sei bemerkt, daß in einem Rauchgasstrom in einer herkömm- liehen Gasturbine stets Sauerstoff vorliegt; ein Verbren¬ nungsprozeß in einer Verbrennungseinrichtung einer herkömmli¬ chen Gasturbine verläuft stets unter einem Überschuß von Sau¬ erstoff, und die herkömmliche Kühlung mit Luft bringt zusätz¬ lichen Sauerstoff hinzu. Für die Verbrennung von Brennstoff in dem benötigten Umfang ist somit stets ausreichend Sauer¬ stoff vorhanden.
Die Erfindung hat darüber hinaus noch weitere Vorteile: Durch die zusätzliche Verbrennung von Brennstoff wird die Leistung der Turbine erhöht, ohne daß die Temperatur des Rauchgases beim Eintritt in die Turbine steigen muß; bei gleicher Ausle¬ gung der Turbine und bei gleichbleibender Auswahl der zu ih¬ rem Bau verwendeten Werkstoffen wird somit die von einer Gasturbine, zu der die Turbine gehört, abgegebene Nutzarbeit deutlich erhöht. Außerdem wird vermieden, daß sich der Rauch¬ gasstrom über die durch die Entspannung vorgegebene Tempera¬ turabsenkung weiter abkühlt; dies verbessert den thermodyna- mischen Wirkungsgrad der Turbine. Durch die zusätzliche Ver¬ brennung von Brennstoff wird in der Turbine im wesentlichen derjenige Zustand hergestellt, der ohne das Vorsehen von
Kühlgasströmen herrschen würde; abgesehen von zusätzlichen Energieverlusten in dem Leitungssystem, welches ein Kühlgas-
ström durchfließen muß, ist es daher mehr oder weniger gleichgültig, welche Menge an Kühlgas für die zu kühlenden Strukturkomponenten bereitgestellt wird. Unter Umständen kön¬ nen die KühlkanalSysteme in den entsprechenden Strukturkompo- nenten der Turbine somit vereinfacht und die Fertigungskosten dieser Strukturkomponenten deutlich gesenkt werden. Die Er¬ findung ist allerdings auch mit modernen, hohe Kühlwirkung mit vergleichsweise kleinen Kühlluftmengen erzielenden Kühl- systemen kombinierbar, denn bei einer solchen Kombination werden jedenfalls zusätzliche thermodynamische Verluste, die sich im Zusammenhang mit der notwendigen Aufbereitung der Kühlluft ergeben, am geringsten gehalten. Schließlich kann die Verbrennung von Brennstoff in der Turbine eine Zwi¬ schenerhitzung des Rauchgasstroms ersetzen. Eine Zwischener- hitzung wird realisiert, indem man eine Turbine zweiteilig ausführt und den Rauchgasstrom zwischen den beiden Teilen der Turbine durch Verbrennung von entsprechend zugeführtem Brenn¬ stoff erneut erhitzt; das Prinzip entspricht dem vielfach an¬ gewendeten Prinzip der Zwischenüberhitzung in einer Dampftur- binenanlage.
Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung wird der Brennstoff dem Kühlgasstrom zugemischt, bevor dieser dem Rauchgasstrom zugeführt wird; die entsprechende Turbine weist in dem Kühl- leitungssystem entsprechend einen Mischer zur Zumischung von Brennstoff zu dem den Mischer durchströmenden Kühlgasstrom auf. Die Zumischung des Brennstoffs erfolgt weiterhin vor¬ zugsweise, bevor dieser die Strukturkomponente durchströmt, und außerdem bevorzugt wird der Brennstoff homogen in den Kühlgasstrom eingemischt. Dies ist von Bedeutung deshalb, weil eine homogene Verteilung des Brennstoffs in den Kühl¬ gasström die Zündfähigkeit des entstandenen Gemisches am wei¬ testen herabsetzt.
In dem Fall, in dem der Kühlgasstrom im wesentlichen aus Luft besteht, wird der Brennstoff vorzugsweise zu einem Gewichts- anteil von höchstens 2% dem Kühlgasstrom zugemischt; in die-
sem Mischungsverhältnis ist eine unbeabsichtigte Zündung des Gemisches aus Luft und Brennstoff im wesentlichen ausge¬ schlossen, insbesondere dann, wenn der Brennstoff homogen in den Kühlgasstrom eingemischt ist. Demselben Zweck dient es und den entsprechenden Vorteil vergrößert es, wenn der Kühl- gasstrom vor Zumischung des Brennstoffs gekühlt wird, wofür das Kühlleitungssystem der Turbine zwischen dem Kompressor und dem Mischer mit einem entsprechenden Kühler zur Kühlung des Kühlgasstroms zu versehen wäre,* eine solche Kühlung ist von besonderer Bedeutung dann, wenn die verdichtete Luft, aus der der Rauchgasstrom gebildet wird, auf mehr als etwa das 20fache des Umgebungsdrucks komprimiert und ein Temperaturni¬ veau bei etwa 500 °C erreicht wird.
Die gekühlte Strukturkomponente der Turbine ist vorzugsweise ein Leitrad, insbesondere ein erstes Leitrad, welches von dem Rauchgasstrom beim Eintritt in die Turbine direkt angeströmt wird, oder ein direkt hinter einem solchen ersten Leitrad an¬ geordnetes zweites Leitrad. Die dem ersten Leitrad zugeführte Kühlluftmenge beträgt vorzugsweise ca. 5% bis 15%, insbeson¬ dere 10% der gesamten durch den Verdichter strömenden Luft- menge . Entsprechend werden für die Anwendung der Erfindung vor allem die im Bereich des Turbineneintritts liegenden Stu¬ fen der Turbine in Betracht gezogen; an diesen Turbinenstufen ist das Temperaturniveau in dem Rauchgas besonders hoch, und damit der durch die besondere Aufheizung der Kühlluft auf ein Temperaturniveau des Rauchgasstroms erzielbare Vorteil am größten. Da Leiträder in der Turbine ruhende Strukturkompo¬ nenten sind, entfällt bei der Zufuhr des Kühlgases zu diesen Strukturkomponenten auch ein Übergang aus einem ruhenden in einen rotierenden Kanal, wie er beispielsweise zur Zustellung von Kühlluft zu Strukturkomponenten eines Rotors der Turbine erforderlich wäre. Die Kühlung rotierender Komponenten der Turbine kann weiterhin mit Luft ohne zudosierten Brennstoff erfolgen; die Zugabe von Brennstoff zum Zwecke der Kompensa¬ tion einer ansonsten eintretenden Temperaturabsenkung kann allein über ruhende Strukturkomponenten erfolgen.
Weiterhin bevorzugt ist die Anwendung des Verfahrens bzw. die Ausgestaltung der Turbine dahingehend, daß der Rauchgasstrom und der Kühlgasstrom gebildet werden aus Luft, welche in ei- nem einzigen Kompressor, insbesondere einem Turboverdichter, komprimiert wird. Der Kompressor wird dabei insbesondere von der Turbine angetrieben, ist also mit der Turbine und einer hier nicht näher zu beschreibenden Verbrennungseinrichtung zu einer Gasturbine im Sinne der herkömmlichen Praxis kombi- niert.
Grundlagen sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Die Zeichnung ist, soweit sie ein Ausführungsbeispiel betrifft, zur Ver- deutlichung bestimmter Merkmale teilweise schematisiert oder leicht verzerrt ausgeführt; sie ist nicht als maßstabsge¬ rechte Wiedergabe konkreter Ausführungsbeispiele zu verste¬ hen. Im einzelnen zeigen:
Figur 1 ein Entropie-Enthalpie-Diagramm zur Erläuterung eines Heißgasprozesses und eines Kühlgasprozes- ses;
Figur 2 eine Darstellung einer Gasturbine im Sinne vor- stehender Ausführungen;
Figur 3 einen axialen Längsschnitt durch eine Turbine; und
Figur 4 einen axialen Querschnitt durch ein erstes Leit¬ rad einer Turbine.
Figur 1 zeigt, aufgetragen in einem Diagramm, welches die Enthalpie h gegen die Entropie S eines Arbeitsmediums dar- stellt, einen Heißgasprozeß und einen Kühlgasprozeß, wie sie in einer Gasturbine ablaufen. Enthalpie h und Entropie S sind thermodynamische Zustandsgrößen, die zur Beschreibung eines
thermodynamischen Prozesses m einer Turbomaschine herkommli- cherweise benutzt werden. Dabei ist die Enthalpie eine Größe, die eng mit der Temperatur des Arbeitsmediums korreliert ist. Unter der Bedingung, daß der Druck des Arbeitsmediums kon- stant bleibt, gibt sie dessen Wärmemhalt an. Die Entropie ist eine andere thermodynamische Zustandsgröße, die unter an¬ derem bestimmt, welcher Anteil der m einem thermodynamischen System, insbesondere m dem hier in Betracht gezogenen Ar¬ beitsmedium, insgesamt verfügbaren Energie m Form mechani- scher Energie extrahierbar ist. Die Entropie als thermodyna¬ mische Zustandsgröße ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß sie bei einer adiabatischen Kompression oder Expansion eines Arbeitsmediums konstant bleibt.
Em Heißgasprozeß, welcher hauptsächlich die von einer
Gasturbine produzierte Energie liefert, ist dargestellt von denjenigen Linien, welche die Punkte 1, 2, 3 und 4 miteinan¬ der verbinden. Der Punkt 1 gibt den thermodynamischen Zustand des Arbeitsmediums, also Luft, bei den normalen Umgebungsbe- dmgungen hinsichtlich Druck und Temperatur an. Die Linie zwischen den Punkten 1 und 2 symbolisiert die Kompression des Arbeitsmediums m dem Kompressor, wobei sich die Entropie des Arbeitsmediums nur wenig ändert; diese Änderungen entsprechen irreversiblen Prozessen und also Verlusten. Die Linie zwi- sehen den Punkten 2 und 3 symbolisiert die Aufheizung des Ar¬ beitsmediums nach erfolgter Kompression bei weitgehend kon¬ stantem Druck. Selbstverständlich impliziert die herkömmlich m Form einer Verbrennung ablaufende Aufheizung des Arbeits¬ mediums eine Änderung seiner chemischen Zusammensetzung; diese Änderung hat auf die Thermodynamik jedoch keinen we¬ sentlichen Einfluß. Der zu entspannende Rauchgasstrom liegt vor beim Punkt 3. Zwischen den Punkten 3 und 4 erfolgt die weitgehend adiabatische Expansion des Rauchgasstroms in der Turbine, und die Linie zwischen den Punkten 4 und 1 ent- spricht schließlich einer Abkühlung des bereits auf Umge¬ bungsdruck entspannten Arbeitsmediums zur Umgebungstempera¬ tur. Im Falle einer Gasturbine wird dies dadurch realisiert,
daß sich das aufgeheizte Arbeitsmedium in der Umgebung, die als thermodynamisches Plenum anzusehen ist, verteilt. Die me¬ chanische Arbeit, die der Heißgasprozeß leistet, ist gegeben durch die Differenz zwischen der bei der Expansion abgebauten Expansionsenthalpie hE und der bei der Kompression aufgebau¬ ten Kompressionsenthalpie hκ. Ein Kühlgasprozeß ist ebenfalls in Figur 1 dargestellt; dieser Kühlgasprozeß verläuft zwi¬ schen den Punkten 1, 2, 5 und 6. Der Punkt 5 liegt unterhalb der die Punkte 2 und 3 verbindenden Linie; dies erklärt sich daraus, daß das Kühlgas dem Rauchgasstrom erst zugeführt wird, nachdem dieser bereits Druck abgebaut hat. Man erkennt deutlich, daß die Expansionsenthalpie hE* deutlich kleiner ist als die Expansionsenthalpie hE des Heißgasprozesses, so daß der Kühlgasprozeß kaum einen Beitrag zur tatsächlich er- brachten Nutzarbeit leisten kann.
Die Erfindung zeichnet sich vor allem dadurch aus, daß der Punkt 5 auf einer Linie konstanten Drucks nach rechts oben verschoben wird und in die Nähe deε Punktes 3 gelangt; auf diese Weise kann die Expansionsenthalpie hE* des Kühlgaspro¬ zesses deutlich gesteigert werden, so daß auch er Nutzarbeit in nennenswertem Umfang liefern kann. Wie dies zu bewerkstel¬ ligen ist, wird nunmehr anhand der Figuren 2, 3 und 4 erläu¬ tert.
Figur 2 kann betrachtet werden sowohl als schematisierte Dar¬ stellung einer Gasturbine als auch als schematisierte Dar¬ stellung des in einer Gasturbine ablaufenden thermodynami¬ schen Prozesses. Die Figuren 3 und 4 sollen gewisse konstruk- tive Einzelheiten verdeutlichen, die in einer Gasturbine ge¬ mäß Figur 2 von Bedeutung sein können.
Figur 2 zeigt eine Turbine 7, welche mit einem Kompressor 8, insbesondere einem Turboverdichter, und einer Verbrennungs- einriehtung 9 zu einer Gasturbine vereinigt ist, in welcher ein thermodynamischer Prozeß, umfassend einen Heißgasprozeß sowie zumindest einen Kühlgasprozeß der anhand von Figur 1
erläuterten Art, umfaßt. Die Turbine 7 treibt den Kompressor 8 über eine Turbinenwelle 10 an. Der Kompressor 8 stellt ei¬ nen Zuluftstrom aus verdichteter Luft bereit, welcher über eine Zuluftleitung 11 zur Verbrennungseinrichtung 9 gelangt, wo er aufgeheizt und in einen Rauchgasstrom umgewandelt wird, welcher durch eine Rauchgasleitung 12 zur Turbine 7 gelangt. Dort fließt er einem Einströmbereich 13 zu, um schließlich nach vollständiger Entspannung wieder in die Umgebung entlas¬ sen zu werden.
Im Hinblick auf die Erläuterung des Verfahrens können die Zu- luftleitung 11 und die Rauchgasleitung 12 angesehen werden als gleichbedeutend mit dem Zuluftström 11 bzw. dem Rauch¬ gasstrom 12, den sie jeweils leiten. Ebenso sind die nachfol- gend zu erklärenden Kühlleitungen 14 und 15 zu verstehen als vorrichtungsmäßige Pendants für den Kühlgasstrom 14 bzw. 15, den sie leiten. Gleiches gilt schließlich für die Brenn¬ stoffleitung 17 bzw. die Abzweigung 18 und den Brennstoff, den diese jeweils leiten.
Da der Rauchgasstrom 12 sehr heiß ist, muß eine Möglichkeit vorgesehen werden, die Turbine 7 bzw. ihre entsprechend bela¬ steten Strukturkomponenten zu kühlen. Hierfür wird aus dem Zuluftstrom 11 über eine erste Kühlleitung 14 Luft abgezapft, welche nicht zur Verbrennungseinrichtung 9 gelangt, sondern als Kühlgasstrom mehr oder weniger direkt, vorliegend über eine zweite Kühlleitung 15, der Turbine 7 zugeführt wird. Um den Kühlgasprozeß, welchen der Kühlgasstrom 14, 15 durch¬ läuft, zu verbessern, wird von dem über eine Brennstoffpumpe 16 und eine Brennstoffleitung 17 der Verbrennungseinrichtung 9 zugeführten Brennstoff über eine Abzweigung 18 und ein Stellventil 19 ein Teil abgezweigt, welcher zu einem Mischer 20 gelangt und dort mit der durch die erste Kühlleitung 14 geförderten Kühlluft vermischt wird. Der somit erhaltene, mit Brennstoff versetzte Kühlgasstrom gelangt durch die zweite
Kühlleitung 15 zur Turbine 7, wird also dem Rauchgasstrom 12 zudosiert, wo er unter Freisetzung zusätzlicher Wärmeenergie
verbrennt. Hierdurch wird die gewünschte zusätzliche Aufhei- zung des Kühlgasstroms 14, 15 realisiert.
Von großer Bedeutung ist, daß das Stellventil 19 zum angege- benen Zweck eingestellt bzw. gesteuert wird, wofür eine Steu¬ ereinrichtung 21 vorgesehen ist, welche das Stellventil 19 entsprechend einer Vorgabe 22 steuert. Die Vorgabe 22 kann ein rechnerisch oder erfahrungsmäßig ermittelter Wert sein und einer in dem Kühlgasstrom gewünschten Brennstoffkonzen- tration entsprechen; es ist selbstverständlich auch möglich, die Steuereinrichtung 21 in einen Regelkreis einzubeziehen, welcher Informationen aus einem geeignet angeordneten Sensor, beispielsweise einem Temperatursensor in der Turbine 7, aus¬ wertet und entsprechend die Vorgabe 22 liefert. Die Kombina- tion aus dem Stellventil 19 und der Steuereinrichtung 21 bil¬ det einen Dosierer 19, 21 für den dem Rauchgasstrom 12 zuzu- dosierenden Brennstoff 18. Um den Kühlgasstrom 14, 15 zur Verbesserung der Kühlwirkung in der Turbine 7 und zur Herab¬ setzung der Wahrscheinlichkeit einer vorzeitigen Entzündung des zudosierten Brennstoffs 18 zu kühlen, ist in der ersten Kühlleitung 14 ein Kühler 33 vorgesehen.
Figur 3 zeigt eine Teilansicht eines axialen Längsschnitts durch die Turbine 7, unter Einbeziehung ihres Einströmbe- reichs 13, in welchen der zu entspannende Rauchgasstrom 12 zuerst gelangt . Der Rauchgasstrom 12 durchströmt die Turbine 7 von links nach rechts. Er gelangt zunächst zu einer ersten Leitschaufel 23, welche mit einer Vielzahl identischer Leit- schaufeln ein ringförmiges erstes Leitrad bildet . Dieses er- ste Leitrad 23 ist in dem in Figur 4 gezeigten Querschnitts ausschnittsweise dargestellt. Gemäß Figur 3 gelangt der Rauchgasstrom hinter dem ersten Leitrad 23 zu einem ersten Laufrad 24, gebildet aus einer Vielzahl erster Laufschaufeln 24, welche während des Betriebs der Turbine 7 anders als die ersten Leitschaufeln 23 rotieren. Hinter dem ersten Laufrad angeordnet ist ein zeites Leitrad 25 aus zweiten Leitschau¬ feln sowie ein zweites Laufrad 26 aus zweiten Laufschaufeln;
jedes Leitrad 23 oder 25 bildet mit dem unmittelbar folgenden Laufrad 24 bzw. 26 eine Turbinenstufe. Ein herkömmliche Gasturbine hat insbesondere vier Turbinenstufen, wobei in der Regel zumindest die im Einströmbereich 13 liegenden Turbinen- stufen kühlbar sind.
Die Laufschaufeln 24 und 26 sind mit zugehörigen Schaufel- fußen 27 in einem drehbaren Turbinenrotor 28 verankert; die Schaufelfüße 27 müssen insbesondere die erheblichen Zentrifu- galkräfte aufnehmen, denen die Laufschaufeln 24 und 26 wäh¬ rend des Betriebs ausgesetzt sind.
Die erste Leitschaufel 23 wird gekühlt, indem ihr durch einen innenliegenden Kühlkanal 29 ein Teil des Kühlgasstroms zuge- führt wird; zur Kühlung der ersten Laufschaufel 24 vorgesehen ist ein interner Kühlkanal 30. Aus den Kühlkanälen 29 und 30 gelangt der Kühlgasstrom durch Kühlgasöffnungen 31 in den Rauchgasstrom 12.
Dem Kühlkanal 29 kann, da er lediglich durch das feststehende Turbinengehäuse 32 der Turbine 7 geführt werden muß, ohne weiteres der mit Brennstoff versetzte Kühlgasstrom 15 zuge¬ führt werden. Da der Kühlkanal 30 letztlich durch den während des Betriebs rotierenden Turbinenrotor 28 geführt werden muß, wird ihm zweckmäßigerweise ein Kühlgasstrom 14 ohne Brenn¬ stoff zugeführt, denn auf diese Weise wird vermieden, daß Brennstoff durch ein Übergangsteil zwischen einer feststehen¬ den und einer rotierenden Turbinenkomponente geführt werden muß. Für die Praxis bedeutet dies jedoch kaum eine Einschrän- kung, da es in den meisten Fällen ausreichen dürfte, den
Brennstoff allein durch Kühlkanäle nach Art des Kühlkanals 29 zu führen.
Auf Figur 4 ist bereits hingewiesen worden; diese Figur zeigt im wesentlichen einen Querschnitt durch das erste Leitrad 23, gebildet von den ersten Leitschaufeln 23. Zur Erläuterung ist somit hauptsächlich zu verweisen auf die Erläuterung der Fi-
gur 3; ergänzend zur Figur 3 zeigt Figur 4 auch Mittel, um die ersten Leitschaufeln 23 in dem Turbinengehäuse 32 zu be¬ festigen, sowie Einzelheiten des Kühlkanals 29.
Die vorliegend beschriebene Erfindung zeichnet sich insbeson¬ dere dadurch aus, daß gewisse Nachteile, die in herkömmlichen Gasturbinen aufgrund der Notwendigkeit zur Kühlung bestimmter Strukturkomponenten in Kauf genommen werden mußten, ausge¬ räumt sind. Dies erfolgt im wesentlichen dadurch, daß die Kühlgasprozesse, die im Rahmen solcher Kühlungen ablaufen müssen, den Heißgasprozessen, welche die von einer Gasturbine abgegebene Nutzarbeit hauptsächlich liefern, angeglichen wer¬ den.