WO1998013594A1 - Mischung von zwei fluidströmen an einem verdichter - Google Patents

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WO1998013594A1
WO1998013594A1 PCT/DE1997/002049 DE9702049W WO9813594A1 WO 1998013594 A1 WO1998013594 A1 WO 1998013594A1 DE 9702049 W DE9702049 W DE 9702049W WO 9813594 A1 WO9813594 A1 WO 9813594A1
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compressor
outlet diffuser
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blades
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PCT/DE1997/002049
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Thomas Schulenberg
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/12—Cooling of plants
    • F02C7/16—Cooling of plants characterised by cooling medium
    • F02C7/18—Cooling of plants characterised by cooling medium the medium being gaseous, e.g. air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/32—Inducing air flow by fluid jet, e.g. ejector action
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/60—Fluid transfer
    • F05D2260/601—Fluid transfer using an ejector or a jet pump

Definitions

  • the present invention relates to a mixing device which has at least one outlet diffuser for a compressor.
  • the compressor compresses a first fluid stream that flows through the outlet diffuser.
  • a method for supplying a second fluid stream to the first fluid stream is described.
  • a preferred field of application of the invention is the use in a stationary gas turbine plant, as is present in a gas turbine power plant.
  • the problem of admixing a second fluid stream into a first fluid stream which is advantageously solved with the invention, will be shown using the example of a gas turbine.
  • Crucial parameters in large power plant systems are the performance of the system components such as gas turbines, compressors or burners.
  • the overall efficiency of the system is decisively influenced by its performance.
  • the performance of a gas turbine and the efficiency of a gas turbine power plant that uses waste heat can be increased primarily by increasing the turbine inlet temperature of the gas turbine. This increase stands in the way, however, that it also increases the combustion temperature in the combustion chamber of the gas turbine.
  • thermal nitrogen oxides are increasingly being produced. It is therefore a goal of gas turbine development on the one hand to maximize the turbine inlet temperature and on the other hand to minimize the combustion temperature at the same time so that the formation of nitrogen oxides remains at least within the framework of legal requirements.
  • the hot flue gas from the combustion chamber is cooled on the way to the turbine inlet by mixed cooling air from the combustion chamber walls to the turbine inlet temperature. This means that by adding cooling air to the combustion temperature the turbine inlet temperature is increased. To achieve the goal of maximum combustion temperature, any admixture of cooling air into the combustion chamber is therefore dispensed with. The combustion temperature in the combustion chamber and the turbine inlet temperature are then almost the same.
  • a combustion chamber is known, the walls of which are cooled but are completely closed towards the combustion chamber.
  • the closed combustion chamber wall is cooled from the outside by a kind of air shower.
  • the warmed up cooling air then flows to the burner.
  • the pressure of the combustion air flow not used for cooling must be throttled in front of the burner so that the heated cooling air flowing into the burner enters the burner from the outer wall of the combustion chamber. This results in an increased pressure loss of such a combustion chamber compared to a conventional combustion chamber.
  • the deterioration in the efficiency of the combustion chamber accordingly also affects the efficiency of the gas turbine system.
  • the object of the present invention is to make at least the coolant used for cooling a closed combustion chamber wall itself usable in the gas turbine process without it being fed directly to the burner.
  • the invention has a mixing device with at least one outlet diffuser for a compressor.
  • the compressor compresses a first fluid flow that flows through the outlet diffuser.
  • the outlet diffuser has a feed for a second fluid flow for flowing into the outlet diffuser.
  • Such a mixing device enables a second fluid stream to be fed into and admixed into the first fluid stream before it enters a system component following the outlet diffuser. This enables both fluid flows to mix and that the resulting fluid flow is homogenized up to the subsequent part of the plant.
  • This has the advantage that the downstream system component, for example a gas turbine combustion chamber, achieves desired goals, such as a reduction in the nitrogen oxides, owing to the homogenized inflowing fluid.
  • An advantageous embodiment of the invention is a mixing device on an outlet diffuser, which is connected to a compressor of a gas turbine system.
  • the compressor compresses a first fluid flow, which then enters the outlet diffuser of the compressor.
  • the outlet diffuser and / or the compressor adjacent to one of the blade rows of the compressor has a line for supplying a second fluid flow, which leads directly or indirectly into the outlet diffuser or to the blade row.
  • the second fluid stream has a lower total pressure than that at the outlet of the outlet diffuser.
  • the supply of the second fluid stream to the first takes place in such a way that the compressed first fluid stream passing through the cross section of the outlet diffuser or the row of blades draws the second fluid stream into the outlet diffuser or into the row of blades.
  • the invention allows that for cooling the combustion chamber of a gas turbine, to which a compressor with an outlet diffuser is connected, after cooling at least part of the combustion chamber by the second fluid flow, the latter is at least partially fed to the outlet diffuser and / or one of the rows of blades of the compressor becomes.
  • the feed into the outlet diffuser is advantageously chosen when the flow losses for cooling and along the lines for the second fluid flow are low. Mixing into one of the rows of blades of the compressor is particularly preferred if the pressure drop in relation to the outlet diffuser is too high for an energetically favorable supply of the second fluid flow to be possible.
  • the design of the lines that carry the second fluid flow can therefore be freely designed. In particular, a closed combustion chamber wall of the gas turbine can be supplied from the outside in this way. big cool.
  • a partial flow of the compressor exhaust is taken as the second fluid flow. This is blown onto the closed combustion chamber wall in the form of an air shower and then flows past it on the outside.
  • the partial flow of the compressor exhaust air can, however, also be applied to and flows around the combustion chamber wall only in the form of an air shower or only as an external flow.
  • Another embodiment of the invention provides that instead of a completely closed outer wall of the combustion chamber, it is permeable to a part of the second fluid flow at defined points.
  • the defined points are arranged on the combustion chamber in such a way that the incoming cooling air, or another cooling medium such as water vapor, has an advantageous effect on the combustion.
  • a supporting temperature reduction or post-combustion can be carried out in this way.
  • the invention In addition to a flow around the outer wall of the combustion chamber through the entire second fluid flow and subsequent forwarding to the outlet diffuser and / or the row of blades of the compressor, the invention also enables at least part of the second fluid flow to be taken from a steam power cycle of a steam power process and then, after the Cooling, is also forwarded to the outlet diffuser or the row of blades of the compressor.
  • the use of steam as the second fluid stream allows a mixture which is homogeneous after being mixed with the first fluid stream to be fed to the burner, which reduces the temperatures in particular in the primary zone of the combustion chamber to such an extent that the formation of temperature-related nitrogen oxides is largely avoided.
  • FIG. 1 shows a section of a gas turbine system with a cooled outer wall of the combustion chamber and subsequent feeding of the cooling medium into the outlet diffuser
  • FIG. 2 shows a further section of a gas turbine system with a supply of the cooling medium of the first turbine blade row to a blade row of a compressor of the gas turbine system
  • FIG. 3 a nozzle-shaped feed, for example on the outlet diffuser
  • Figure 4 shows a combination of different
  • Outlet diffuser and / or fluid streams to be supplied to a row of blades of the compressor are provided.
  • FIG. 1 shows a section of a gas turbine with a compressor 2, a combustion chamber 7 and the actual turbine 8.
  • An outlet diffuser 1 is arranged on the compressor 2.
  • a second fluid flow 5 is fed to this feed 3 by means of a line 4, which is mixed into the outlet diffuser 1 at the cross section A A with the first fluid flow 17 compressed by the compressor 2.
  • a structural configuration is also possible in which the second fluid flow 5 is fed to one of the blade rows 6 of the compressor 2.
  • Such a design is described below, with the one not shown in this figure 1
  • Turbine 8 a second fluid stream 5 is returned to the compressor 2.
  • the outer wall 9 of the combustion chamber 7 flows around in a shower shape with the second fluid stream 5. This is indicated by the arrows.
  • the second fluid flow 5 completely re-enters the line 4.
  • the second fluid stream 5 is obtained before the actual cooling by separating it from the first fluid stream 17, the remaining stream 22 of which is led to the gas turbine burner 21.
  • FIG. 1 In addition to the avoidance of cooling air admixture into the combustion chamber 7 of the gas turbine system, the embodiment of the invention shown in FIG. 1 has further advantages:
  • the residual stream 22 of the first fluid stream 17, which is fed to the gas turbine burner 21, does not have to be required in order to reduce the pressure drop in the air shower for the
  • the warmed up cooling air as the second fluid stream 5 is admixed to the gas turbine burner 21 well before the gas. It can thus mix homogeneously with the compressor air as the first fluid stream 17. Hot streaks in the burner supply air 22 fed to the burner 21 are thereby avoided. The burner's nitrogen oxide emissions are reduced in this way.
  • FIG. 2 shows a further application of the invention.
  • the second fluid stream 5 is used to cool the first row of blades of the turbine 8.
  • the turbine blade 14 is hollow, so that the second fluid stream 5 can be branched off from the first fluid stream 17 and is guided to the turbine blade 14 by corresponding feeds.
  • the line 4 as a coolant drain is designed so that the pressure drop due to flow losses is low.
  • the administration 4 is designed such that a corresponding conceptual redesign of the gas turbine system for admixing the second fluid stream 5 into the first fluid stream 17 can easily be adapted to existing concepts. Due to the somewhat higher pressure loss compared to cooling the outer wall 9 of the combustion chamber 7 in FIG. 1, the second fluid flow in FIG.
  • the second fluid stream 5 can also be mixed in in the outlet diffuser 1.
  • FIG. 3 shows a constructional design of the supply of the second fluid stream 5 to the first fluid stream 17. This time the line 4 is attached directly to the outlet diffuser 1.
  • the total pressure in line 4 is equal to the static pressure in the cross section of the outlet diffuser 1, into which the line 4 opens in this case, and is therefore lower than the total pressure in this cross section of the outlet diffuser.
  • the nozzle 10 can be designed in various ways. In one configuration, the nozzle opening extends along a radial section of the outer wall of the outlet diffuser 1. This results in a channel-like nozzle feed of the second fluid flow 5.
  • Another embodiment provides individually distributed nozzles 10 over the circumference of the outlet diffuser 1 or the blade rows 6 of the compressor 2.
  • FIG. 4 shows a combination of different second fluid flows 5, which are fed to the compressor 2 or the outlet diffuser 1.
  • a steam power process 19 is connected downstream of the turbine 8. This uses the waste heat from the flue gas 15, which is still there after the turbine 8. finds.
  • Via a feed line 25, the air flow used as coolant for the outer wall 9 of the combustion chamber 7 and originating from the compressor 2 is fed as a second fluid flow 5 via a valve 12 in the feed line 25 to the outlet diffuser 1 and / or optionally to the compressor 2, as shown in broken lines is shown.
  • the change in cross section in the feed line 20 and in the feed line 25 can be changed such that, depending on the operating state of the gas turbine installation and in particular a desired combustion state within the combustion chamber, a flexible admixture of a second fluid stream 5 to the first fluid stream
  • a further possibility of making a suitable second fluid stream 5 feedable to the outlet diffuser 1 or the compressor 2 is realized by the feed line 27.
  • a partial flow is taken from the steam turbine 28 and by means of a control or regulation
  • FIG. 4 which can be mixed with the first fluid flow 17, indicate the wide field of application of the invention.
  • a mixing device according to the invention is not limited to a gas turbine plant. Rather, such a mixing device is suitable wherever two fluid streams are to be mixed homogeneously with one another before they then enter another part of the system.
  • the invention enables, as in the reduction of the cooling air admixture to the flue gas, an output of a system component, in this case the gas turbine output, to be increased and the system efficiency to be increased as a result.
  • Another advantage of the invention is that a quasi lost Pressure can be recovered in a cooling circuit or another fluid circuit.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mischung eines ersten Fluidstromes (17) mit einem zweiten Fluidstrom (5) sowie eine Mischvorrichtung mit mindestens einem Austrittsdiffusor (1) für einen Verdichter (2), der den ersten Fluidstrom (17) verdichtet. Der erste Fluidstrom (17) strömt durch den Austrittsdiffusor (1), der eine Zuführung (3) für einen zweiten Fluidstrom (5) zum Einströmen in den Austrittsdiffusor (1) hat. In einer anderen Ausgestaltung weist der Verdichter (2) eine entsprechende Zuführung (3) auf. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist eine stationäre Gasturbinenanlage mit nachgeschalteter Wärmenutzung. Die Erfindung ermöglicht insbesondere, eine geschlossene Außenwand (9) der Brennkammer (7) zu kühlen, wodurch eine Vermischung von Rauchgasen und Kühlluft in der Brennkammer (7) vermeidbar ist.

Description

Beschreibung
Mischung von zwei Fluidströmen an einem Verdichter
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung, die mindestens einen Austrittsdiffusor für einen Verdichter aufweist. Der Verdichter verdichtet einen ersten Fluidstrom, der durch den Austrittsdiffusor strömt. Weiterhin wird ein Verfahren zur Zuführung eines zweiten Fluidstromes zu dem ersten Fluidstrom beschrieben. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Einsatz in einer stationären Gasturbinenanlage, wie sie bei einem Gasturbinenkraftwerk vorliegt. Im folgenden soll am Beispiel einer Gasturbine die Problematik der Zumischung eines zweiten Fluidstromes in einen ersten Fluidstrom aufgezeigt werden, die mit der Erfindung vorteilhaft gelöst wird.
Entscheidende Parameter bei Großkraftwerksanlagen sind die Leistung der Anlagenteile wie Gasturbine, Verdichter oder auch Brenner. Der Gesamtwirkungsgrad der Anlage wird von deren Leistungen entscheidend beeinflußt. Die Leistung einer Gasturbine sowie der Wirkungsgrad eines Gasturbinenkraftwerks, welches Abwärme nutzt, kann in erster Linie gesteigert werden, indem die Turbineneintrittstemperatur der Gasturbine erhöht wird. Dieser Steigerung steht jedoch entgegen, daß dadurch auch die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer der Gasturbine erhöht wird. Dadurch werden vermehrt thermische Stickoxide produziert. Daher ist ein Ziel der Gasturbinenentwicklung, auf der einen Seite die Turbineneintrittstemperatur zu maximieren und auf der anderen Seite gleichzeitig die Verbrennungstemperatur so zu minimieren, daß die Bildung von Stickoxiden zumindest im Rahmen gesetzlicher Auflagen bleibt . Bei heutigen Gasturbinen wird das heiße Rauchgas aus der Brennkammer auf dem Weg bis zum Turbineneintritt durch zuge- mischte Kühlluft von den Brennkammerwänden auf die Turbineneintrittstemperatur abgekühlt. Das bedeutet, daß durch diese Zumischung von Kühlluft die Verbrennungstemperatur gegenüber der Turbineneintrittstemperatur erhöht ist. Zur Erreichung des Zieles einer maximalen Verbrennungstemperatur wird daher auf jegliche Zumischung von Kühlluft in die Brennkammer verzichtet. Die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer sowie die Turbineneintrittstemperatur sind dann nahezu gleich.
Bekannt ist es, daß in Gasturbinen, wie sie die Anmelderin verwendet, die Brennkammerkühlluft minimiert wird, indem die Brennkammer mit keramischen Steinen ausgekleidet ist . Diese bedürfen nur einer geringen Kühlung. Allerdings wird ein gewisser Volumenstrom an Kühlluft eingesetzt, um die Spalten zwischen den Brennkammersteinen gegen ein Eindringen von heißem Rauchgas zu sperren. Dadurch wird verhindert, daß die heißen und aggressiven Rauchgase auf die Außenhaut der Brenn- kamer auftreffen und diese schädigen können.
Weiterhin ist eine Brennkammer bekannt, deren Wände zwar gekühlt aber zum Brennraum hin völlig geschlossen sind. Die geschlossene Brennkammerwand wird von außen durch eine Art Luftdusche gekühlt. Die aufgewärmte Kühlluft strömt anschließend zu dem Brenner. Um der Luftdusche das für die Strömung notwendige Druckgefälle zur Verfügung zu stellen, muß der Druck des nicht zur Kühlung verwendeten Verbrennungs- luftstromes vor dem Brenner so gedrosselt werden, daß die im Brenner zuströmende, aufgewärmte Kühlluft von der Brennkammeraußenwand in den Brenner eintritt. Daraus ergibt sich ein erhöhter Druckverlust einer derartigen Brennkammer gegenüber einer konventionellen Brennkammer. Die Wirkungsgradverschlechterung der Brennkammer wirkt sich dementsprechend auch auf den Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage aus.
Bekannt ist auch, eine Kühlung der Brennkammer der Gasturbine mit Dampf durchzuführen. Aus einem der Gasturbine nachgeschaltetem Dampfprozeß wird im Mitteldruckteil Dampf entnom- men und zur Kühlung der Brennkammerwände verwendet. Anschließend wird der Dampf nach der erfolgten Aufheizung an den Brennkammerwänden der Mitteldruckdampfturbine wieder zu- geführt. Eine derartig gekühlte Brennkammer hat völlig geschlossene Brennkammerwände. Allerdings ist ein Betrieb der Gasturbine allein ohne den Betrieb eines nachgeschalteten Dampfprozesses nicht möglich. Auch muß beim Starten des Gas- und Dampfkraftwerkes zunächst Dampf in einem Hilfskessel erzeugt werden. Dieses führt wiederum zu einer Verteuerung der Gesamtanläge .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, zumindest das zur Kühlung einer geschlossenen Brennkammerwand verwendete Kühlmittel im Gasturbinenprozeß selbst weiter verwendbar zu machen, ohne daß es direkt dem Brenner zugeführt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Mi- schungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1, einer Mischungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 2 sowie einem Verfahren zur Zuführung eines Fluidstromes mit den Merkmalen des Anspruches 14. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen an- gegeben.
Die Erfindung weist eine Mischvorrichtung mit mindestens einem Austrittsdiffusor für einen Verdichter auf. Der Verdichter verdichtet einen ersten Fluidstrom, der durch den Aus- trittsdiffusor strömt. Der Austrittsdiffusor hat eine Zuführung für einen zweiten Fluidstrom zum Einströmen in den Austrittsdiffusor. Eine derartige Mischvorrichtung ermöglicht, daß in den ersten Fluidstrom noch vor Eintritt in einem, dem Austrittsdiffusor nachfolgenden Anlagenbauteil, ein zweiter Fluidstrom zugeführt und beigemischt wird. Dieses ermöglicht, daß beide Fluidströme sich vermischen und daß bis zum nachfolgenden Anlagenteil eine Homogenisierung des resultierenden Fluidstromes eintritt. Dieses hat den Vorteil, daß das nachfolgende Anlagenbauteil, beispielsweise eine Gasturbinen- brennkammer, aufgrund des homogenisierten einströmenden Flui- des gewünschte Ziele erreicht, wie eine Absenkung der Stickoxide. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist eine Mischvorrichtung an einem Austrittsdiffusor, welcher an einem Verdichter einer Gasturbinenanlage angeschlossen ist. Der Verdichter verdichtet einen ersten Fluidstrom, der anschließend in den Austrittsdiffusor des Verdichters eintritt. Der Austrittsdiffusor und/oder der Verdichter benachbart zu einer der Schaufelreihen des Verdichters weist eine Leitung zur Zuführung eines zweiten Fluidstromes auf, die mittelbar oder unmittelbar in den Austrittsdiffusor bzw. zu der Schaufel- reihe mündet. Der zweite Fluidstrom hat einen geringeren Gesamtdruck als derjenige am Austritt des Austrittsdiffusors . Die Zuführung des zweiten Fluidstromes zum ersten erfolgt so, daß der durch den Querschnitt des Austrittsdiffusors bzw. der Schaufelreihe hindurchtretende, verdichtete erste Fluidstrom den zweiten Fluidstrom in den Austrittsdiffusor bzw. in die Schaufelreihe hineinzieht. Zweckmäßig ist es, daß der zweite Fluidstrom durch eine düsenförmige Einrichtung hindurchgeleitet wird. Dadurch nimmt der Fluidstrom eine größere Geschwindigkeit an und läßt sich im Querschnitt und stromabwärts da- von besser mit dem ersten Fluidstrom mischen.
Die Erfindung erlaubt, daß zur Kühlung der Brennkammer einer Gasturbine, an die ein Verdichter mit einem Austrittsdiffusor angeschlossen ist, nach Kühlung von zumindest einem Teil der Brennkammer durch den zweiten Fluidstrom dieser zumindest teilweise dem Austrittsdiffusor und/oder einer der Schaufel- reihen des Verdichters zugeführt wird. Die Zuführung in den Austrittsdiffusor wird vorteilhafterweise dann gewählt, wenn die Strömungsverluste zur Kühlung und entlang der Leitungen für den zweiten Fluidstrom gering sind. Eine Zumischung in eine der Schaufelreihen des Verdichters wird vor allem bevorzugt, wenn das Druckgefälle gegenüber dem Austrittsdiffusor zu hoch ist, als daß eine energetisch günstige Zuführung des zweiten Fluidstromes möglich wäre. Die konstruktive Auslegung der Leitungen, die den zweiten Fluidstrom führen, ist daher frei gestaltbar. Insbesondere läßt sich auf diese Weise eine geschlossene Brennkammerwand der Gasturbine von außen belie- big kühlen. Dem Rauchgas in der Brennkammer braucht daher keine Kühlluft zugemischt werden. Zur Kühlung wird als zweiter Fluidstrom ein Teilstrom der Verdichterentluf entnommen. Dieser wird in Form einer Luftdusche auf die geschlossene Brennkammerwand geblasen und strömt anschließend an ihr außen vorbei . Der Teilstrom der Verdichterentluft ist aber auch nur in Form einer Luftdusche bzw. nur als äußere Strömung auf der Brennkammerwand aufbringbar und umströmt diese. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß anstatt einer vollkommen geschlossenen Brennkammeraußenwand diese an definierten Stellen für einen Teil des zweiten Fluidstromes durchlässig ist. Die definierten Stellen sind an der Brennkammer so angeordnet, daß die eintretende Kühlluft, oder auch ein anderes Kühlmedium wie Wasserdampf, die Verbrennung vor- teilhaft beeinflußt. Bei Aufteilung der Brennkammer in verschiedene Zonen wie Primär- und Sekundärzone ist auf diese Weise eine unterstützende TemperaturabSenkung bzw. Nachverbrennung durchführbar.
Neben einer Umströmung der Außenwand der Brennkammer durch den gesamten zweiten Fluidstrom und anschließender Weiterleitung zum Austrittsdiffusor und/oder der Schaufelreihe des Verdichters ermöglicht die Erfindung ebenfalls, daß zumindest ein Teil des zweiten Fluidstromes aus einem Dampfkraftkreis- lauf eines Dampfkraftprozesses entnommen wird und anschließend, nach der Kühlung, zum Austrittsdiffusor bzw. der Schaufelreihe des Verdichters ebenfalls weitergeleitet wird. Die Verwendung von Dampf als zweiter Fluidstrom gestattet, ein nach Vermischung mit dem ersten Fluidstrom homogenes Ge- misch zum Brenner zuführen, welches die Temperaturen insbesondere in der Primärzone der Brennkammer derartig reduziert, daß die Bildung von temperaturbedingten Stickoxiden weitest- gehend unterbleibt .
Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in der folgenden Zeichnung näher erläutert. Zweckmäßige Ausgestal- tungen ergeben sich durch vorteilhafte Kombination von Merkmalen der dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtungen. Es zeigen:
Figur 1 einen Ausschnitt aus einer Gasturbinenanlage mit gekühlter Brennkammeraußenwand und anschließende Zuführung des Kühlmediums in den Austrittsdiffusor,
Figur 2 einen weiteren Ausschnitt einer Gasturbinenanlage mit einer Zuführung des Kühlmediums der ersten Turbinenschaufelreihe zu einer Schaufelreihe eines Verdichters der Gasturbinenanlage,
Figur 3 eine düsenförmig ausgestaltete Zuführung, beispielsweise am Austrittsdiffusor,
Figur 4 eine Kombination von unterschiedlichen, dem
Austrittsdiffusor und/oder einer Schaufelreihe des Verdichters zuzuführenden Fluidströmen.
Figur 1 zeigt einen Ausschnitt einer Gasturbine mit einem Verdichter 2, einer Brennkammer 7 und der eigentlichen Turbine 8. Ein Austrittsdiffusor 1 ist an dem Verdichter 2 ange- ordnet. Im Austrittsdiffusor 1 befindet sich eine Zuführung 3, die in den Austrittsdiffusor 1 mündet. Dieser Zuführung 3 wird mittels einer Leitung 4 ein zweiter Fluidstrom 5 zugeführt, der in den Austrittsdiffusor 1 am Querschnitt AA dem durch den Verdichter 2 verdichteten ersten Fluidstrom 17 bei- gemischt wird. Je nach auftretendem Druckgefälle entlang der Leitung 4 ist aber auch eine konstruktive Ausgestaltung möglich, bei der der zweite Fluidstrom 5 einer der Schaufelreihen 6 des Verdichters 2 zugeführt wird. Eine derartige konstruktive Ausgestaltung wird noch nachfolgend beschrieben, wobei aus der in dieser Figur 1 nicht näher dargestellten
Turbine 8 ein zweiter Fluidstrom 5 zum Verdichter 2 zurückgeführt wird. In Figur 1 wird die Außenwand 9 der Brennkammer 7 duschenförmig mit dem zweiten Fluidstrom 5 umströmt. Dieses ist durch die eingezeichneten Pfeile angedeutet. Nach Umströmung der Außenwand 9 tritt der zweite Fluidstrom 5 wieder vollständig in die Leitung 4 ein. Der zweite Fluidstrom 5 wird vor der eigentlichen Kühlung durch Abtrennung vom ersten Fluidstrom 17 gewonnen, dessen verbleibender Reststrom 22 zum Gasturbinenbrenner 21 geführt wird.
Neben der Vermeidung von Kühlluftzumischung in die Brennkam- mer 7 der Gasturbinenanlage weist die in Figur 1 dargestellte Ausgestaltung der Erfindung noch weitere Vorteile auf:
Der Reststrom 22 des ersten Fluidstromes 17, welcher dem Gasturbinenbrenner 21 zugeführt wird, muß nicht angedros- seit werden, um den Druckverlust der Luftdusche für die
Außenwand 9 der Brennkammer 7 zu erzeugen. Ist der zweite Fluidstrom klein gegenüber dem aus dem Verdichter austretenden ersten Fluidstrom 17, so ist der Zusatzdruckverlust des Austrittsdiffusors 1 infolge der Zumischung des aufgewärmten zweiten Fluidstromes 5 gering.
Die aufgewärmte Kühlluft als zweiter Fluidstrom 5 wird weit vor dem Gas urbinenbrenner 21 zugemischt. Sie kann sich somit homogen mit der Verdichterentluft als erstem Fluidstrom 17 vermischen. Dadurch werden heiße Strähnen in der dem Brenner 21 zugeführten Brennerzuluft 22 vermieden. Die Stickoxidemissionen des Brenners werden auf diese Weise reduziert.
Figur 2 zeigt eine weitere Anwendung der Erfindung. Der zweite Fluidstrom 5 wird zur Kühlung der ersten Schaufelreihe der Turbine 8 verwendet. Die Turbinenschaufel 14 ist hohl, so daß der zweite Fluidstrom 5 vom ersten Fluidstrom 17 abgezweigt werden kann und durch entsprechende Zuführungen zur Turbinenschaufel 14 geführt wird. Die Leitung 4 als Kühlmittelableitung ist konstruktiv so ausgelegt, daß der Druckabfall aufgrund von Strömungsverlusten gering ist. Die Leitung 4 ist so ausgelegt, daß eine entsprechende konzeptionelle Neugestaltung der Gasturbinenanlage zur Zumischung des zweiten Fluidstromes 5 in den ersten Fluidstrom 17 an vorhandene Konzepte leicht anpaßbar ist. Aufgrund des etwas höheren Druckverlustes gegenüber einer Kühlung der Außenwand 9 der Brennkammer 7 in Figur 1 wird der zweite Fluidstrom in Figur 2 einer Schaufelreihe 6 des Verdichters 2 an einem Querschnitt As mittels der Zuführung 3 zugeführt. Ist der Druck- verlust über der Leitung 4 sowie der Zuführung 3 gering, kann der zweite Fluidstrom 5 auch im Austrittsdiffusor 1 zugemischt werden. Zwischen der Leitung 4 sowie der Zuführung 3 befindet sind ein Raum 23. Dieser ist so gestaltet, daß der zweite Fluidstrom 5 gleichförmig über dem Umfang verteilt über die Zuführung 5 dem ersten Fluidstrom 17 zugemischt wird.
Figur 3 zeigt eine konstruktive Gestaltung der Zuführung des zweiten Fluidstromes 5 zu dem ersten Fluidstrom 17. Die Leitung 4 ist diesmal direkt am Austrittsdiffusor 1 befestigt. Bei Betrieb der dargestellten Mischvorrichtung ist der Gesamtdruck in der Leitung 4 gleich dem statischen Druck in dem Querschnitt des Austrittsdiffusors 1, in den die Leitung 4 in diesem Falle direkt einmündet und damit geringer als der Gesamtdruck in diesem Querschnitt des Austrittsdiffusors. Die Düse 10 kann verschiedenartig ausgebildet sein. In einer Ausgestaltung zieht sich die Düsenöffnung über einen radialen Abschnitt der Außenwand des Austrittsdiffusors 1 entlang. Dadurch ergibt sich eine kanalartige Düsenzuführung des zweiten Fluidstromes 5. Eine andere Ausgestaltung sieht einzeln ver- teilte Düsen 10 über den Umfang des Austrittsdiffusors 1 bzw. der Schaufelreihen 6 des Verdichters 2 vor.
Figur 4 zeigt eine Kombination von verschiedenen zweiten Fluidströmen 5, die dem Verdichter 2 bzw. dem Austrittsdiffu- sor 1 zugeführt werden. Der Turbine 8 ist ein Dampfkraftpro- zeß 19 nachgeschaltet. Dieser nutzt die Abwärme des Rauchgases 15, welche sich noch nach der Turbine 8 in diesem be- findet. Über eine Zuleitung 25 wird der als Kühlmittel für die Außenwand 9 der Brennkammer 7 verwendete, aus dem Verdichter 2 stammende Luftstrom als zweiter Fluidstrom 5 über ein Ventil 12 in der Zuleitung 25 dem Austrittsdiffusor 1 und/oder optional dem Verdichter 2 zugeführt, wie es gestrichelt dargestellt ist. Mittels einer Steuerung oder Regelung
16 ist die Querschnittsänderung in der Zuleitung 20 und in der Zuleitung 25 so veränderbar, daß je nach Betriebszustand der Gasturbinenanlage und insbesondere einem gewünschten Ver- brennungszustand innerhalb der Brennkammer eine flexible Zumischung eines zweiten Fluidstromes 5 zum ersten Fluidstrom
17 erfolgen kann. Die weiterhin dargestellte Zuleitung 26 führt einen zweiten Fluidstrom 5 zuerst zur Gasturbine, wo er eine oder mehrere Turbinenschaufelreihen abkühlt. An- schließend wird dieser zweite Fluidstrom 5 durch ein Ventil
12 geführt, um danach im Austrittsdiffusor 1 bzw. im Verdichter 2 dem ersten Fluidstrom 17 zugemischt werden zu können. Eine weitere Möglichkeit, einen geeigneten zweiten Fluidstrom 5 dem Austrittsdiffusor 1 bzw. dem Verdichter 2 zuführbar zu machen, wird durch die Zuleitung 27 verwirklicht. Wie hier beispielhaft dargestellt, wird aus der Dampfturbine 28 ein Teilstrom entnommen und mittels einer Steuerung oder Regelung
13 je nach Bedarf weitergeleitet.
Die in Figur 4 dargestellten, unterschiedlichen Ströme, die dem ersten Fluidstrom 17 zumischbar sind, deuten das weite Einsatzgebiet der Erfindung an. Die Nutzung einer erfindungs- gemäßen Mischvσrrichtung ist jedoch nicht auf eine Gasturbinenanlage beschränkt. Vielmehr bietet sich eine derartige Mischvorrichtung überall dort an, wo zwei Fluidströme miteinander homogen gemischt werden sollen, bevor sie dann in einen weiteren Anlagenteil eintreten. Weiterhin ermöglicht die Erfindung, daß, wie bei der Reduzierung der Kühlluftzumischung zum Rauchgas, eine Leistung eines Anlagenbauteils, in diesem Falle die Gasturbinenleistung, erhöht sowie der Anlagenwirkungsgrad dadurch gesteigert werden kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, daß ein quasi verloren gegangener Druck in einem Kühlkreislauf oder auch einem anderen Fluid- kreislauf wiedergewonnen werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Mischvorrichtung mit mindestens einem Austrittsdiffusor
(1) für einen Verdichter (2) , der einen ersten Fluidstrom (17) verdichtet, der durch den Austrittsdiffusor (1) strömt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Austrittsdiffusor (1) eine Zuführung (3) für einen zweiten Fluidstrom (5) zum Einströmen in den Austrittsdiffusor (1) hat.
2. Mischvorrichtung für einen ersten Fluidstrom (17) mit einer daran angeschlossenen Gasturbinenanlage mit einem Verdichter (2) , der den ersten Fluidstrom (17) verdichtet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Verdich- ter (2) einen daran angeschlossenen Austrittsdiffusor (1) aufweist, wobei in den Austrittsdiffusor (1) und/oder in eine der Schaufelreihen (6) des Verdichters (6) eine Leitung (4) zur Zuführung eines zweiten Fluidstromes (5) mittelbar oder unmittelbar mündet.
3. Mischvorrichtung Anspruch 1 oder 2 mit mindestens einer Brennkammer (7) für eine Gasturbine und mit einem Verdichter
(2) , durch den der erste Fluidstrom verdichtbar ist, wobei die Brennkammer (7) eine Kühlung zumindest für ihre Außenwand (9) und der anschließbare Verdichter (2) einen Austrittsdiffusor (1) aufweisen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Leitung (4) zu der Brennkammer (7) benachbart ist, wobei die Leitung (4) einen von dem ersten Fluidstrom (17) abtrennbaren zweiten Fluidstrom (5) von der Außenwand (9) der Brennkammer (7) in den Austrittsdiffusor (1) und/oder in eine der Schaufelreihen (6) des Verdichters (2) führt.
4. Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Leitung (4) eine Kühlmittelableitung ist, durch die der zweite Fluidstrom (5) als Kühlmedium für ein zu kühlendes Bauteil nach der Kühlung dem Austrittsdiffusor (1) und/oder der Schaufelreihe (6) zuführbar ist.
5. Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei Betrieb der Mischvorrichtung der Gesamtdruck in der Leitung (4) geringer ist als der Gesamtdruck in demjenigen Querschnitt (As, AA) des Austrittsdiffusors (1) und/oder der Schaufelreihe (6) , in den die Leitung (4) direkt oder mittelbar einmün- det.
6. Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Austrittsdiffusor (1) und/oder der Verdichter (2) benachbart zu der Schaufelreihe (6) und/oder der Leitung (4) eine Düse (10) aufweist.
7. Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Leitung (4; 25) eine Kühlmittelzuleitung ist, die zumindest zu einem Teil zu der Außenwand (9) der Brennkammer (7) benachbart und so gestaltet ist, daß der zweite Fluidstrom als Kühlmedium zumindest einen Teil der Außenwand (9) duschenförmig beströmt.
8. Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Leitung (4; 26) den zweiten Fluidstrom von einer Turbinenschaufel (14) der Gasturbine dem Austrittsdiffusor (1) und/oder der Schaufelreihe (6) des Verdichters (2) zuführt.
9. Verfahren zur Zuführung eines zweiten Fluidstromes (5) in einen Austrittsdiffusor (1) und/oder in eine Schaufelreihe (6) eines Verdichters (2) , wobei der zweite Fluidstrom (5) einen geringeren Druck aufweist als in einem Querschnitt (AA, As) des Austrittsdiffusors (1) oder der Schaufelreihe (6) vorliegt, an dem ein zweiter Fluidstrom (5) so zugeführt wird, daß der durch den Querschnitt (AA, As) hindurchtretende, verdichtete erste Fluidstrom (17) den zweiten Fluidstrom (5) in den Austrittsdiffusor (1) und/oder in die Schaufelreihe (6) hineinzieht.
10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der zweite Fluidstrom (5) durch eine düsenförmige Einrichtung (18) hindurchgeleitet wird.
11. Verfahren zur Kühlung einer Brennkammer (7) einer Gasturbine (8) , an die ein Verdichter (2) , der einen Austrittsdiffusor (1) aufweist, angeschlossen ist, nach einem der Ansprüche 9 oder 10, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß nach Kühlung von zumindest einem Teil der Brennkammer (7) durch den zweiten Fluidstrom (5) dieser zumindest teilweise dem Austrittsdiffusor (1) und/oder einer Schaufelreihe (6) des Verdichters (2) zugeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Außenwand (9) der Brennkammer (7) mit dem zweiten Fluidstrom (5) umströmt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Teil des zweiten Fluidstromes als Kühlmedium der Brennkammer (7) durch die Außenwand (9) der Brennkammer (7) zum Brennkamme- rinnenraum hindurchtritt.
1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der gesamte zweite Fluidstrom (5) nach Umströmung der Außenwand (9) der Brennkammer (7) zum Austrittsdiffusor (1) und/oder der Schaufelreihe (6) des Verdichters (2) weitergeleitet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zumindest ein Teil des zweiten Fluidstromes aus einem Dampfkraftkreis- lauf eines Dampfkraftprozesses (19) entnommen wird und zum Austrittsdiffusor (1) und/oder der Schaufelreihe (6) des Verdichters (2) weitergeleitet wird.
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