WO2003033890A1 - Verfahren zur konditionierung eines verdichterluftstromes sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur konditionierung eines verdichterluftstromes sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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Hans Ulrich Frutschi
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    • F02C7/00Features, 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
    • F02C7/12Cooling of plants
    • F02C7/14Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel
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    • F02C7/143Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel of working fluid before or between the compressor stages
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    • F05D2260/232Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas turbine technology. It relates to a method for conditioning a compressor air flow according to the preamble of claim 1 and a device for carrying out the method.
  • An axial compressor 1 as is shown schematically in the single figure, comprises a rotor 2 rotatable about an axis 9, a stator 3, and a plurality of blade rings, which are alternately made up of runner fastened to the rotor 2. blades 4 and fixed to the stator 3 guide vanes 5. For the sake of simplicity, only one blade of a blade ring is shown in the figure.
  • the axial compressor 1 sucks in air at an inlet, which is compressed in the flow channel formed between the rotor 2 and the inner wall of the stator 3 and exits at an outlet 10 under increased pressure. If the axial compressor is part of a gas turbine system, the compressed air emerging at the outlet 10 is fed to a subsequent combustion chamber and used there for the combustion of a fuel. The resulting hot gases are then expanded in a subsequent gas turbine with work performed.
  • the air stream sucked in at the inlet 11 can be divided into two streams, namely a main stream A, which flows in the middle of the flow channel, and an edge stream B, which flows along the inner wall of the stator 3. If air is now taken from an outlet 6 located between inlet 11 and outlet 10 for cooling purposes, this air essentially comes from the marginal stream B, while the main stream A is further compressed behind the outlet 6.
  • the polytropic efficiency of the axial compressor 1 is not constant over the radial extent of the rotor and guide blades 4 and 5.
  • the central air flow is compressed with a higher degree of efficiency than the current paths lying on the rotor 2 and on the inner wall of the stator 3.
  • the (branched off) air removed at outlet 6 therefore has a significantly higher temperature than the air at location 7 in the central stream.
  • the object is achieved by the entirety of the features of claims 1 and 4.
  • the essence of the invention is to introduce water into the boundary stream between the inlet and the outlet, which water evaporates while the boundary stream is cooling. As a result, the marginal flow that is later used as cooling air is cooled in a simple manner, without the other functions of the compressor being influenced thereby.
  • the water is introduced into the axial compressor such that it forms a thin film of water on the inner wall of the stator.
  • the water is injected into the marginal stream through a plurality of nozzles distributed over the circumference of the stator.
  • a preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that the means for introducing the water comprise a plurality of nozzles which are arranged distributed around the circumference of the stator.
  • the invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in connection with the drawing.
  • the single figure shows a schematic representation of a preferred embodiment of the axial compressor according to the invention.
  • water H 2 O
  • the water supplied via the nozzles 8 forms a thin water film on the inner wall of the stator 3 due to the air flow in the flow channel. This water film is in contact with the boundary stream B and evaporates while the boundary stream B is cooling. The cooled boundary stream B is then at the outlet 6 Cooling air is available for the subsequent gas turbine.
  • the nozzles 8 are preferably arranged between adjacent rotor blades 4 and guide blades 5, so that the water film can form well.
  • the cooling effect of the evaporating water film is at a maximum if the nozzles 8 are furthermore arranged in the flow direction just behind the inlet 11 of the axial compressor 1.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Konditionierung eines Verdichterluftstromes (A, B) wird in einem Axialverdichter (1), der in einer koaxialen Anordnung einen zentralen Rotor (2) und einen den Rotor (2) umgebenden Stator (3) umfasst, ein Luftstrom (A, B) an einem Eingang (11) angesaugt und auf dem Weg zu einem Ausgang (10) verdichtet, wobei sich der angesaugte Luftstrom (A, B) aus einem Hauptstrom (A) und einem an der Innenwand des Stators (3) anliegenden Randstrom (B) zusammensetzt, und an einem in Strömungsrichtung vor dem Ausgang (10) liegenden Auslass (6) Luft aus dem Randstrom (B) zur Verwendung als Kühlluft entnommen wird.Eine Temperaturabsenkung der abgezweigten Kühlluft wird auf einfache und wirkungsvolle Weise dadurch erreicht, dass zwischen dem Eingang (11) und dem Auslass (6) Wasser in den Randstrom (B) eingebracht wird, welches unter Abkühlung des Randstromes (B) verdampft.

Description

BESCHREIBUNG
VERFAHREN ZUR KONDITIONIERUNG EINES VERDICHTERLUFTSTROMES SOWIE VORRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG DES VERFAHRENS
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinentechnik. Sie betrifft ein Verfahren zur Konditionierung eines Verdichterluftstromes gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah- rens.
STAND DER TECHNIK
Ein Axialverdichter 1 , wie er in der einzigen Figur schematisch dargestellt ist, umfasst einen um eine Achse 9 drehbaren Rotor 2, einen Stator 3, sowie eine Mehrzahl von Schaufelkränzen, die abwechselnd aus am Rotor 2 befestigten Lauf- schaufeln 4 und am Stator 3 befestigten Leitschaufeln 5 bestehen. Der Einfachheit halber ist in der Figur nur jeweils eine Schaufel eines Schaufelkranzes dargestellt.
Der Axialverdichter 1 saugt an einem Eingang Luft an, die in dem zwischen Rotor 2 und Innenwand des Stators 3 gebildeten Strömungskanal verdichtet wird und unter erhöhtem Druck an einem Ausgang 10 austritt. Ist der Axialverdichter Teil einer Gasturbinenanlage, wird die am Ausgang 10 austretende verdichtete Luft einer nachfolgenden Brennkammer zugeführt und dort zur Verbrennung eines Brennstoffes verwendet. Die entstehenden heissen Gase werden dann in einer nachfolgenden Gasturbine unter Arbeitsleistung entspannt.
Der am Eingang 11 angesaugte Luftstrom kann in zwei Ströme unterteilt werden, nämlich einen Hauptstrom A, der in der Mitte des Strömungskanals strömt, und einen Randstrom B, der an der Innenwand des Stators 3 entlangströmt. Wird nun zu Kühlungszwecken an einem zwischen Eingang 11 und Ausgang 10 befindlichen Auslass 6 Luft entnommen, entstammt diese Luft im wesentlichen dem Randstrom B, während der Hauptstrom A hinter dem Auslass 6 weiterverdichtet wird.
Der polytrope Wirkungsgrad des Axialverdichters 1 ist über der radialen Erstreckung der Lauf- und Leitschaufeln 4 bzw. 5 nicht konstant. Der zentrale Luftstrom wird mit einem besseren Wirkungsgrad verdichtet als die am Rotor 2 und an der Innenwand des Stators 3 anliegenden Strombahnen. Die am Auslass 6 entnommene (abgezweigte) Luft weist daher eine wesentlich höhere Temperatur auf als die Luft am Ort 7 im zentralen Strom.
Für den Fall, dass die am Auslass 6 entnommene Luftmenge als Kühlluft einer Gasturbine dienen soll, ist diese Temperaturüberhöhung von Nachteil. Anstatt einfach eine Nachkühlung dieses Luftstromes (B) vorzunehmen, die meistens ei- nen Verlust an Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage nach sich zieht, weil mehr Brennstoff erforderlich ist, wäre es wünschenswert, nicht nur die Temperaturüber- höhung während der Verdichtung zu verhindern, sondern sogar eine Temperaturabsenkung des Randstromes B zu erreichen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Konditionierung eines Verdichterluftstromes zu schaffen, welches die Nachteile bekannter Verfahren vermeidet und auf einfache und wirkungsvolle Weise eine Reduzierung der Temperatur des ver- dichteten Randstromes am Auslass ermöglicht, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche'1 und 4 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, zwischen dem Eingang und dem Aus- lass Wasser in den Randstrom einzubringen, welches unter Abkühlung des Randstromes verdampft. Hierdurch wird auf einfache Weise der später als Kühlluft verwendete Randstrom abgekühlt, ohne dass die übrigen Funktionen des Verdichters davon beeinflusst werden.
Bevorzugt wird dies dadurch erreicht, dass das Wasser so in den Axialverdichter eingebracht wird, dass es an der Innenwand des Stators einen dünnen Wasserfilm bildet. Insbesondere wird das Wasser durch mehrere über den Umfang am Stator verteilt angeordnete Düsen in den Randstrom eingedüst.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Mittel zum Einbringen des Wassers mehrere Düsen umfassen, welche am Umfang des Stators verteilt angeordnet sind.
Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt eine schematisierte Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfin- dungsgemässen Axialverdichters.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Wesentliche Teile und Funktionen des in der Figur dargestellten Axialverdichters sind bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung des Standes der Technik beschrieben worden. Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun beim Axialverdichter 1 über mehrere am Umfang des Stators 3 angeord- nete Düsen 8 Wasser (H20) in den Strömungskanal zwischen Rotor 2 und Stator 3 zugeführt. Das über die Düsen 8 zugeführte Wasser bildet aufgrund der Luftströmung im Strömungskanal einen dünnen Wasserfilm auf der Innenwand des Stators 3. Dieser Wasserfilm steht in Kontakt mit dem Randstrom B und verdampft unter Abkühlung des Randstroms B. Am Auslass 6 steht dann der abgekühlte Randstrom B als Kühlluft für die nachfolgende Gasturbine zur Verfügung.
Bevorzugt sind die Düsen 8 zwischen benachbarten Laufschaufeln 4 und Leitschaufeln 5 angeordnet, damit sich der Wasserfilm gut ausbilden kann. Die Kühlwirkung des verdampfenden Wasserfilms ist maximal, wenn die Düsen 8 darüber hinaus in Strömungsrichtung kurz hinter dem Eingang 11 des Axialverdichters 1 angeordnet sind.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Axialverdichter
2 Rotor
3 Stator 4 Laufschaufel
5 Leitschaufel
6 Auslass
7 Ort (Hauptstrom)
8 Düse
9 Achse
10 Ausgang
11 Eingang
A Hauptstrom
B Randstrom (Kühlluftstrom)

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Konditionierung eines Verdichterluftstromes (A, B), bei welchem Verfahren in einem Axialverdichter (1 ), der in einer koaxialen Anordnung einen zentralen Rotor (2) und einen den Rotor (2) umgebenden Stator (3) umfasst, ein Luftstrom (A, B) an einem Eingang (11 ) angesaugt und auf dem Weg zu einem Ausgang (10) verdichtet wird, wobei sich der angesaugte Luftstrom (A, B) aus einem Hauptstrom (A) und einem an der Innenwand des Stators (3) anliegenden Randstrom (B) zusammensetzt, und an einem in Strömungsrichtung vor dem Ausgang (10) liegenden Auslass (6) Luft aus dem Randstrom (B) zur Verwendung als Kühlluft entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Eingang (11 ) und dem Auslass (6) Wasser in den Randstrom (B) eingebracht wird, welches unter Abkühlung des Randstromes (B) verdampft.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser so in den Axialverdichter (1 ) eingebracht wird, dass es an der Innenwand des Stators (3) einen dünnen Wasserfilm bildet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser durch mehrere über den Umfang am Stator (3) verteilt angeordnete Düsen (8) in den Randstrom (B) eingedüst wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass am Stator (3) des Axialverdichters (1 ) Mittel (8) zum Einbringen des Wassers in den Randstrom (B) vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einbringen des Wassers mehrere Düsen (8) umfassen, welche am Umfang des Stators (3) verteilt angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialverdichter (1 ) eine Beschaufelung aufweist, welche in abwechselnder Anordnung Laufschaufeln (4) und Leitschaufeln (5) aufweist, und dass die Düsen (8) zwischen benachbarten Laufschaufeln (4) und Leitschaufeln (5) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (8) in Strömungsrichtung kurz hinter dem Eingang (11 ) des Axialverdichters (1 ) angeordnet sind.
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