WO2007017498A1 - Verfahren zur aerodynamischen auslegung eines verdichters einer turbomaschine - Google Patents

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WO2007017498A1
WO2007017498A1 PCT/EP2006/065130 EP2006065130W WO2007017498A1 WO 2007017498 A1 WO2007017498 A1 WO 2007017498A1 EP 2006065130 W EP2006065130 W EP 2006065130W WO 2007017498 A1 WO2007017498 A1 WO 2007017498A1
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compressor
water
mass flow
working fluid
stage
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PCT/EP2006/065130
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Emiliano Burgos
Sven David Joseph Bühler
Wolfgang Kappis
Charles Raymond Matz
Sasha Savic
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Alstom Technology Ltd
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    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
    • F02C3/30—Adding water, steam or other fluids for influencing combustion, e.g. to obtain cleaner exhaust gases
    • F02C3/305—Increasing the power, speed, torque or efficiency of a gas turbine or the thrust of a turbojet engine by injecting or adding water, steam or other fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/80—Diagnostics

Definitions

  • the invention relates to a method for the aerodynamic design of a multi-stage compressor of a turbomachine, especially a compressor of a gas turbine, wherein the working fluid flow of the compressor during operation, a water mass flow is continuously mixed. Furthermore, the invention relates to a designed according to this method compressor.
  • the working fluid flow When admixing water to the working fluid flow of the compressor, the working fluid flow is humid at least over a portion of the compressor downstream of the admixing device, ie, the working fluid flow is with drops permeated with liquid water.
  • the water droplets typically evaporate over a compressor section of about 5 to 8 compressor stages, however, both the pressure build-up and temperature build-up of the wet working fluid flow along the compressor stages differ from the pressure and temperature build-up of a dry working fluid flow.
  • FIG. 3 shows the pressure build-up along a multi-stage compressor when admixing different amounts of water to the working fluid flow of the compressor compared to the pressure build-up of a dry working fluid flow without admixing water.
  • the mixing of the water takes place here in the inlet of the compressor upstream of the first compressor stage. It turns out that as the amount of water in the front compressor stages increases, there is less pressure build-up. At the same time, however, the rear compressor stages must accomplish a correspondingly higher pressure build-up, since the compressor supplies at least the same delivery pressure even with increasing water injection.
  • the reduced pressure buildup in the front compressor stages is due to the throttling effect exerted by the water droplets after their evaporation on the air flow in the rear compressor stages. Due to the reduced on the front compressor stages pressure build-up on the one hand and because of the evaporation enthalpy needed for the evaporation of the liquid water on the other hand, also sets in the front stages, a lower temperature of the working fluid flow.
  • the invention is therefore based on the object to provide a compressor of the type mentioned above and a method for designing such a compressor, with which the disadvantages of the prior art are reduced or avoided.
  • the invention is intended to provide a method for the aerodynamic design of a compressor of a turbomachine, in particular a compressor of a turbomachine used for power generation, wherein the compressor should have an increased stability reserve compared to conventional compressors when water is added to the working fluid flow.
  • the present invention relates to multi-stage compressors, which are flowed through during operation of a first dry or substantially dry working fluid, wherein the working fluid during a period of time during operation of the compressor via a mixing device, a water mass flow is continuously mixed.
  • a water mass flow is continuously mixed.
  • the working fluid downstream of the admixing device is wet along at least a portion of the compressor, i. interspersed with water droplets.
  • Dry or essentially dry here means that the working fluid, usually air, is drawn in, for example, from the environment in untreated form. In the environment contained moisture is included here. In addition to air but other working fluids can be used.
  • the admixing of the water mass flow to the working fluid is expediently carried out in a known manner by atomizing the water via injection nozzles. Suitable injection nozzles for this purpose are known to the person skilled in the art. Depending on the design, for example, a washing device for atomizing the water mass flow can be used.
  • the water mass flow is expediently atomized in the form of a droplet mist admixed with the working fluid, the water droplets gradually evaporate as it flows through the compressor.
  • the evaporation of the water droplets takes place within a flow section of about 8 to 10 compressor stages.
  • the working fluid is moist, ie loaded with liquid water droplets.
  • the inventive method for the aerodynamic design of the geometry of such a multi-stage compressor of a turbomachine, in particular a compressor of a turbomachine used for power generation comprises designing the geometry of the compressor stages of the compressor for a flow of the compressor with dry working fluid in a preliminary under specification of an aerodynamic load distribution.
  • the aerodynamic load distribution to be specified corresponds to the otherwise usual load distribution and is known to the person skilled in the art as a function of the boundary conditions which are usually to be considered as well as the specific compressor type.
  • the geometry of at least one compressor stage is to be changed so that a change in the aerodynamic load of the compressor stage due to the mixing of the mass flow of water to the working fluid is at least partially precalculated by the change in the geometry of the at least one compressor stage.
  • the two method steps do not necessarily have to be carried out successively, but can also be carried out iteratively or simultaneously.
  • the two-step approach of the method thus does not mean temporally, but a logical subordination of the second process step in relation to the first process step.
  • compressor stage is familiar to the person skilled in the art and designates the paired arrangement of a stator and a rotor
  • Precompensation of the admixture of the mass flow of water may mean that both the geometry of the stator and the geometry of the rotor is to be changed.
  • the admixture of the mass flow of water in the geometrical basic design of the compressor is already considered in the context of the geometric design of the compressor.
  • the at least partially precompensation of the change in aerodynamic loading of the at least one compressor stage as a result of Admixing the water mass flow leads to a larger pressure-surge limit distance PSM at the same water mass flow.
  • the pre-compensation allows the working fluid to be admixed with a larger mass flow of water until it reaches the same pressure / surge limit distance PSM as it does without precompensation when the mass flow of water is admixed, which in turn leads to greater relief of the front compressor stages according to FIG.
  • At least the compressor stage arranged immediately downstream of the admixing device is designed in accordance with the method according to the invention.
  • the admixing of the mass flow of water causes a reduction in aerodynamic loading of the at least one compressor stage compared to the anticipation of changing the geometry of the at least one compressor stage so that the compressor stage is aerodynamically more heavily loaded compared to the design, or, if the admixing of the mass flow of water causes an increase in the aerodynamic loading of the at least one compressor stage compared to the design, to change the geometry of the at least one compressor stage so that the compressor stage is aerodynamically less loaded compared to the design.
  • the method further comprises changing the geometry of the at least one compressor stage such that the aerodynamic loading of the at least one compressor stage when mixing the mass flow of water equal to or approximately equal to the aerodynamic loading of the compressor stage according to the Preliminary without mixing the mass flow of water is.
  • the geometry of the at least one compressor stage can be suitably changed so that the aerodynamic load of the Compressor stage when admixing the mass flow of water in the nominal operating point of the compressor about half between the aerodynamic load of the compressor stage according to the preliminary without admixing the water mass flow and the aerodynamic load of the compressor stage according to the preliminary design with admixture of the mass flow of water comes to rest.
  • This design is a good compromise for operation of the compressor without mixing the mass flow of water as well as for operation of the compressor with admixture of the water mass flow.
  • a staggering of the blades of the compressor stage is reduced and / or the staggering of at least part of the blades of the compressor stage is increased to increase the aerodynamic loading of the at least one compressor stage.
  • the deflection of the flow of the working fluid within the compressor stage is very much determined, which in turn determines the pressure increase achieved in the compressor stage.
  • Compressor stage and thus only a part of the blades of the compressor stage to change and leave the stator unchanged. It may also be that only the stator is to be changed or both rotor and stator.
  • the geometries of all compressor stages are changed downstream of the admixing device for at least partial compensation of the changed as a result of the mixing of the mass flow of water to the working fluid aerodynamic load. Since, in admixture of the mass flow of water to the working fluid flow of the compressor, in particular the aerodynamic loads of the compressor stages change downstream of the admixing device, a change in the geometries of these compressor stages downstream of the admixing device in the context of the design already provides a major part of the overall achievable stability improvement.
  • the invention provides a compressor, in particular a compressor of a turbomachine used for power generation.
  • the compressor comprises a plurality of compressor stages and a mixing device arranged in the region of the compressor stages for continuous
  • the compressor Admixing a mass flow of water to the flow of the working fluid of the compressor. Furthermore, the compressor is designed according to the inventive method described above, which ensures that even in the case of admixture of the mass flow of water to the working fluid, a sufficient stability reserve of the working fluid flow of the compressor is ensured. In a compressor designed according to the invention, however, it is also possible to supply a larger mass flow of water to the working fluid and thereby, for example, to increase the power still further than is possible with a conventional design of the compressor.
  • the invention provides a turbomachine, in particular a gas turbine of a power plant, with a compressor, a combustion chamber and a drive connected to the compressor turbine available.
  • a working fluid mostly air
  • the turbomachine includes an admixing device for admixing a water mass flow to the working fluid flow. So that the compressor can be operated even when the mass flow of water is admixed with a sufficient stability reserve, in particular with a sufficient pressure / surge limit distance PSM, the compressor is designed in accordance with the method according to the invention described above.
  • the speed / surge limit distance SSM is increased.
  • the speed Surge margin SSM is the relevant parameter that limits the stable working range of the compressor. An increase in the speed-surge margin SSM thus provides an increase in the stable working range of the turbomachine.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a gas turbine with admixture of a water mass flow upstream of the entrance into the
  • Figure 2 is a schematic diagram of a compressor map with additionally registered performance characteristics of the compressor at
  • FIG. 3 shows the course of the pressure build-up along a compressor
  • FIG. 4 shows a flow chart of the sequence of an embodiment of the method according to the invention for designing a
  • Figure 1 shows a schematic representation of a known from the prior art, designed as a gas turbine 1 turbomachine.
  • gas turbines are used for example in power plants for power generation in particular for covering peak loads and form a typical field of application of the invention.
  • the inventive method for designing a compressor can also be applied to other compressors.
  • the gas turbine 1 comprises, as essential components shown in FIG. 1, a compressor 2, a combustion chamber 3 with fuel supply line 3-B and a turbine 4.
  • the compressor 2 usually comprises a plurality of up to 20 and more compressor stages.
  • the turbine typically includes 4 to about 8 turbine stages.
  • the individual compressor and turbine stages are not shown in FIG.
  • the gas turbine 1 is further assigned to generate electricity, a generator 5, which is electrically connected to a power grid 8, in which the generated power is delivered.
  • both the compressor 2 and the generator 5 are driven by the turbine 4.
  • the turbine 4 is rotatably connected via a first shaft 6 to the compressor 2 and via a second shaft 7 with the generator 5.
  • Compressor 2 combustion chamber 3 and turbine 4 form a flow path 9, which is indicated in Figure 1 by flow arrows.
  • air which is drawn in from the surroundings U via an inlet channel 10 flows along the flow path 9 through the gas turbine 1.
  • the air drawn in from the surroundings thus forms the working fluid of the gas turbine.
  • the combustion chamber is still added to the air fuel, which is burned in the combustion chamber to a flue gas.
  • the compressor 2 compaction of the compressed air in the combustion chamber 3 fuel is added and the fuel-air mixture is then burned , The effluent of the combustion chamber
  • the flue gas / air mixture subsequently relaxes via the turbine 4 and finally flows back into the environment U.
  • the flue gas / air mixture which relaxes in the turbine drives first the turbine 4 and via the shafts 6 and 7 also the compressor 2 and the compressor Generator 5 on. Structure, operation and technical developments of such, as shown in Figure 1
  • Gas turbine 1 a water mass flow m water are mixed.
  • a mixing device 11 -Z upstream of the inlet into the compressor 2, so that the working fluid flow of the compressor 2 is already interspersed with water entering the compressor 2.
  • Compressor 2 this purpose in the inlet channel 10 of the compressor 2, a plurality of nozzle rings, each mounted with a plurality of nozzles.
  • the water mass flow mwasser is supplied via a supply line 1 1 from a reservoir (not shown in Figure 1) to the nozzles and injected via this in the working fluid flow.
  • Nozzle rings and nozzles are not shown in FIG. 1; but these are known in the art from other applications.
  • the volume control of the water mass flow mwasser is effected by means of an integrated into the supply line 11 control valve 12 which is controlled by a control device 13.
  • the control device 13 may be formed as part of a central gas turbine control.
  • the purpose of mixing the mass flow of water with the working fluid flow of the compressor may also be to increase the speed-surge margin SSM of the compressor. This situation is shown in FIG.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a compressor map 20 known from the prior art.
  • the reduced mass flow rate m r ed of the x-axis is shown in FIG.
  • the location of the operating line 23 troc k s of the compressor, and in particular the position of the nominal operating point of 24 troc k s, is usually selected so that all of the operating line 23 troc k s arranged operating points a sufficient distance to the surge line 22 troc k s exhibit.
  • This distance from the surge limit is determined usually either held constant mass flow rate, leading to the so-called pressure-surge margin PSM troc k en leads, or it is determined the horizontal distance from the respective operating point to the intersection of the operation line with the surge limit 22 troc k s, what about the so-called Speed surge margin SSM troc k s leads.
  • the pressure surge margin PSM troc k s is particularly relevant when the gas turbine undergoes an increasing throttling. This plays a rather subordinate role for stationary gas turbines used for power generation.
  • the speed-surge margin SSM troc k en plays an important role in cases where the aero speed of the gas turbine is abruptly reduced, which is the case, for example, in an abrupt increase in the impressed by the generator of the gas turbine load.
  • FIG. 2 shows how the admixing of a water mass flow to the working fluid flow of the compressor affects the operating line as well as the course of the pumping limit.
  • the admixing takes place here upstream of the entry into the compressor, the statements in principle also apply to an admixture of the mass flow of water in the region of a compressor stage subsequent to the first compressor stage.
  • the admixing of water with the working fluid flow of the compressor results in a shift of the operating line 23t rO c k en to 23 f ⁇ UCh t and thus to higher pressure ratios. This is due to the throttling action of the admixed water after evaporation.
  • the progression of the surge limit 22t rO c k en to 22 f ⁇ ucr , t changes in such a way that the surge limit 22t rO c k in the lower mass flow range increases to higher
  • FIG. 3 shows the pressure build-up along a multi-stage compressor at the nominal operating point and during mixing of different amounts of water in the Compared to the pressure build-up of a dry working fluid flow without mixing water.
  • the admixing of the water mass flow takes place, as shown in FIG. 1, upstream of the inlet into the compressor.
  • the pressure build-up ⁇ p s is humid - dry the compressor in bar for a dry working fluid flow 30-0 and for three moist working fluid flows 30-1, 30-2 and 30-3, which in ascending order each an increasing amount of water is mixed, shown.
  • FIG. 4 shows in a flow chart the sequence of the method 100 according to the invention for designing the geometry of a multistage compressor of a turbomachine, here a gas turbine.
  • the working fluid flow of the compressor may be continuously admixed with a mass flow of water at least in a period of time.
  • the continuous admixing of the water mass flow takes place via an admixing device, usually a plurality of nozzles, which are arranged so that the water mass flow can be injected into the working fluid flow of the compressor.
  • the working fluid flow downstream of the admixing device is thus moist when the mass flow of water along at least one section of the compressor is admixed.
  • the inventive design of the geometry of such a multi-stage compressor essentially takes place in two method steps 102 and 103, wherein these method steps 102 and 103 can not necessarily take place sequentially, but also iteratively or simultaneously.
  • the method steps 101 and 104 represent only the start and the end of the design process.
  • the geometry of the compressor stages is designed with specification of an aerodynamic load distribution for a flow through the compressor with dry working fluid.
  • a second method step 103 the geometry of at least one compressor stage is changed so that a change in the aerodynamic load of the compressor stage due to the mixing of the mass flow of water to the working fluid is at least partially precompensated by the change in geometry.
  • the geometries of all the compressor stages are changed downstream of the admixing device for the at least partial compensation of the aerodynamic load changed as a result of the admixing of the water mass flow to the working fluid.
  • the precompensation is carried out in such a way that, if the admixing of the mass flow of water causes a reduction in the aerodynamic load of the respective compressor stage compared to the Vorlegung, the geometry of the respective compressor stage is changed so that the
  • Compressor stage is charged in comparison to the Vorlegung aerodynamically higher. If, on the other hand, an increase in the aerodynamic loads of the compressor stage in question is effected by mixing the mass flow of water in comparison to the preliminary design, then the geometry of the relevant compressor stage is changed in such a way that the compressor stage is loaded less aerodynamically in comparison with the design.
  • the geometries of the respective compressor stages are changed so that the occurring in the nominal operating point of the compressor aerodynamic load of the respective compressor stage to be changed in admixing the water mass flow is equal to or approximately equal to the aerodynamic load of the respective compressor stage according to the preliminary without admixing the water mass flow ,
  • such a reduction of the aerodynamic load of the particular compressor stage concerned can be achieved, for example, by reducing the staggering of the blades of the compressor stage. Conversely, the grading of the blades of the compressor stage is then increased to increase the aerodynamic load of each respective compressor stage.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur aerodynamischen Auslegung eines Verdichters einer Turbomaschine, speziell eines Verdichters einer Gasturbine, bei dem der Arbeitsfluidströmung des Verdichters während des Betriebs ein Wassermassenstrom kontinuierlich zumischbar ist. Das Verfahren umfasst, in einer Vorauslegung unter Vorgabe einer aerodynamischen Belastungsverteilung die Geometrie der Verdichterstufen für eine Durchströmung des Verdichters mit trockenem Arbeitsfluid auszulegen, und anschließend die Geometrie wenigstens einer Verdichterstufe so zu ändern, dass eine Änderung der aerodynamischen Belastung der Verdichterstufe infolge der Zumischung des Wassermassenstroms zu dem Arbeitsfluid wenigstens teilweise durch die Änderung der Geometrie der wenigstens einen Verdichterstufe vorkompensiert ist. Ferner betrifft die Erfindung einen gemäß diesem Verfahren ausgelegten Verdichter.

Description

Verfahren zur aerodynamischen Auslegung eines Verdichters einer
Turbomaschine
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur aerodynamischen Auslegung eines mehrstufigen Verdichters einer Turbomaschine, speziell eines Verdichters einer Gasturbine, bei dem der Arbeitsfluidströmung des Verdichters während des Betriebs ein Wassermassenstrom kontinuierlich zumischbar ist. Ferner betrifft die Erfindung einen gemäß diesem Verfahren ausgelegten Verdichter.
Stand der Technik
Um eine abgegebene Leistung einer Turbomaschine über einen Zeitraum oder auch dauerhaft zu steigern ist aus dem Stand der Technik bekannt, der Arbeitsfluidströmung des Verdichters der Turbomaschine Wasser zuzumischen. Hierzu wird flüssiges Wasser über eine Vielzahl von Einspritzdüsen kontinuierlich in die Arbeitsfluidströmung des Verdichters eingedüst. Üblicherweise sind die Einspritzdüsen am Umfang des Verdichters in etwa gleichmäßig verteilt angeordnet. In Strömungs- bzw. Längsrichtung des Verdichters kann die Eindüsung sowohl stromauf des Eintritts in den Verdichter als auch stromab der ersten Verdichterstufe, beispielsweise zwischen zwei nachfolgenden Verdichterstufen, erfolgen. Unter anderem aus baulichen Gründen wird oftmals eine Anordnung der Einspritzdüsen im Verdichtereinlauf bevorzugt. Dieses Verfahren zur Steigerung der Leistung einer Turbomaschine eignet sich insbesondere dann, wenn die Umgebungstemperatur hoch ist und die als Arbeitsfluid dienende Luft somit bereits beim Eintritt in den Verdichter eine hohe Temperatur aufweist.
Bei Zumischung von Wasser zu der Arbeitsfluidströmung des Verdichters ist die Arbeitsfluidströmung wenigstens über einen Teilabschnitt des Verdichters stromab der Zumischvorrichtung feucht, d.h. die Arbeitsfluidströmung ist mit Tropfen flüssigen Wassers durchsetzt. Die Wassertropfen verdampfen in der Regel über einen Verdichterabschnitt von etwa 5 bis 8 Verdichterstufen, wobei sich jedoch sowohl der Druckaufbau als auch der Temperaturaufbau der feuchten Arbeitsfluidströmung längs der Verdichterstufen von dem Druck- und Temperaturaufbau einer trockenen Arbeitsfluidströmung unterscheidet.
In Figur 3 ist der Druckaufbau entlang eines mehrstufigen Verdichters bei Zumischung verschiedener Mengen Wasser zu der Arbeitsfluidströmung des Verdichters im Vergleich zu dem Druckaufbau einer trockenen Arbeitsfluidströmung ohne Zumischung von Wasser dargestellt. Die Zumischung des Wassers erfolgt hier im Einlauf des Verdichters stromauf der ersten Verdichterstufe. Es zeigt sich, dass mit zunehmender Wassermenge in den vorderen Verdichterstufen ein geringerer Druckaufbau erfolgt. Gleichzeitig müssen die hinteren Verdichterstufen jedoch einen entsprechend höheren Druckaufbau bewerkstelligen, da der Verdichter auch bei zunehmender Wassereinspritzung auf mindestens denselben Lieferdruck liefert.
Der verminderte Druckaufbau in den vorderen Verdichterstufen ist auf den Drosseleffekt zurückzuführen, den die Wassertropfen nach ihrer Verdampfung auf die Luftströmung in den hinteren Verdichterstufen ausüben. Aufgrund des über die vorderen Verdichterstufen verminderten Druckaufbaus einerseits als auch aufgrund der für die Verdampfung des flüssigen Wassers benötigten Verdampfungsenthalpie andererseits stellt sich in den vorderen Stufen auch eine niedrigere Temperatur der Arbeitsfluidströmung ein.
Die so durch die Wasserzumischung bewirkte aerodynamische Entlastung der vorderen Stufen des Verdichters bei gleichzeitiger aerodynamischer Belastung der hinteren Stufen des Verdichters führt im Verdichterkennfeld zu einer Verlagerung der Betriebslinie des Verdichters einerseits sowie zu einer veränderten Ausprägung der Pumpgrenze andererseits. Insgesamt ergibt sich hierdurch eine Verminderung des Druck-Pumpgrenzabstands („Pressure Surge Margin" = PSM), der in einem Kennfeld mit der Auftragung Druckverhältnis über Massenstrom den vertikalen Abstand eines aktuellen Betriebspunktes zur Pumpgrenze darstellt. Dieser Druck- Pumpgrenzabstand PSM spielt im Wesentlichen dann eine Rolle, wenn der Verdichter bei ansonsten unverändertem Betrieb auf einen höheren Lieferdruck fördern soll. Andererseits wird durch die Zumischung von Wasser der Drehzahl- Pumpgrenzabstand („Speed-Surge-Margin" = SSM), der in einer Kennfeldauftragung als der horizontale Abstand des aktuellen Betriebspunktes von dem Schnittpunkt der Betriebslinie mit der Pumpgrenze definiert ist, erhöht. Dieser Sachverhalt ist in Figur 2 in einem Verdichterkennfeld als Prinzipdarstellung dargestellt. Wie Figur 2 zu entnehmen ist, ist die mengenmäßige Zumischung von Wasser zur Arbeitsfluidströmung des Verdichters durch die Verminderung des Druck- Pumpgrenzabstands PSM infolge dieser Zumischung von Wasser begrenzt. Somit ist auch die durch die Zumischung von Wasser erzielbare Erhöhung der Leistung der Turbomaschine begrenzt.
Darüber hinaus ist es bei Verdichtern, bei denen der Druck-Pumpgrenzabstand PSM beispielsweise aufgrund von Alterungserscheinungen des Verdichters von vornherein gering ist, nicht möglich, dieses Verfahren der Zumischung von Wasser zur Steigerung der Leistung der Turbomaschine zur Anwendung zu bringen.
Diese eingeschränkte Anwendbarkeit der Zumischung von Wasser zu der Arbeitsfluiströmung des Verdichters gilt auch dann, wenn die Zumischung von Wasser nicht zur Erhöhung der Leistung der Turbomaschine sondern zur
Vergrößerung des Drehzahl-Pumpgrenzabstands SSM und somit eigentlich zur Erhöhung der Stabilitätsreserve der Arbeitsfluidströmung erfolgt. Die Anmelderin stellte jüngst fest und beschreibt dies in einer weiteren Patentanmeldung, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird, dass durch die Eindüsung von Wasser in die Arbeitsfluidströmung des Verdichters eine Vergrößerung des Drehzahl - Pumpgrenzabstands SSM erzielt wird. Dies kann insbesondere bei zur Stromerzeugung eingesetzten Gasturbinen zweckmäßig dazu genutzt werden, speziell bei sich abrupt ändernder Aero-Drehzahl des Verdichters der Gasturbine die Stabilitätsreserve des Verdichters nahezu sprungartig zu erhöhen und somit der abrupten Änderung der Aero-Drehzahl entgegenzuwirken.
Aber auch in diesem Zusammenhang ist die Zumischung von Wasser zu der Arbeitsfluidströmung des Verdichters mengenmäßig durch einen zu geringen Druck- Pumpgrenzabstand PSM begrenzt oder gar nicht möglich.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zur Auslegung eines solchen Verdichters anzugeben, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermindert oder vermieden werden. Insbesondere soll durch die Erfindung ein Verfahren zur aerodynamischen Auslegung eines Verdichters einer Turbomaschine, insbesondere eines Verdichters einer zur Stromerzeugung eingesetzten Turbomaschine, zur Verfügung gestellt werden, wobei der Verdichter bei Zumischung von Wasser zu der Arbeitsfluidströmung eine im Vergleich zu herkömmlichen Verdichtern erhöhte Stabilitätsreserve aufweisen soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur aerodynamischen Auslegung eines Verdichters gemäss Anspruch 1 sowie den Verdichter und die Turbomaschine gemäss den nebengeordneten Vorrichtungsansprüchen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Die vorliegende Erfindung betrifft mehrstufige Verdichter, die im Betrieb von einem zunächst trockenen oder im Wesentlichen trockenen Arbeitsfluid durchströmt werden, wobei dem Arbeitsfluid während zumindest eines Zeitabschnitts während des Betriebs des Verdichters über eine Zumischvorrichtung ein Wassermassenstrom kontinuierlich zumischbar ist. Bei Zumischung des Wassermassenstroms ist das Arbeitsfluid stromab der Zumischvorrichtung längs wenigstens eines Abschnitts des Verdichters feucht, d.h. mit Wassertröpfchen durchsetzt.
Zunächst trocken oder im Wesentlichen trocken bedeutet hierbei, dass das Arbeitsfluid, üblicherweise Luft, in unbehandelter Form beispielsweise aus der Umgebung angesaugt wird. In der Umgebung enthaltene Feuchte ist hierbei mit umfasst. Neben Luft können aber auch andere Arbeitsfluide zum Einsatz kommen.
Die Zumischung des Wassermassenstroms zu dem Arbeitsfluid erfolgt zweckmäßig in bekannter weise durch ein Verdüsen des Wassers über Einspritzdüsen. Hierfür geeignete Einspritzdüsen sind dem Fachmann bekannt. Je nach Ausführung kann beispielsweise auch eine Waschvorrichtung zur Verdüsung des Wassermassenstroms genutzt werden.
Der Wassermassenstrom wird zweckmäßig fein verdüst in Form eines Tröpfchennebels dem Arbeitsfluid zugemischt, wobei die Wassertröpfchen beim Durchströmen des Verdichters nach und nach verdampfen. In der Regel erfolgt die Verdampfung der Wassertröpfchen innerhalb eines Strömungsabschnitts von etwa 8 bis 10 Verdichterstufen. Bis zur vollständigen Verdampfung ist das Arbeitsfluid feucht, d.h. mit flüssigen Wassertröpfchen beladen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur aerodynamischen Auslegung der Geometrie eines solchen mehrstufigen Verdichters einer Turbomaschine, insbesondere eines Verdichters einer zur Stromerzeugung eingesetzten Turbomaschine, umfasst, in einer Vorauslegung unter Vorgabe einer aerodynamischen Belastungsverteilung die Geometrie der Verdichterstufen des Verdichters für eine Durchströmung des Verdichters mit trockenem Arbeitsfluid auszulegen. Die vorzugebende aerodynamische Belastungsverteilung entspricht der sonst üblichen Belastungsverteilung und ist dem Fachmann in Abhängigkeit der üblicherweise zu betrachtenden Randbedingungen sowie dem speziellen Verdichtertyp bekannt. In einem sich hieran anschließenden Verfahrensschritt ist die Geometrie wenigstens einer Verdichterstufe so zu ändern, dass eine Änderung der aerodynamischen Belastung der Verdichterstufe infolge der Zumischung des Wassermassenstroms zu dem Arbeitsfluid wenigstens teilweise durch die Änderung der Geometrie der wenigstens einen Verdichterstufe vorkompensiert ist.
Die beiden Verfahrensschritte müssen hierbei nicht unbedingt nacheinander vorgenommen werden, sondern können auch iterativ oder auch gleichzeitig durchgeführt werden. Speziell im letzteren Fall der Gleichzeitigkeit der Durchführung der beiden Verfahrensschritte zur Auslegung des Verdichters bedeutet die zweischrittige Vorgehensweise des Verfahrens somit zwar keine zeitliche, jedoch eine logische Nachrangigkeit des zweiten Verfahrensschritts im Verhältnis zum ersten Verfahrensschritt.
Der Begriff „Verdichterstufe" ist dem Fachmann geläufig und bezeichnet die paarige Anordnung eines Stators und eines Rotors. Die Änderung der Geometrie zur
Vorkompensation der Zumischung des Wassermassenstroms kann bedeuten, dass sowohl die Geometrie des Stators als auch die Geometrie des Rotors zu ändern ist.
Es ist aber auch möglich, dass nur die Geometrie des Stators oder nur die
Geometrie des Rotors zu ändern ist, je nachdem wie hoch die aerodynamische Belastungen des Stators und des Rotors nach der Vorauslegung sind. Zumeist wird die Geometrie des Rotors zu ändern sein, um eine wirkungsvolle Vorkompensation zu erzielen.
Durch die Änderung der aerodynamischen Belastung wenigstens einer Verdichterstufe in der oben beschriebenen Weise wird bereits im Rahmen der geometrischen Auslegung des Verdichters die Zumischung des Wassermassenstroms in der geometrischen Grundauslegung des Verdichters berücksichtigt. Die wenigstens teilweise Vorkompensation der Änderung der aerodynamischen Belastung der wenigstens einen Verdichterstufe als Folge der Zumischung des Wassermassenstroms führt zu einem größeren Druck- Pumpgrenzabstand PSM bei gleichem Wassermassenstrom. Umgekehrt betrachtet kann durch die Vorkompensation dem Arbeitsfluid bis zum Erreichen desselben Druck-Pumpgrenzabstands PSM, wie sich dieser ohne Vorkompensation bei Zumischung des Wassermassenstroms einstellt, ein größerer Wassermassenstrom beigemischt werden, was wiederum gemäß Figur 3 zu einer stärkeren Entlastung der vorderen Verdichterstufen führt.
Vorzugsweise wird wenigstens die unmittelbar stromab der Zumischvorrichtung angeordnete Verdichterstufe entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgelegt.
Zweckmäßig umfasst das Verfahren weiterhin, falls die Zumischung des Wassermassenstroms eine Verringerung der aerodynamischen Belastung der wenigstens einen Verdichterstufe im Vergleich zu der Vorauslegung bewirkt, die Geometrie der wenigstens einen Verdichterstufe so zu ändern, dass die Verdichterstufe im Vergleich zu der Vorauslegung aerodynamisch höher belastet ist, oder, falls die Zumischung des Wassermassenstroms eine Erhöhung der aerodynamischen Belastung der wenigstens einen Verdichterstufe im Vergleich zu der Vorauslegung bewirkt, die Geometrie der wenigstens einen Verdichterstufe so zu ändern, dass die Verdichterstufe im Vergleich zu der Vorauslegung aerodynamisch geringer belastet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin, die Geometrie der wenigstens einen Verdichterstufe so zu ändern, dass die im Nennbetriebspunkt des Verdichters auftretende aerodynamische Belastung der wenigstens einen Verdichterstufe bei Zumischung des Wassermassenstroms gleich oder näherungsweise gleich der aerodynamischen Belastung der Verdichterstufe gemäß der Vorauslegung ohne Zumischung des Wassermassenstroms ist. Somit stellt sich bei Zumischung des
Wassermassenstroms tendenziell eine Belastungsverteilung ein, wie diese im Rahmen der Vorauslegung abgeleitet aus den dem Fachmann geläufigen Auslegungskriterien angestrebt wird. Da hinreichende Stabilitätsreserve ein wesentliches Auslegungskriterium ist, ergibt sich hieraus unmittelbar, dass bei Zumischung des Wassermassenstroms eine hinreichende Stabilitätsreserve sichergestellt ist.
Alternativ hierzu kann die Geometrie der wenigstens einen Verdichterstufe zweckmäßig auch so geändert werden, dass die aerodynamische Belastung der Verdichterstufe bei Zumischung des Wassermassenstroms im Nennbetriebspunkt des Verdichters etwa hälftig zwischen der aerodynamischen Belastung der Verdichterstufe gemäß Vorauslegung ohne Zumischung des Wassermassenstroms und der aerodynamischen Belastung der Verdichterstufe gemäß Vorauslegung mit Zumischung des Wassermassenstroms zu liegen kommt. Diese Auslegung bildet einen guten Kompromiss für einen Betrieb des Verdichters ohne Zumischung des Wassermassenstroms als auch für einen Betrieb des Verdichters mit Zumischung des Wassermassenstroms.
Zweckmäßig wird zur Verminderung der aerodynamischen Belastung der wenigstens einen Verdichterstufe eine Staffelung der Schaufeln der Verdichterstufe vermindert und/oder zur Erhöhung der aerodynamischen Belastung der wenigstens einen Verdichterstufe die Staffelung wenigstens eines Teils der Schaufeln der Verdichterstufe erhöht. Über die Staffelung der Schaufeln einer Verdichterstufe wird sehr wesentlich die Umlenkung der Strömung des Arbeitsfluids innerhalb der Verdichterstufe bestimmt, was wiederum die in der Verdichterstufe erzielte Druckerhöhung bestimmt.
Wie oben bereits ausgeführt, ist es oftmals ausreichend, nur die Geometrie des Rotors und somit hier nur die Staffelung der Schaufeln des Rotors der
Verdichterstufe, und somit nur eines Teils der Schaufeln der Verdichterstufe, zu ändern und den Stator unverändert zu belassen. Es kann aber auch sein, dass lediglich der Stator zu verändern ist oder aber sowohl Rotor als auch Stator.
Es kann aber auch zweckmäßig sein, zur Verminderung der aerodynamischen
Belastung der wenigstens einen Verdichterstufe ein Teilungsverhältnis wenigstens eines Teils der Schaufeln der Verdichterstufe zu erhöhen und/oder zur Erhöhung der aerodynamischen Belastung der wenigstens einen Verdichterstufe das Teilungsverhältnis der Schaufeln der Verdichterstufe zu vermindern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Geometrien aller Verdichterstufen stromab der Zumischvorrichtung zur wenigstens teilweisen Kompensation der infolge der Zumischung des Wassermassenstroms zu dem Arbeitsfluid veränderten aerodynamischen Belastung geändert. Da sich bei Zumischung des Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung des Verdichters insbesondere die aerodynamischen Belastungen der Verdichterstufen stromab der Zumischvorrichtung ändern, erbringt eine Änderung der Geometrien dieser Verdichterstufen stromab der Zumischvorrichtung im Rahmen der Auslegung bereits einen Großteil der insgesamt erzielbaren Stabilitätsverbesserung. Da eine Änderung der Belastung einer Verdichterstufe aber automatisch auch eine Änderung der Belastung der anderen Verdichterstufen bedeutet, kann es auch zweckmäßig sein, die Geometrien aller Verdichterstufen zur wenigstens teilweisen Kompensation der infolge der Zumischung des Wassermassenstroms zu dem Arbeitsfluid veränderten aerodynamischen Belastung zu ändern.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung einen Verdichter, insbesondere einen Verdichter einer zur Stromerzeugung eingesetzten Turbomaschine zur Verfügung. Der Verdichter umfasst eine Mehrzahl von Verdichterstufen sowie eine im Bereich der Verdichterstufen angeordnete Zumischvorrichtung zur kontinuierlichen
Zumischung eines Wassermassenstroms zu der Strömung des Arbeitsfluids des Verdichters. Ferner ist der Verdichter gemäß dem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren ausgelegt, wodurch gewährleistet ist, dass auch im Falle der Zumischung des Wassermassenstroms zu dem Arbeitsfluid eine hinreichende Stabilitätsreserve der Arbeitsfluidströmung des Verdichters sichergestellt ist. Bei einem erfindungsgemäß ausgeführten Verdichter ist es aber auch möglich, dem Arbeitsfluid einen größeren Wassermassenstrom zuzuführen und dadurch beispielsweise die Leistung noch weiter zu erhöhen, als dies bei einer herkömmlichen Auslegung des Verdichters möglich ist.
Des weiteren stellt die Erfindung eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine einer Kraftwerksanlage, mit einem Verdichter, einer Brennkammer und einer mit dem Verdichter antriebsverbundenen Turbine zur Verfügung. Im Betrieb der Turbomaschine durchströmt ein Arbeitsfluid, zumeist Luft, längs eines Strömungspfads nacheinander den Verdichter, die Brennkammer und die Turbine. Darüber hinaus umfasst die Turbomaschine eine Zumischvorrichtung zur Zumischung eines Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung. Damit der Verdichter auch bei Zumischung des Wassermassenstroms mit hinreichender Stabilitätsreserve, insbesondere mit hinreichendem Druck-Pumpgrenzabstand PSM, betrieben werden kann, ist der Verdichter gemäß dem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren ausgelegt. Durch die erfindungsgemäße Auslegung des Verdichters ist es aber auch möglich, der Arbeitsfluidströmung des Verdichters einen größeren Wassermassenstrom zuzumischen als bei einem herkömmlichen Verdichter. Durch eine vermehrte Zumischung von Wasser zu der Arbeitsfluidströmung wird zwar der Druck-Pumpgrenzabstand PSM vermindert, der Drehzahl-Pumpgrenzabstand SSM jedoch vergrößert. Insbesondere bei abrupten Laständerungen eines mit der Turbine der Turbomaschine verbundenen Generators oder auch bei Änderungen der Umgebungstemperatur und somit der Temperatur der angesaugten Luft beim Eintritt in den Verdichter ist zumeist der Drehzahl- Pumpgrenzabstand SSM die relevante, den stabilen Arbeitsbereich des Verdichters begrenzende Kenngröße. Eine Vergrößerung des Drehzahl-Pumpgrenzabstands SSM erbringt somit eine Vergrößerung des stabilen Arbeitsbereichs der Turbomaschine.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren illustrierten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 in schematisierter Darstellung eine Gasturbine mit Zumischung eines Wassermassenstroms stromauf des Eintritts in den
Verdichter; Figur 2 in einer Prinzipdarstellung ein Verdichterkennfeld mit zusätzlich eingetragener Leistungscharakteristik des Verdichters bei
Zumischung von Wasser; Figur 3 den Verlauf des Druckaufbaus längs eines Verdichters bei
Zumischung verschiedener Mengen Wasser; Figur 4 in einem Ablaufschema den Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Auslegung eines
Verdichters.
In den Figuren sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente und Bauteile dargestellt.
Die dargestellten Ausführungsbeispiele sind rein instruktiv zu verstehen und sollen einem besseren Verständnis, aber nicht einer Einschränkung des Erfindungsgegenstandes dienen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt in schematisierter Darstellung eine aus dem Stand der Technik bekannte, als Gasturbine 1 ausgebildete Turbomaschine. Derartige Gasturbinen werden beispielsweise in Kraftwerksanlagen zur Stromerzeugung insbesondere zur Abdeckung von Spitzenlasten eingesetzt und bilden ein typisches Anwendungsgebiet der Erfindung. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Auslegung eines Verdichters kann aber auch auf andere Verdichter angewendet werden. Die Gasturbine 1 umfasst als wesentliche, in Figur 1 dargestellte Komponenten einen Verdichter 2, eine Brennkammer 3 mit Brennstoffzuführleitung 3-B sowie eine Turbine 4. In stationären Gasturbinen, die zur Stromerzeugung eingesetzt werden, umfasst der Verdichter 2 üblicherweise eine Vielzahl von bis zu 20 und mehr Verdichterstufen. Die Turbine umfasst üblicherweise 4 bis ca. 8 Turbinenstufen. Die einzelnen Verdichter- und Turbinenstufen sind in Figur 1 nicht dargestellt.
Der Gasturbine 1 ist des Weiteren zur Stromerzeugung ein Generator 5 beigeordnet, der mit einem Stromnetz 8, in das der erzeugte Strom abgegeben wird, elektrisch verbunden ist.
Im Betrieb der Gasturbine 1 wird sowohl der Verdichter 2 als auch der Generator 5 von der Turbine 4 angetrieben. Hierzu ist die Turbine 4 über eine erste Welle 6 mit dem Verdichter 2 und über eine zweite Welle 7 mit dem Generator 5 drehfest verbunden.
Verdichter 2, Brennkammer 3 und Turbine 4 bilden einen Strömungspfad 9, der in Figur 1 durch Strömungspfeile angedeutet ist. Im Betrieb der Gasturbine 1 strömt Luft, die aus der Umgebung U über einen Einlaufkanal 10 angesaugt wird, entlang des Strömungspfads 9 durch die Gasturbine 1. Die aus der Umgebung angesaugte Luft bildet hier somit das Arbeitsfluid der Gasturbine. (In der Brennkammer kommt zu der Luft noch Brennstoff hinzu, der in der Brennkammer zu einem Rauchgas verbrannt wird.) Nach der in dem Verdichter 2 erfolgten Verdichtung wird der verdichteten Luft in der Brennkammer 3 Brennstoff zugemischt und das Brennstoff- Luft-Gemisch anschließend verbrannt. Das der Brennkammer entströmende
Rauchgas-Luft-Gemisch entspannt anschließend über die Turbine 4 und entströmt schließlich wieder in die Umgebung U. Das sich in der Turbine entspannende Rauchgas-Luft-Gemisch triebt hierbei zunächst die Turbine 4 und über die Wellen 6 und 7 auch den Verdichter 2 sowie den Generator 5 an. Aufbau, Funktionsweise sowie technische Weiterbildungen derartiger, wie in Figur 1 dargestellter
Gasturbinen sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, weswegen an dieser Stelle auf eine weiterreichende Erläuterung verzichtet wird.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Komponenten und Funktionen kann der Arbeitsfluidströmung des in Figur 1 dargestellten Verdichters 2 im Betrieb der
Gasturbine 1 ein Wassermassenstrom mwasser zugemischt werden. Die Zumischung des Wassermassenstroms mwasser erfolgt mittels einer Zumischvorrichtung 11 -Z stromauf des Eintritts in den Verdichter 2, so dass die Arbeitsfluidströmung des Verdichters 2 bereits beim Eintritt in den Verdichter 2 mit Wasser durchsetzt ist. Um den Wassermassenstrom mwasser feinverteilt in die Arbeitsfluidströmung des
Verdichters 2 einzubringen, sind hierzu im Einlaufkanal 10 des Verdichters 2 mehrere Düsenringe mit jeweils einer Vielzahl von Düsen montiert. Der Wassermassenstrom mwasser wird über eine Zuführleitung 1 1 aus einem Reservoir (in Figur 1 nicht dargestellt) den Düsen zugeführt und über diese in die Arbeitsfluidströmung eingedüst. Düsenringe und Düsen sind in Figur 1 nicht dargestellt; diese sind dem Fachmann aber aus anderen Anwendungen bekannt.
Die Mengenregelung des Wassermassenstroms mwasser erfolgt mittels eines in die Zuführleitung 11 integrierten Regelventils 12, das von einer Regelungsvorrichtung 13 angesteuert wird. Die Regelungsvorrichtung 13 kann als Teil einer zentralen Gasturbinenregelung ausgebildet sein.
Die Zumischung des Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung des Verdichters kann beispielsweise zu dem Zweck erfolgen, die Leistung der
Turbomaschine zu erhöhen. Der Zweck der Zumischung des Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung des Verdichters kann aber auch sein, den Drehzahl- Pumpgrenzabstand SSM des Verdichters zu vergrößern. Dieser Sachverhalt ist in Figur 2 dargestellt.
Figur 2 zeigt in einer Prinzipdarstellung ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verdichterkennfeld 20. Auf der x-Achse ist der reduzierte Massendurchsatz mred des
Verdichters, auf der y-Achse das Druckverhältnis π aufgetragen. Für jeweils konstant gehaltene Aero-Drehzahlen des Verdichters ergeben sich mit zunehmender Drosselung die sichelförmig verlaufenden, sich jeweils nach links öffnenden Aero- Drehzahllinien 21a, 21 b und 21c des Verdichters. Der Arbeitsbereich, in dem das Arbeitsfluid des Verdichters stabil , d.h. weitgehend ohne Strömungsabriss, arbeitet, wird von größerem Massendurchsatz her kommend durch die Pumpgrenze 22 trocken begrenzt. In dem Bereich jenseits der Pumpgrenze - im Kennfeld 20 der Bereich links oben - ist kein stabiler Verdichterbetrieb mehr möglich. Die Lage der Betriebslinie 23 trocken des Verdichters, und hier insbesondere die Lage des Nennbetriebspunkts 24 trocken, wird in aller Regel so gewählt, dass alle auf der Betriebslinie 23 trocken angeordneten Arbeitspunkte einen hinreichenden Abstand zur Pumpgrenze 22 trocken aufweisen. Dieser Abstand zur Pumpgrenze wird üblicherweise entweder für konstant gehaltenen Massendurchsatz ermittelt, was zu dem sogenannte Druck-Pumpgrenzabstand PSM trocken führt, oder es wird der horizontale Abstand von dem betreffenden Arbeitspunkt bis zum Schnittpunkt der Betriebslinie mit der Pumpgrenze 22 trocken ermittelt, was zu dem sogenannten Drehzahl-Pumpgrenzabstand SSM trocken führt. In Figur 2 sind der Druck- Pumpgrenzabstand PSM als auch der Drehzahl-Pumpgrenzabstand SSM trocken jeweils für den Nennbetriebspunkt 24 trocken dargestellt. Der Druck- Pumpgrenzabstand PSM trocken ist vor allem dann relevant, wenn die Gasturbine eine zunehmende Drosselung erfährt. Dies spielt für stationäre, zur Stromerzeugung eingesetzte Gasturbinen eine eher untergeordnete Rolle. Der Drehzahl- Pumpgrenzabstand SSM trocken hingegen spielt in den Fällen eine wichtige Rolle, in denen die Aero-Drehzahl der Gasturbine abrupt vermindert wird, was beispielsweise bei einer abrupten Erhöhung der durch den Generator der Gasturbine aufgeprägten Last der Fall ist. Dies führt zu einer abrupten Verlagerung des Betriebspunktes hin zu kleineren Aero-Drehzahlen verbunden mit einer abrupten Verminderung des Drehzahl-Pumpgrenzabstands SSM trocken- Die Regelung der Gasturbine ist im Falle einer abrupten Lasterhöhung üblicherweise nicht in der Lage, die Aero-Drehzahl der Gasturbine kurzfristig auf den Ausgangswert nachzuregeln. Ebenso führt auch eine Erhöhung der Umgebungstemperatur zu einer Verminderung des Drehzahl- Pumpgrenzabstands SSM trocken-
Weiterhin ist in Figur 2 dargestellt, wie sich die Zumischung eines Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung des Verdichters auf die Betriebslinie sowie auf den Verlauf der Pumpgrenze auswirkt. Die Zumischung erfolgt hier stromauf des Eintritts in den Verdichter, wobei die Aussagen grundsätzlich auch für eine Zumischung des Wassermassenstroms im Bereich einer der ersten Verdichterstufe nachfolgenden Verdichterstufe gelten.
Zum Einen erfolgt durch die Zumischung von Wasser zu der Arbeitsfluidströmung des Verdichters eine Verlagerung der Betriebslinie 23trOcken hin zu 23fΘUCht und somit zu höheren Druckverhältnissen. Dies ist bedingt durch die Drosselwirkung des zugemischten Wassers nach der Verdampfung. Zum Anderen aber verändert sich auch der Verlauf der Pumpgrenze 22trOcken hin zu 22fθucr,t dahingehend, dass sich die Pumpgrenze 22trOcken im unteren Massenstrombereich zu höheren
Druckverhältnissen verlagert. Im oberen Massenstrombereich hingegen tritt eine Verminderung des erzielbaren Druckverhältnisses auf. Insgesamt ergibt sich bezogen auf den Nennbetriebspunkt 24trOcken hin zu 24fθucr,t durch die Zumischung von Wasser entsprechend den Auftragungen eine Verringerung des Druck- Pumpgrenzabstands von PSM trocken zu PSM feuchti hingegen jedoch eine deutliche Erhöhung des Drehzahl-Pumpgrenzabstands von SSM trocken zu SSM feucht-
Figur 3 zeigt den Druckaufbau längs eines mehrstufigen Verdichters im Nennbetriebspunkt und bei Zumischung verschiedener Mengen Wasser im Vergleich zu dem Druckaufbau einer trockenen Arbeitsfluidströmung ohne Zumischung von Wasser. Die Zumischung des Wassermassenstroms erfolgt, wie in Figur 1 dargestellt, stromauf des Eintritts in den Verdichter.
Über der relativen Verdichterlänge ist hier der Druckaufbau Δps feucht - trocken des Verdichters in bar für eine trockene Arbeitsfluidströmung 30-0 sowie für drei feuchte Arbeitsfluidströmungen 30-1 , 30-2 und 30-3, denen in aufsteigender Reihenfolge jeweils eine zunehmende Menge Wasser zugemischt wird, dargestellt. Je größer der in die Verdichterströmung eingebachte Wassermassenstrom mwasser ist, desto stärker ist der Effekt der Verminderung des Druckaufbaus in dem auf die
Zumischvorrichtung folgenden Bereich und somit die aerodynamische Entlastung der in diesem Bereich befindlichen Verdichterstufen. Umgekehrt wird die letzte Verdichterstufe bzw. die letzten Verdichterstufen bei zunehmendem Wassermassenstrom zunehmend stärker belastet. Diese letzte(n) Verdichterstufe(n) weist/en aber bei Nennbetrieb üblicherweise die größte Stabilitätsreserve auf, so dass sich mit zunehmendem Wassermassenstrom insgesamt ein Zugewinn an aerodynamischer Stabilitätsreserve für den Verdichter insgesamt ergibt.
Während im Falle der trockenen Arbeitsfluidströmung alle Verdichterstufen im Nennbetriebspunkt näherungsweise gleich hoch aerodynamisch belastet sind, verschiebt sich die aerodynamische Belastung mit zunehmendem Wassermassenstrom hin zu den hinteren Verdichterstufen. Insgesamt ergibt sich so eine ungleichmäßige Belastungsverteilung der Verdichterstufen bei Zumischung eines Wassermassenstroms. Eine ungleichmäßige Belastungsverteilung ergibt sich auch dann, wenn der Wassermassenstrom nicht stromauf des Verdichtereintritts sondern stromab des Verdichtereintritts, beispielsweise zwischen zwei Verdichterstufen, der Arbeitsfluidströmung zugemischt wird. Die ungleichmäßige Belastungsverteilung führt dazu, dass die Verdichterstufen im Nennbetriebspunkt unterschiedliche aerodynamische Stabilitätsreserven aufweisen, wobei die Verdichterstufe mit der geringsten Stabilitätsreserve den aerodynamisch stabilen Betriebsbereich des Verdichters begrenzt.
Hier setzt die Erfindung an. In Figur 4 ist in einem Ablaufschema der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zur Auslegung der Geometrie eines mehrstufigen Verdichters einer Turbomaschine, hier einer Gasturbine, dargestellt.
Als Arbeitsfluid des hier betrachteten Verdichters wird im Betrieb der Gasturbine Luft aus der Umgebung angesaugt. Die Luft ist somit zunächst trocken oder im Wesentlichen trocken, wobei dies auch die Möglichkeit mit einschließt, dass die angesaugte Luft beispielsweise aufgrund von Regen eine gewisse Feuchte aufweist. Ferner kann der Arbeitsfluidströmung des Verdichters während des Betriebs der Gasturbine zur Steigerung der Leistung der Gasturbine zumindest in einem Zeitabschnitt kontinuierlich ein Wassermassenstrom zugemischt werden. Die kontinuierliche Zumischung des Wassermassenstroms erfolgt über eine Zumischvorrichtung, üblicherweise eine Mehrzahl von Düsen, die so angeordnet sind, dass der Wassermassenstrom in die Arbeitsfluidströmung des Verdichters eingedüst werden kann. Die Arbeitsfluidströmung stromab der Zumischvorrichtung ist bei Zumischung des Wassermassenstroms längs wenigstens eines Abschnitts des Verdichters somit feucht.
Gemäß der Darstellung in Figur 4 erfolgt die erfindungsgemäße Auslegung der Geometrie eines solchen mehrstufigen Verdichters im Wesentlichen in zwei Verfahrensschritten 102 und 103, wobei diese Verfahrensschritte 102 und 103 nicht unbedingt zeitlich nacheinander, sondern auch iterativ oder auch gleichzeitig ablaufen können. Die Verfahrensschritte 101 und 104 stellen lediglich den Start und das Ende des Auslegungsverfahrens dar.
In dem ersten Verfahrensschritt 102 wird die Geometrie der Verdichterstufen unter Vorgabe einer aerodynamischen Belastungsverteilung für eine Durchströmung des Verdichters mit trockenem Arbeitsfluid ausgelegt.
In einem zweiten Verfahrensschritt 103 wird die Geometrie wenigstens einer Verdichterstufe so geändert, dass eine Änderung der aerodynamischen Belastung der Verdichterstufe infolge der Zumischung des Wassermassenstroms zu dem Arbeitsfluid wenigstens teilweise durch die Änderung der Geometrie vorkompensiert ist.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Geometrien aller Verdichterstufen stromab der Zumischvorrichtung zur wenigstens teilweisen Kompensation der infolge der Zumischung des Wassermassenstroms zu dem Arbeitsfluid veränderten aerodynamischen Belastung geändert. Durch die Änderung der Geometrien aller Verdichterstufen stromab der Zumischvorrichtung wird bereits ein Großteil der maximal erzielbaren Verbesserung an aerodynamischer Stabilität bei Zumischung des Wassermassenstroms erzielt. Die Verdichterstufen stromauf der Zumischvorrichtung bleiben hierbei unverändert, so dass hier auch keine Verschlechterung der Stabilität bei Betrieb des Verdichters ohne Zumischung des Wassermassenstroms gegeben ist. Es ist aber auch möglich, die Geometrien aller Verdichterstufen zur wenigstens teilweisen Kompensation der infolge der Zumischung des Wassermassenstroms zu dem Arbeitsfluid veränderten aerodynamischen Belastung zu ändern. Hierdurch wird ein maximaler Zugewinn an Stabilitätsreserve für den Betrieb mit Zumischung des Wassermassenstroms erzielt, jedoch in der Regel eine Verschlechterung der Stabilitätsreserve bei Betrieb des Verdichters ohne Zumischung des Wassermassenstroms.
Findet die Zumischung des Wassermassenstroms stromauf der ersten Verdichterstufe statt, so ist keine Fallunterscheidung der Verdichterstufen zu treffen.
Die Vorkompensation erfolgt in der Weise, dass, falls die Zumischung des Wassermassenstroms eine Verringerung der aerodynamischen Belastung der jeweils betreffenden Verdichterstufe im Vergleich zu der Vorauslegung bewirkt, die Geometrie der betreffenden Verdichterstufe so geändert wird, dass die
Verdichterstufe im Vergleich zu der Vorauslegung aerodynamisch höher belastet ist. Wird hingegen durch die Zumischung des Wassermassenstroms eine Erhöhung der aerodynamischen Belastungen der jeweils betreffenden Verdichterstufe im Vergleich zu der Vorauslegung bewirkt, so wird die Geometrie der betreffenden Verdichterstufe so geändert, dass die Verdichterstufe im Vergleich zu der Vorauslegung aerodynamisch geringer belastet ist.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Geometrien der betreffenden Verdichterstufen so geändert, dass die im Nennbetriebspunkt des Verdichters auftretende aerodynamische Belastung der jeweils zu ändernden Verdichterstufe bei Zumischung des Wassermassenstroms gleich oder näherungsweise gleich der aerodynamischen Belastung der jeweiligen Verdichterstufe gemäß der Vorauslegung ohne Zumischung des Wassermassenstroms ist.
Wie in Figur 4 dargestellt kann eine solche Verminderung der aerodynamischen Belastung der jeweils betreffenden Verdichterstufe beispielsweise durch eine Verminderung der Staffelung der Schaufeln der Verdichterstufe erfolgen. Umgekehrt wird dann zur Erhöhung der aerodynamischen Belastung der jeweils betreffenden Verdichterstufe die Staffelung der Schaufeln der Verdichterstufe erhöht.
Zur Verminderung der aerodynamischen Belastung der jeweils betreffenden Verdichterstufe ist es aber auch möglich, ein Teilungsverhältnis der Schaufeln der Verdichterstufe zu erhöhen und/oder zur Erhöhung der aerodynamischen Belastung der wenigstens einen Verdichterstufe, das Teilungsverhältnis der Schaufeln der Verdichterstufe zu vermindern.
Oftmals genügt es, nur die Geometrie der Schaufeln des jeweiligen Rotors der Verdichterstufe zu ändern. Die Schaufeln des Stators der Verdichterstufe bleiben dann unverändert. In Abhängigkeit der aerodynamischen Grundauslegung kann es aber auch zweckmäßig sein, die Geometrie der Schaufeln des jeweiligen Stators der Verdichterstufe zu ändern und die Schaufeln des Rotors der Verdichterstufe unverändert zu belassen oder aber auch die Schaufeln sowohl des Rotors als auch des Stators zu ändern.
Weitere Maßnahmen zur Erhöhung oder Verminderung der aerodynamischen Belastung von Verdichterstufen sind dem Fachmann bekannt und können hier zur Anwendung gelangen.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Turbomaschine stellen nur beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar, die von einem Fachmann durchaus in vielfältiger Weise ergänzt und/oder modifiziert werden können, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 Gasturbine
2 Verdichter
3 Brennkammer
3-B Brennstoffzuführung
4 Turbine
5 Generator
6 erste Welle
7 zweite Welle
8 Stromnetz
9 Strömungspfad der Arbeitsfluidströmung
10 Einlaufkanal des Verdichters
11 Zuführleitung
11-Z Zumischvorrichtung
12 Regelventil
13 Regelungsvorrichtung
20 Verdichterkennfeld 21a - 21c Drehzahllinien
22trockeriι 22fΘUCht Pumpgrenze 23trockenι 23feucht Betriebslinie 24trockenι 24fΘUCht Nennbetriebspunkt
30-0 Verdichterdruckverlauf für trockene Arbeitsfluidströmung
30-1 , 30-2, 30-3 Verdichterdruckverlauf für feuchte Arbeitsfluidströmungen
100 erfindungsgemäß ausgebildetes Verfahren
101 - 104 Verfahrensschritte
nri red reduzierte Massendurchsatz m Wasser Wassermassenstrom
PSMtrocken, PSMfΘUCht Druck-Pumpgrenzabstand SSMtrockeni SSMfΘUCht Drehzahl-Pumpgrenzabstand U Umgebung
ΔPs Druckdifferenz π Druckverhältnis

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur aerodynamischen Auslegung der Geometrie eines mehrstufigen Verdichters einer Turbomaschine, insbesondere eines Verdichters einer zur
Stromerzeugung eingesetzten Turbomaschine, wobei der Verdichter im Betrieb von einem zunächst trockenen oder im Wesentlichen trockenen Arbeitsfluid durchströmt wird und dem Arbeitsfluid während zumindest eines Zeitabschnitts während des Betriebs des Verdichters über eine Zumischvorrichtung ein Wassermassenstrom kontinuierlich zumischbar ist, so dass das Arbeitsfluid stromab der Zumischvorrichtung längs wenigstens eines Abschnitts des Verdichters feucht ist, umfassend, in einer Vorauslegung unter Vorgabe einer aerodynamischen
Belastungsverteilung die Geometrie der Verdichterstufen für eine Durchströmung des Verdichters mit trockenem Arbeitsfluid auszulegen, und anschließend die Geometrie wenigstens einer Verdichterstufe so zu ändern, dass eine Änderung der aerodynamischen Belastung der Verdichterstufe infolge der Zumischung des Wassermassenstroms zu dem
Arbeitsfluid wenigstens teilweise durch die Änderung der Geometrie der wenigstens einen Verdichterstufe vorkompensiert ist.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1 , weiterhin umfassend, falls die Zumischung des Wassermassenstroms eine Verringerung der aerodynamischen Belastung der wenigstens einen Verdichterstufe im Vergleich zu der Vorauslegung bewirkt, die Geometrie der wenigstens einen Verdichterstufe so zu ändern, dass die Verdichterstufe im Vergleich zu der Vorauslegung aerodynamisch höher belastet ist, oder falls die Zumischung des Wassermassenstroms eine Erhöhung der aerodynamischen Belastung der wenigstens einen
Verdichterstufe im Vergleich zu der Vorauslegung bewirkt, die Geometrie der wenigstens einen Verdichterstufe so zu ändern, dass die Verdichterstufe im Vergleich zu der Vorauslegung aerodynamisch geringer belastet ist.
3. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, weiterhin umfassend, die Geometrie der wenigstens einen Verdichterstufe so zu ändern, dass die im Nennbetriebspunkt des Verdichters auftretende aerodynamische Belastung der wenigstens einen Verdichterstufe bei Zumischung des Wassermassenstroms gleich oder näherungsweise gleich der aerodynamischen Belastung der Verdichterstufe gemäß der Vorauslegung ohne Zumischung des Wassermassenstroms ist.
4. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, weiterhin umfassend, die Geometrie der wenigstens einen Verdichterstufe so zu ändern, dass die aerodynamische Belastung der Verdichterstufe bei Zumischung des Wassermassenstroms im Nennbetriebspunkt des Verdichters etwa hälftig zwischen der aerodynamischen Belastung der Verdichterstufe gemäß Vorauslegung ohne Zumischung des Wassermassenstroms und der aerodynamischen Belastung der Verdichterstufe gemäß Vorauslegung mit
Zumischung des Wassermassenstroms zu liegen kommt.
5. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend, zur Verminderung der aerodynamischen Belastung der wenigstens einen Verdichterstufe eine Staffelung wenigstens eines Teils der
Schaufeln der Verdichterstufe zu vermindern und/oder zur Erhöhung der aerodynamischen Belastung der wenigstens einen Verdichterstufe die Staffelung der Schaufeln der Verdichterstufe zu erhöhen.
6. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend, zur Verminderung der aerodynamischen Belastung der wenigstens einen Verdichterstufe ein Teilungsverhältnis wenigstens eines der Schaufeln der Verdichterstufe zu erhöhen und/oder zur Erhöhung der aerodynamischen Belastung der wenigstens einen Verdichterstufe das Teilungsverhältnis der Schaufeln der Verdichterstufe zu vermindern.
7. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend, im Anschluss an die Vorauslegung der Verdichterstufen die Geometrien aller Verdichterstufen stromab der Zumischvorrichtung zur wenigstens teilweisen Kompensation der infolge der Zumischung des
Wassermassenstroms zu dem Arbeitsfluid veränderten aerodynamischen Belastung zu ändern.
8. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend, im Anschluss an die Vorauslegung der Verdichterstufen die Geometrien aller Verdichterstufen zur wenigstens teilweisen Kompensation der infolge der Zumischung des Wassermassenstroms zu dem Arbeitsfluid veränderten aerodynamischen Belastung zu ändern.
9. Verdichter (2), insbesondere Verdichter einer zur Stromerzeugung eingesetzten Turbomaschine, umfassend eine Mehrzahl von Verdichterstufen sowie eine im Bereich der Verdichterstufen angeordnete Zumischvorrichtung (11 -Z) zur kontinuierlichen
Zumischung eines Wassermassenstroms zu der Strömung des Arbeitsfluids des Verdichters (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (2) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgelegt ist.
10. Turbomaschine, insbesondere Gasturbine (1 ) einer Kraftwerksanlage, mit einem Verdichter (2), einer Brennkammer (3) und einer mit dem Verdichter
(2) antriebsverbundenen Turbine (4), wobei im Betrieb der Turbomaschine eine Arbeitsfluidströmung längs eines Strömungspfads (9) nacheinander den
Verdichter (2), die Brennkammer (3) und die Turbine (4) durchströmt, sowie mit einer Zumischvorrichtung (11 -Z) zur Zumischung eines ersten
Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (2) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgelegt ist.
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