CH701074B1 - Gasturbineneinlass-Filtergehäuse für einen Gasturbinenmotor und Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrads eines Gasturbinenmotors. - Google Patents

Abstract

Ein Gasturbineneinlass-Filtergehäuse (100) mit einem Leistungssteigerungssystem (40), welches zumindest einen Kanal (120, 130, 140) umfasst, der an dem Gasturbineneinlass-Filtergehäuse (100) um das Leistungssteigerungssystem (40) herum angeordnet ist, sowie eine Luftklappe, die innerhalb des zumindest einen Kanals (120, 130, 140) angeordnet ist.

Description

  Technisches Gebiet

  

[0001]    Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Gasturbineneinlass-Filtergehäuse gemäss Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrads eines Gasturbinenmotors gemäss Patentanspruch 9.

Hintergrund der Erfindung

  

[0002]    Allgemein beschrieben umfassen Gasturbinenmotoren einen Kompressor zum Komprimieren von eingehender Luft, eine Brennkammer zum Mischen von Brennstoff mit der Druckluft und zum Zünden des Brennstoffs und der Luft, um einen Hochtemperatur-Gasstrom zu bilden, und eine Turbine, die von dem Hochtemperatur-Gasstrom angetrieben wird. Andere Komponenten können ebenfalls hierin verwendet werden. Die Leistung des Gasturbinenmotors steht im Allgemeinen im Zusammenhang mit der Temperatur der Gasströmung an verschiedenen Stellen durch denselben hindurch. Im Besonderen werden die Temperatur an dem Kompressoreinlass, das Verdichtungsverhältnis und die Temperatur des Brennkammerauslasses während des Betriebs des Motors genau überwacht. Ein Absenken der Temperatur der Gasströmung, die in den Kompressor eintritt, führt im Allgemeinen zur Steigerung der Leistungsabgabe des Motors.

  

[0003]    Bekannte Verfahren zur Reduktion der Temperatur umfassen die Verwendung eines Leistungssteigerungssystems. Ein Leistungssteigerungssystem kann eine Kühlschlange und Verdampfungskühler umfassen, um die Temperatur des Gasstroms zu verringern. Bekannte Leistungssteigerungssysteme sind zum Beispiel in dem US-Patent Nr. 7 007 484 B2 und der US-Patentveröffentlichung Nr. 2005/0 056 023 A1 dargestellt.

  

[0004]    Die Verwendung eines Leistungssteigerungssystems erhöht jedoch den Widerstand des Luftstroms, der in den Kompressor eintritt. Dieser Widerstand ist als ein Druckabfall in dem Einlasssystem definiert und kann in Pascal Pa (Zoll Wassersäule) gemessen werden. Der Turbinenwirkungsgrad und die Turbinenleistungsabgabe sind eine direkte Funktion des Druckabfalls des Einlasssystems. Je höher der Druckabfall des Einlasssystems, desto geringer der Wirkungsgrad und die Leistungsabgabe der Turbine.

  

[0005]    Das Leistungssteigerungssystem erhöht die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad der Gasturbine, wenn diese bei den gewünschten Umgebungsbedingungen betrieben wird. Wenn das Leistungssteigerungssystem nicht in Betrieb ist, reduziert jedoch der zusätzliche Druckabfall, den das System im Lufteinlassstrom hinzufügt, den Wirkungsgrad und die Leistungsabgabe der Gasturbine. Typische Druckabfallwerte über das Gasturbineneinlasssystem zur Leistungserzeugung variieren von etwa 500 bis etwa 1250 Pa (2 bis etwa 5 Zoll Wassersäule). Dies umfasst den Druckabfall über das Leistungssteigerungssystem, welcher von etwa 125 bis etwa 375 Pa (0,5 bis etwa 1,5 Zoll Wassersäule) variiert.

   Je nach der Grösse der Gasturbinen-Rahmenkonstruktion beeinflusst der Wert dieses Druckabfalls die Leistungsabgabe der Gasturbine über den Bereich von etwa 1 bis etwa 5 Megawatt bei ISO-Nennbedingungen. Dies wiederum kann den Turbinenwirkungsgrad in dem Bereich von etwa 0,01 % bis etwa 0,3 % beeinflussen. Auf dem Gebiet der Leistungserzeugung mit seinem starken Wettbewerb oder der Reihe von anderen Einsatzgebieten für mechanisch angetriebene Gasturbinen ist jedoch jeder einzelne Punkt der Leistung oder des Wirkungsgrads von grösster Wichtigkeit.

  

[0006]    Daher herrscht Bedarf nach einem Luftnebenstromsystem für einen Gasturbineneinlass, das den Druckabfall durch dasselbe verringert, wenn Leistungssteigerungssysteme nicht in Betrieb sind. Ein solches Luftnebenstromsystem sollte den Gesamtwirkungsgrad und die Gesamtleistung des Gasturbinenmotors erhöhen.

Zusammenfassung der Erfindung

  

[0007]    Die Erfindung betrifft ein Gasturbineneinlass-Filtergehäuse gemäss Patentanspruch 1.

  

[0008]    Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrads eines Gasturbinenmotors gemäss Patentanspruch 9.

  

[0009]    Diese und andere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden dem Fachmann nach Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung mehrerer Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen und den folgenden Patentansprüchen klar werden.

  

[0010]    Kurzbeschreibung der Zeichnungen
<tb>Fig. 1A<sep>ist eine Draufsicht von vorne eines bekannten Einlassfiltergehäuses.


  <tb>Fig. 1B<sep>ist eine Draufsicht von oben des bekannten Einlassfiltergehäuses von Fig. 1A.


  <tb>Fig. 1C<sep>ist eine Seitenansicht des bekannten Einlassfiltergehäuses von Fig. 1A.


  <tb>Fig. 2A<sep>ist eine Draufsicht von vorne eines Einlassfiltergehäuses mit dem Luftnebenstromsystem, wie es hierin beschrieben wird, in einem ersten Beispiel.


  <tb>Fig. 2B<sep>ist eine Draufsicht von oben des Einlassfiltergehäuses mit dem Luftnebenstromsystem von Fig. 2A.


  <tb>Fig. 2C<sep>ist eine Draufsicht von der Seite eines Einlassfiltergehäuses mit dem Luftnebenstromsystem von Fig. 2A.


  <tb>Fig. 3<sep>ist eine vergrösserte Ansicht eines Luftnebenstromkanals von Fig. 2A-C und veranschaulicht die Luftklappe.


  <tb>Fig. 4A<sep>ist eine Draufsicht von vorne eines Einlassfiltergehäuses mit dem Luftnebenstromsystem, in einem zweiten Beispiel.


  <tb>Fig. 4B<sep>ist eine Draufsicht von oben des Einlassfiltergehäuses mit dem zweiten Beispiel des Luftnebenstromsystems von Fig. 4A.


  <tb>Fig. 4C<sep>ist eine Draufsicht von der Seite des Einlassfiltergehäuses mit dem zweiten Beispiel des Luftnebenstromsystems von Fig. 4A.


  <tb>Fig. 5A<sep>ist eine Draufsicht von vorne eines Einlassfiltergehäuses mit dem Luftnebenstromsystem, in einem dritten Beispiel.


  <tb>Fig. 5B<sep>ist eine Draufsicht von oben des Einlassfiltergehäuses mit dem dritten Beispiel des Luftnebenstromsystems von Fig. 5A.

Detaillierte Beschreibung

  

[0011]    Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugszahlen innerhalb der mehreren Ansichten gleiche Elemente bezeichnen, zeigen die Fig. 1A-1Cein bekanntes Einlassfiltergehäuse 10. Das Einlassfiltergehäuse 10 kann mit einem Gasturbinenmotor, wie er vorstehend beschrieben wurde, verwendet werden. Das Einlassfiltergehäuse 10 umfasst einen Mantel 20 des Filtergehäuses. Der Mantel 20 des Filtergehäuses ist typischerweise ein kastenartiger Aufbau mit einer Anzahl von darin angeordneten Filtern 30. Die Filter 30 können herkömmliche Filtereinrichtungen sein, um die Ansaugung von Staub und Schmutz in den Gasturbinenmotor als Ganzes zu begrenzen. Innerhalb des Mantels 20 des Filtergehäuses kann ein Leistungssteigerungssystem 40 angeordnet sein.

   Das Leistungssteigerungssystem 40 kann eine Kühlschlange 50 oder andere Typen von Kühleinrichtungen, wie etwa die oben beschriebenen, umfassen. Benachbart zum Mantel 20 des Filtergehäuses kann ein Übergangsabschnitt 60 angeordnet sein. Der Übergangsabschnitt 60 verringert den Luftströmungspfad, um die Luftströmungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Der Übergangsabschnitt 60 kann in einen Einlasskanal 70 führen. Der Einlasskanal 70 führt zu den Gasturbinenkomponenten, wie sie oben beschrieben sind. Das Einlassfiltergehäuse 10 kann auch eine Stütze 80 oder einen anderen Typ von Positioniervorrichtung umfassen. Das Einlassfiltergehäuse 10 kann andere oder zusätzliche Komponenten umfassen, je nach Wunsch.

  

[0012]    Fig. 2A-2C zeigen ein Einlassfiltergehäuse 100, wie es hierin beschrieben ist, in einem ersten Beispiel. Das Einlassfiltergehäuse 100 kann die oben in Bezug auf das Einlassfiltergehäuse 10 beschriebenen Komponenten und/oder ähnliche Komponenten umfassen. Das Einlassfiltergehäuse 100 umfasst auch ein Luftnebenstromsystem 110. Das Luftnebenstromsystem 110 umfasst eine Anzahl von Nebenstromkanälen. In diesem Fall ein Paar von seitlichen Kanälen, ein erster seitlicher Kanal 120 und ein zweiter seitlicher Kanal 130 sowie ein oberer Kanal 140. Die Kanäle 120, 130, 140 können um die Kühlschlange 50 herum angeordnet sein. Es ist auch möglich, nicht alle Kanäle 120, 130, 140 zu verwenden. Andere und weitere Konfigurationen der Kanäle 120, 130, 140 können hierin ebenfalls verwendet werden. Die Pfeile zeigen den Luftstrom durch die mehreren Kanäle 120, 130, 140.

   Die Kanäle 120, 130, 140 sind aus Polymeren hergestellt. Es können auch andere leichtgewichtige Materialtypen verwendet werden. Die Kanäle 120, 130, 140 haben im Allgemeinen keine Art von struktureller Aufgabe. Es können jedoch auch Metalle und andere Arten von herkömmlichen Strukturmaterialien verwendet werden. Die Kanäle 120, 130, 140 können auch die Form einer Luftblase haben. Die Luftblase könnte sich aufblähen und wieder zusammenfallen um den Luftströmungspfad durch dieselbe zu erzeugen.

  

[0013]    Fig. 3 zeigt das Luftnebenstromsystem 110 mit einer darin angeordneten Luftklappentür 150. Die Luftklappentüren 150 können manuell oder automatisch gesteuert werden. Eine beliebige Anzahl von Luftklappentüren 150 kann hierin verwendet werden. Alternativ könnten sich die Luftblasen innerhalb oder an Stelle der Kanäle 120, 130, 140 aufblähen und zusammenfallen und den Luftströmungspfad durch dieselben ohne Verwendung der Türen 150 steuern.

  

[0014]    Fig. 4A-4C zeigen ein zweites Beispiel eines Einlassfiltergehäuses 200. Wie oben kann das Einlassfiltergehäuse 200 die Komponenten des Einlassgehäuses 10 und/oder ähnliche Komponenten umfassen. Das Einlassfiltergehäuse 200 umfasst auch ein Luftnebenstromsystem 210. In diesem System 210 wird nur ein Kanal, ein oberer Kanal 220, verwendet. Der obere Kanal 220 ist um den Kühler 50 herum angeordnet. In ähnlicher Weise umfasst der obere Kanal 220 eine Luftklappe 230, die so darin angeordnet ist, dass sie den Kanal 220 je nach Wunsch öffnet oder schliesst. Die Konfiguration des Luftnebenstromsystems 210 hat den Vorteil, dass mögliche Interferenzen mit der Rohrleitung, die mit dem Leistungssteigerungssystem 40 in Verbindung steht, vermieden werden. Ähnliche Konfigurationen können hierin verwendet werden.

  

[0015]    Während der Verwendung werden die Luftnebenstromsysteme 110, 210 im Allgemeinen nur verwendet, wenn das Leistungssteigerungssystem 40 nicht in Betrieb ist. Als solche sind die Luftnebenstromsysteme 110, 210 während des Betriebs des Leistungssteigerungssystems 40 durch die Luftklappentüren 150, 230 oder durch andere Mittel geschlossen. Wenn das Leistungssteigerungssystem 40 nicht in Betrieb ist, leiten die Luftnebenstromsysteme 110, 210 somit die eingehende Luft durch einige oder alle der Kanäle 120, 130, 140, um so den Fliessquerschnitt um das Leistungssteigerungssystem 40 herum zu vergrössern und den Widerstand durch dasselbe zu vermeiden.

  

[0016]    Die Verwendung der Luftnebenstromsysteme 110, 210 minimiert somit den Widerstand des Lufteinlasssystems, indem ein zusätzlicher Strömungspfad um das Leistungssteigerungssystem 40 herum geschaffen wird. Der Druckabfall variiert als Quadrat der Gasgeschwindigkeit, also bietet sogar eine moderate Erhöhung des verfügbaren Fliessquerschnitts (und damit der Reduktion der Luftgeschwindigkeit) eine Reduktion in dem Druckabfall. Die Verwendung der Luftnebenstromsysteme 110, 120 verringert daher den Einlass-Druckabfall und erhöht die Leistungsabgabe und das Leistungsvermögen der Turbine.

   Die Verwendung der Luftnebenstromsysteme 110, 210 verbessert auch die Wirtschaftlichkeit des Leistungssteigerungssystems 40 insgesamt, da der geplante Druckabfall durch das Leistungssteigerungssystem 40 nicht länger einen Kompromiss darstellt zwischen den Kosten des Wärmetauschers und einer Leistungseinbusse, die auftritt, wenn es nicht verwendet wird. Das Leistungssteigerungssystem 40 kann damit mit geringeren Kosten und einem höheren Druckabfall während des Betriebs konstruiert werden, weil ein unabhängiges Mittel verfügbar ist, um den betrieblichen Einlass-Druckabfall zu reduzieren, wenn keine Leistungssteigerung erforderlich ist.

  

[0017]    Fig. 5A und 5B zeigen ein drittes Beispiel eines Einlassfiltergehäuses 300. In dieser Ausführungsform kann die Kühlschlange 50 zur Vorderseite des Mantels 20 des Filtergehäuses verschoben sein. Die Filter 30 selbst sind dabei hinter der Kühlschlange 50 angeordnet. Auch ein Drifteliminator und/oder Coalescerelement 310 können hierin verwendet werden. Das Einlassfiltergehäuse 300 umfasst auch ein Luftnebenstromsystem 320. Das Luftnebenstromsystem 320 umfasst ein Paar von Luftklappentüren 330, die zwischen der Kühlschlange 50 und den Filtern 30 angeordnet sind. Wenn die Kühlschlange 50 nicht in Verwendung ist, können die Luftklappentüren 330 geöffnet werden, um eine Luftströmung direkt in die Filter 30 hinein zu gestatten.

   Die Verwendung des Luftnebenstromsystems 320 ermöglicht somit eine Reduktion in dem Druckabfall, wenn die Kühlschlange 50 vor den Filtern 30 angeordnet und nicht in Betrieb ist. Das Luftnebenstromsystem 320 kann auch mit Scharnieren versehene Luftklappentüren 330 oder sogar Luftblasen verwenden.

  

[0018]    Es ist klar, dass die vorstehenden Ausführungen sich nur auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung beziehen, und dass von einem Fachmann zahlreiche Änderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang und allgemeinen Wesen der Erfindung, die durch die folgenden Ansprüche definiert werden, abzuweichen.

Claims (9)

1. Gasturbineneinlass-Filtergehäuse (100) für einen Gasturbinenmotor, wobei das Gasturbineneinlass-Filtergehäuse (100) ein Leistungssteigerungssystem (40) zur Verbesserung des Wirkungsgrads des Gasturbinenmotors und ein Luftnebenstromsystem (110) enthält, welches umfasst: zumindest einen an dem Gasturbineneinlass-Filtergehäuse (100) um das Leistungssteigerungssystem (40) herum angeordneten Kanal (120, 130, 140); und

eine jeweils innerhalb des zumindest einen Kanals (120, 130, 140) angeordnete Luftklappe (150), um den zumindest einen Kanal (120, 130, 140) zu öffnen oder zu schliessen.

2. Gasturbineneinlass-Filtergehäuse (100) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Kanal (120, 130, 140) ein Paar von jeweils seitlich am Gasturbineneinlass-Filtergehäuse (100) angebrachten Kanälen (120, 130) umfasst.

3. Gasturbineneinlass-Filtergehäuse (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zumindest eine Kanal (120, 130, 140) einen oberhalb am Gasturbineneinlass-Filtergehäuse (100) angebrachten Kanal (140) umfasst.

4. Gasturbineneinlass-Filtergehäuse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Kanal (120, 130, 140) aus einem Polymer hergestellt ist.

5. Gasturbineneinlass-Filtergehäuse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Luftklappe (150) eine Luftklappentür umfasst, welche dazu ausgelegt ist, den zumindest einen Kanal (120, 130, 140) zu öffnen oder zu verschliessen.

6. Gasturbineneinlass-Filtergehäuse (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Luftklappe (150) eine Luftblase umfasst, welche dazu ausgelegt ist, den zumindest einen Kanal (120, 130, 140) durch ein Zusammenfallen oder ein Aufblähen zu öffnen oder zu verschliessen.

7. Gasturbineneinlass-Filtergehäuse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches dazu ausgelegt ist, die Luftklappe (150) zu verschliessen, wenn das Leistungssteigerungssystem (40) in Betrieb ist.

8. Gasturbineneinlass-Filtergehäuse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Kanal (120, 130, 140) das Leistungssteigerungssystem (40) umgeht.

9. Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrads eines Gasturbinenmotors mit einem Gasturbineneinlass-Filtergehäuse (100) mit einem Leistungssteigerungssystem (40) und Luftnebenstromsystem (110), welches zumindest einen an dem Gasturbineneinlass-Filtergehäuse (100) um das Leistungssteigerungssystem (40) herum angeordneten Kanal (120, 130, 140) umfasst, wobei das Verfahren die Schritte enthält:

Erhöhen eines Luftströmungsbereichs um das Leistungssteigerungssystem (40) herum;

Aktivieren des Leistungssteigerungssystems (40); und

Verringern des Luftströmungsbereichs um das Leistungssteigerungssystem (40) herum, wenn das Leistungssteigerungssystem (40) in Betrieb ist,

wobei der Luftströmungsbereich durch ein Öffnen oder Schliessen von einer jeweils innerhalb des zumindest einen Kanals (120, 130, 140) angeordneten Luftklappe (150) erhöht oder verringert wird.