DE102009003379A1

DE102009003379A1 - Kraftwerkturbinensysteme

Info

Publication number: DE102009003379A1
Application number: DE102009003379A
Authority: DE
Inventors: Gunnar L. Siden; John E. Sholes; Douglas Carl Hofer; Sylvain Pierre; Sal A. Leone; Victor G. Hatman; Thomas W. Vandeputte
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2009-08-20
Also published as: CH698409A2; US20090193784A1; CN101498245A; JP2009180227A

Abstract

Geschaffen ist ein Kraftwerksturbinensystem, wobei das System einen Axialverdichter (104) aufweist, der einen Luftstrom verdichtet, der anschließend mit einem Brennstoff vermischt und in einer Brennkammer (120) verbrannt wird, so dass der sich ergebende Heißgasstrom durch eine Turbine geleitet wird; wobei die Turbine einen Niederdruckturbinenabschnitt (208) und einen Hochdruckturbinenabschnitt (204) aufweist; wobei der Hochdruckturbinenabschnitt über eine erste Welle (216) mit dem Axialverdichter (104) verbunden ist, so dass der Hochdruckturbinenabschnitt (204) im Betrieb wenigstens eine Komponente des Axialverdichters (104) antreibt; wobei der Hochdruckturbinenabschnitt (204) über die erste Welle (216) mit einem schnell laufenden Generator (802) verbunden ist, so dass der Hochdruckturbinenabschnitt (204) im Betrieb den schnell laufenden Generator (802) antreibt; und wobei der Niederdruckturbinenabschnitt (208) über eine zweite Welle (220) mit einem langsam laufenden Generator (212) verbunden ist, so dass der Niederdruckturbinenabschnitt (208) im Betrieb den langsam laufenden Generator (212) antreibt.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Turbinentriebwerke und -systeme. Im Besonderen, jedoch ohne sie darauf beschränken zu wollen, betrifft die vorliegende Erfindung Systeme zur Verbesserung der Turbinenleistung durch den Einsatz von, u. a., Mehrfach-Wellen-Anordnungen und/oder mit geringerer Drehgeschwindigkeit laufenden Generatoren.
Mit Blick auf den Anstieg der Energiekosten und die wachsende Nachfrage, steht das Ziel der Verbesserung des Wirkungsgrads von Gasturbinen immer im Vordergrund. Zu diesem Zweck wurden größere Abmessungen für Gasturbinen, die in der Lage sind, einen höheren Massendurchsatz zu verarbeiten, als ein Weg zur Steigerung des Wirkungsgrads der Stromerzeugung vorgeschlagen. Allerdings sind für die Elektrizitätserzeugung verwendete Gasturbinen im Allgemeinen aufgrund des Wechselspiels von zwei Faktoren hinsichtlich ihrer Abmessung beschränkt. Erstens arbeiten elektrizitätserzeugende Gasturbinen, um den Bedarf eines Untersetzungsgetriebes zu vermeiden, im Allgemeinen mit derselben Frequenz wie das Wechselspannungsnetz. Da ein Großteil der Länder in der Welt Wechselstromleistung mit einer Frequenz von entweder 50 Hz oder 60 Hz einspeist, ist die Betriebsfrequenz für Kraftwerksgasturbinen daher auf entweder 50 Hz oder 60 Hz beschränkt. (Zu beachten ist, dass die beiden am meisten verbreiteten Frequenzen bei der Stromerzeugung, d. h. 50 Hz und 60 Hz, aus Gründen der Kürze und Übersichtlichkeit im Folgenden mit 60 Hz bezeichnet werden. Falls nicht anders lautend festgestellt, versteht sich, dass ein Bezug auf eine Frequenz von 60 Hz auch einen Bezug auf die Fre quenz von 50 Hz sowie auf ähnliche Frequenzen einschließt, die möglicherweise in einem Wechselspannungs-Energieversorgungsnetz genutzt werden).
Der zweite Faktor ist die Unfähigkeit herkömmlicher Materialien, den Zentrifugalspannungen bzw. -beanspruchungen zu widerstehen, die in Zusammenhang mit den rotierenden Teilen größerer Turbinen auftreten. Mit der Zunahme der Abmessungen und des Massendurchsatzes von Turbinen wachsen notwendigerweise auch die Abmessungen und das Gewicht der rotierenden Teile der Turbine. Was die rotierenden Teile, beispielsweise die Turbinenschaufeln, betrifft, führt diese Steigerung der Abmessungen und des Gewichts allerdings dazu, dass diese Teile eine erhebliche Steigerung der Zentrifugalspannung erfahren, falls die normale Betriebsfrequenz von 50–60 Hz beibehalten wird. Wie dem Fachmann klar ist, ist dieser Umstand besonders problematisch für die größeren und schwereren Turbinenschaufeln der Niederdruck- oder hinteren Turbinenstufen. In den vorderen Abschnitten des Verdichters, wo sich die größeren Verdichterschaufelblätter befinden, können übermäßige Zentrifugalspannungen in ähnlicher Weise ein beschränkendes Problem darstellen. Somit lassen gegenwärtige Materialbeschränkungen es nicht zu oder machen es zu kostspielig, Komponenten herzustellen, die in der Lage sind, in diesen größeren Turbinen erfolgreich zu arbeiten.
Die Kombination dieser beiden Probleme begrenzt im Allgemeinen die Abmessungen, mit denen sich Kraftwerksturbinen unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten aufbauen lassen. Als Folge hiervon werden keine größeren und effizienteren Turbinen verwirklicht. Es besteht somit ein Bedarf nach verbesserten Verfahren und Systemen zum Betreiben von Turbinen, die es erlauben, größere Turbinen kostengünstig aufzubauen und zu betreiben.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Kraftwerksturbinensystem, das einen Axialverdichter enthalten kann, der einen Luftstrom verdichtet, der anschließend mit einem Brennstoff vermischt und in einer Brennkammer verbrannt wird, so dass der sich ergebende Strom heißen Gases durch eine Turbine geleitet wird. Die Turbine kann einen Niederdruckturbinenabschnitt und einen Hochdruckturbinenabschnitt aufweisen. Der Hochdruckturbinenabschnitt kann über eine erste Welle mit dem Axialverdichter verbunden sein, so dass der Hochdruckturbinenabschnitt im Betrieb wenigstens eine Komponente des Axialverdichters antreibt. Der Hochdruckturbinenabschnitt kann über die erste Welle mit einem schnell laufenden Generator verbunden sein, so dass der Niederdruckturbinenabschnitt im Betrieb den schnell laufenden Generator antreibt. Weiter kann der Niederdruckturbinenabschnitt über eine zweite Welle mit einem langsam laufenden Generator verbunden sein, so dass der Niederdruckturbinenabschnitt im Betrieb den langsam laufenden Generator antreibt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Kraftwerksturbinensystem, das enthalten kann: 1) eine Turbine, die zwei Abschnitte aufweist, nämlich einen Hochdruckturbinenabschnitt und einen Niederdruckturbinenabschnitt, die jeweils auf einer gesonderten Welle angeordnet sind; 2) einen Axialverdichter, der einen Luftstrom verdichtet, der anschließend mit einem Brennstoff vermischt und in einer Brennkammer verbrannt wird, so dass der sich ergebende Strom heißen Gases durch die Turbine geleitet wird; 3) einen zweipoligen Generator; 4) einen vierpoligen Generator; 5) eine erste Welle, die den Hochdruckturbinenabschnitt mit dem Axialverdichter und dem zweipoligen Generator verbindet, so dass der Hochdruckturbinenabschnitt im Betrieb den Axialverdichter und den zweipoligen Generator an treibt; und 6) eine zweite Welle, die den Niederdruckturbinenabschnitt mit dem vierpoligen Generator verbindet, so dass der Niederdruckturbinenabschnitt im Betrieb den vierpoligen Generator antreibt.
Der Hochdruckturbinenabschnitt kann 1 bis 2 Stufen aufweisen, und der Niederdruckturbinenabschnitt kann 2 bis 4 Stufen aufweisen. Der Hochdruckturbinenabschnitt kann dazu eingerichtet sein zu arbeiten, wenn der Druck des hindurch strömenden Arbeitsfluidstroms im Bereich von etwa 260 bis 450 psi liegt; und der Niederdruckturbinenabschnitt kann dazu eingerichtet sein zu arbeiten, wenn der Druck des hindurch strömenden Arbeitsfluidstroms im Bereich von etwa 50 bis 150 psi liegt. Die Turbine kann mehrere Stufen aufweisen; und der Hochdruckturbinenabschnitt kann die vorderen Turbinenstufen enthalten, während der Niederdruckturbinenabschnitt die hinteren Turbinenstufen enthält. Der langsam laufende Generator kann auf einem vierpoligen Generator basieren. Der langsam laufende Generator kann auf einem sechspoligen Generator basieren. Der langsam laufende Generator kann auf einem achtpoligen Generator basieren. Der schnell laufende Generator kann auf einem zweipoligen Generator basieren. Die allgemeine Betriebsfrequenz des Niederdruckturbinenabschnitts und des langsam laufenden Generators kann etwa 25 bis 30 Hz betragen. Die allgemeine Betriebsfrequenz des Hochdruckturbinenabschnitts, des Axialverdichters und des schnell laufenden Generators kann etwa 50 bis 60 Hz betragen.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Anmeldung erschließen sich nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Zeichnungen und die beigefügten Patentansprüche.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht in einer schematischen Zeichnung die Konstruktion eines Kraftwerksturbinensystems mit einem herkömmlichen Aufbau nach dem Stand der Technik.
2 veranschaulicht in einer schematischen Zeichnung die Konstruktion eines Kraftwerksturbinensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung.
3 veranschaulicht in einer schematischen Zeichnung die Konstruktion eines Kraftwerksturbinensystems gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung.
4 veranschaulicht in einer schematischen Zeichnung die Konstruktion eines Kraftwerksturbinensystems gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung.
5 veranschaulicht in einer schematischen Zeichnung die Konstruktion eines Kraftwerksturbinensystems gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung.
6 veranschaulicht in einer schematischen Zeichnung die Konstruktion eines Kraftwerksturbinensystems gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung.
7 veranschaulicht in einer schematischen Zeichnung die Konstruktion eines Kraftwerksturbinensystems gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung.
8 veranschaulicht in einer schematischen Zeichnung die Konstruktion eines Kraftwerksturbinensystems gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung.
9 veranschaulicht in einer schematischen Zeichnung die Konstruktion eines Kraftwerksturbinensystems gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit Bezugnahme auf die Figuren, in denen die unterschiedlichen Bezugsnummern gleichartige Elemente über die unterschiedlichen Ansichten hinweg bezeichnen, veranschaulicht 1 in einer schematischen Zeichnung die Konstruktion eines Kraftwerksturbinensystems nach dem Stand der Technik. Im Allgemeinen entzieht eine Gasturbine einem Strom heißen Gases, der durch Verbrennung von Gas oder Heizöl in einem Strom verdichteter Luft erzeugt wird, Energie. Die Gasturbine 100 als solche enthält einen stromaufwärts gelegenen Axialverdichter oder Verdichter 104, der durch eine einzige oder gemeinsame Welle 108 mechanisch mit einer stromabwärts befindlichen Turbine 112 und einem Generator 116 verbunden ist, wobei zwischen dem Verdichter 104 und der Turbine 112 eine Brennkammer 120 angeordnet ist.
Im Betrieb kann die Rotation von Verdichterschaufelblättern in dem Axialverdichter 104 einen Luftstrom verdichten. Wenn die verdichtete Luft mit Brennstoff vermischt und in der Brennkammer 120 gezündet wird, kann anschließend Energie freigegeben werden. Der aus der Brennkammer stammende, sich ergebende Strom expandierender heißer Gase kann anschließend über die Laufschaufeln oder Schaufeln in der Turbine 112 gelenkt werden, so dass die Energie des heißen Stroms von Gasen in die mechanische Energie der rotierenden Welle 108 umgewandelt wird. Wie beschrieben, kann die gemeinsame Welle 108 den Verdichter 104 mit der Turbine 112 verbinden, so dass die durch den durch die Turbine 112 strömenden Strom hervorgerufene Rotation der Welle 108 den Verdichter 104 antreiben kann. Die gemeinsame Welle 108 kann außerdem die Turbine 112 mit dem Generator 116 verbinden, so dass die durch den durch die Turbine 112 strömenden Strom hervorgerufene Rotation der Welle 108 den Generator 116 antreiben kann.
Der Generator 116 wandelt die mechanische Energie der rotierenden Welle in elektrische Energie um. Typischerweise ist der Generator 116 in Kraftwerksanwendungen ein zweipoliger Generator. Wie dem Fachmann klar wird, muss die Welle 108, falls kein Getriebe – das in der Regel die Komplexität und die Kosten des Systems steigert und dessen Wirkungsgrad senkt – verwendet wird, den zweipoligen Generator mit einer Frequenz von 60 Hz antreiben, um elektrische Energie zu erzeugen, die mit dem lokalen Wechselspannungs-Versorgungsnetz kompatibel ist. Die Voraussetzungen des Wechselspannungsnetzes, die Verwendung zweipoliger Generatoren und die Nachteile in Zusammenhang mit der Verwendung eines Getriebes bedingen somit im Allgemeinen, dass Turbinen bei der Frequenz von 60 Hz arbeiten müssen. Wie oben beschrieben, sind Turbinen, die im Bereich einer so hohen Frequenz arbeiten, im Allgemeinen wegen der großen Zentrifugalbeanspruchungen, die an ihren rotierenden Teilen auftreten, hinsichtlich ihrer Abmessungen und ihrer Durchflusskapazität beschränkt.
2 veranschaulicht in einer schematischen Zeichnung die Konstruktion eines Kraftwerksturbinensystems 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung. (Zu beachten ist, dass über die gesamte Beschreibung der 2–9 hinweg vielfältige Systemkomponenten beschrieben werden. Diese Systemkomponenten sind beispielsweise Generatoren, Turbinen, Dampfturbinen, Brennkammern, Verdichter und Mehrfachwellen. Falls nicht anders lautend dargelegt, sollen die Beschreibungen der Systemkomponenten in einem weiten Sinne verstanden werden, um sämtliche Abwandlungen jeder einzelnen zu beinhalten. Darüber hinaus bezeichnet in dem hier verwendeten Sinne der Begriff "Turbine" allgemein den Turbinenabschnitt einer Gasturbine, während "Dampfturbine" den Turbinenabschnitt einer Dampfturbine bezeichnet). Das Turbinensystem 200 kann einen Verdichter 104, eine Brennkammer 120, eine Turbine mit einem Hochdruckturbinenabschnitt 204 und einem Niederdruckturbinenabschnitt 208, und einen langsam laufenden Generator 212 enthalten. In dem hier verwendeten Sinne sollen mit den Begriffen "Niederdruckturbinenabschnitt" und "Hochdruckturbinenabschnitt" die entsprechenden Betriebsdruckpegel jeweils im Vergleich zu dem der anderen unterschieden werden (d. h. die vorderen Stufen einer typischen Turbine könnten als der "Hochdruckturbinenabschnitt" bezeichnet werden, und die hinteren Stufen könnten als der "Niederdruckturbinenabschnitt" bezeichnet werden, da der Druck der Strömung abnimmt, während das Arbeitsfluid durch die Turbine hindurch – zunächst durch den vorderen Abschnitt und anschließend durch den hinteren Abschnitt – expandiert). Somit soll diese Terminologie, falls nicht anders lautend festgestellt, keinesfalls beschränkend sein. Darüber hinaus soll der Begriff "schnell laufender Generator" in dem hier verwendeten Sinne einen herkömmlichen zweipoligen Generator, wie er gewöhnlich in Kraftwerksanwendungen eingesetzt wird. Der Begriff "langsam laufender Generator" soll einen Generator bezeichnen, der mehr als zwei Pole aufweist, beispielsweise einen vierpoligen Generator, einen sechspoligen Generator, einen achtpoligen Generator, usw. bezeichnen.
Der Verdichter 104 kann in einer herkömmlichen Weise über eine erste Welle 216 mit dem Hochdruckturbinenabschnitt 204 verbunden sein, so dass der Hochdruckturbinenabschnitt 204 im Betrieb den Axialverdichter antreibt. In derselben Weise kann der Niederdruckturbinenabschnitt 208 über eine zweite Welle 220 mit einem langsam laufenden Generator 212 verbunden sein, so dass der Niederdruckturbinenabschnitt 208 im Betrieb den langsam laufenden Generator 212 antreibt. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Hochdruckturbinenabschnitt 204 1 bis 2 Stufen aufweisen, und der Niederdruckturbinenabschnitt 208 kann 2 bis 4 Stufen aufweisen. Darüber hinaus kann der Hochdruckturbinenabschnitt 204 in einigen Ausführungsbeispielen so definiert sein, dass er die Stufen einer Turbine umfasst, die dazu eingerichtet sind zu arbeiten, wenn der Druck des Stroms expandierender heißer Gase (d. h. des Arbeitsfluids) im Bereich von etwa 260 bis 450 psi liegt. Ferner kann der Niederdruckturbinenabschnitt 208 in einigen Ausführungsbeispielen so definiert sein, dass er die Stufen einer Turbine enthält, die dazu eingerichtet sind zu arbeiten, wenn der Druck des Arbeitsfluids im Bereich von etwa 50 bis 150 psi liegt.
Im Betrieb kann das Kraftwerksturbinensystem 200 wie folgt arbeiten: Die Rotation von Verdichterschaufeln in dem Axialverdichter 104 kann einen Luftstrom verdichten. Wenn die verdichtete Luft mit Brennstoff vermischt und in der Brennkammer 120 gezündet wird, kann anschließend Energie freigesetzt werden. Der sich ergebende, aus der Brennkammer 120 herrührende Strom expandierender heißer Gase kann anschließend über die in dem Hochdruckturbinenabschnitt 204 angeordneten Schaufeln geleitet werden, so dass die Energie des heißen Stroms von Gasen in die mechanische Energie der rotierenden ersten Welle 216 umgewandelt wird. Die erste Welle 216 kann mit dem Axialverdichter 104 verbunden sein, so dass die Rotation der Welle 216, die durch den über den Hochdruckturbinenabschnitt 204 strömenden Arbeitsfluidstrom hervorgerufen wird, den Axialverdichter 104 antreiben kann. Da der Hochdruckturbinenabschnitt 204 nicht mit einem Generator verbunden ist, ist seine Betriebsfrequenz nicht auf irgend ein spezielles Niveau beschränkt, so dass dieser mit einer beliebigen Frequenz betrieben werden kann, die für das System den größten Wirkungsgrad erzielt. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Betriebsfrequenz für den Hochdruckturbinenabschnitt 204 mindestens etwa 50 Hz betragen. Da in dem System kein Getriebe vorhanden ist, wird die Betriebsfrequenz des Axialverdichters 104 selbstverständlich mit der Frequenz des Hochdruckturbinenabschnitts 204 übereinstimmen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Betriebsfrequenz für den Hochdruckturbinenabschnitt 204 wenigstens 70 Hz betragen.
Nachdem sich der Arbeitsfluidstrom durch den Hochdruckturbinenabschnitt 204 hindurch ausgedehnt hat, kann das Arbeitsfluid anschließend durch den Niederdruckturbinenabschnitt 208 gelenkt werden. Ähnlich wie in dem oben beschriebenen Prozess kann der Arbeitsfluidstrom über die in dem Niederdruckturbinenabschnitt 208 angeordneten Schaufelstufen geleitet werden, so dass die Energie des strömenden Arbeitsfluids in die mechanische Energie der rotierenden zweiten Welle 220 umgewandelt wird. Die zweite Welle 220 kann den Niederdruckturbinenabschnitt 208 mit dem langsam laufenden Generator 212 koppeln, so dass die Rotation der zweiten Welle 220, die durch den über den Niederdruckturbinenabschnitt 208 strömenden Arbeitsfluidstrom hervorgerufen wird, den langsam laufenden Generator 212 antreiben kann.
Wie erwähnt, kann der langsam laufende Generator 212 ein Generator sein, der mehr als zwei Pole aufweist, so dass der langsam laufende Generator 212 elektrische Energie mit einer Frequenz ausgeben kann, die mit dem lokalen Wechselspannungs-Versorgungsnetz kompatibel ist, während er eine Wellenfrequenz empfängt, die wesentlich geringer ist. Folglich könnte der langsam laufende Turbinenabschnitt 208 beispielsweise in dem Fall, in dem der langsam laufende Generator 212 ein vierpoliger Generator ist, mit einer reduzierten Frequenz von 30 Hz betrieben werden und dennoch eine Wechselstromleistungsfrequenz von 60 Hz hervorbringen, die mit dem Wechselspannungsnetz kompatibel wäre. D. h., die Betriebsfrequenz von 30 Hz des langsam laufenden Turbinenabschnitts 208 würde die zweite Welle 220 mit einer Frequenz von 30 Hz antreiben, die wiederum den vierpoligen Generator mit einer Frequenz von 30 Hz antreiben würde. Der vierpolige Generator würde dann Wechselstromleistung mit etwa 60 HZ ausgeben. In einer ähnlichen Weise können dieselben Ergebnisse (d. h. eine Ausgabe einer kompatiblen Wechselstromleistung mit oder bei einer Frequenz von 60 Hz) mittels kleinerer Betriebsfrequenzen für den langsam laufenden Turbinenabschnitt 208 erreicht werden, falls ein sechspoliger Generator oder ein achtpoliger Generator verwendet würde. Selbstverständlich sind auch Generatoren möglich, die eine höhere Anzahl von Polen aufweisen.
Da der Druck des Arbeitsfluids stark vermindert ist, wenn der Strom die hinteren Turbinenstufen erreicht, müssen die rotierenden Teile in diesem Bereich, insbesondere die Schaufeln, wie beschrieben, wesentlich größer bemessen sein, um die restliche Energie des Arbeitsfluids wirkungsvoll aufzunehmen. Da die Abmessung der rotierenden Teile zunehmend wächst, wachsen selbstverständlich auch die Zentrifugalspannungsniveaus, denen die rotierenden Teile ausgesetzt sind, und dies werden gegebenenfalls hinsichtlich der vorgegebenen Betriebsgrenzen der verfügbaren Materialien unzulässig hoch. Dies kann, wie erörtert, die weitere Steigerung der Abmessungen und der Durchflusskapazitäten von Turbinentriebwerken begrenzen, selbst wenn eine solche Steigerung im Ergebnis eine effizientere Energieerzeugung hervorbringen würde. Allerdings kann der Niederdruckturbinenabschnitt 208 durch die Nutzung des langsam laufenden Generators 212 eine kompatible Wechselspannung bei reduzierten Betriebsfrequenzen erzeugen. Die Verringerungen der Frequenz reduzieren die auf die rotierenden Teile einwirkende Zentrifugalspannung beträchtlich, was es erlaubt, die Teile größer zu bemessen. Dies ermöglicht es, größere Abmessungen und Durchflusskapazitäten eines Turbinentriebwerks zu erzielen. Darüber hinaus erlaubt die Nutzung von mehreren Wellen, d. h. der ersten Welle 216 und der zweiten Welle 220, durch das Kraftwerksturbinensystem 200 es, den Hochdruckturbinenabschnitt 204 (der wegen der durch diesen Abschnitt hindurch vorliegenden höheren Druckwerte mit das Problem übermäßiger Zentrifugalspannungen mildernden kleineren rotierenden Teilen wirkungsvoll arbeitet) mit einer anderen höheren (d. h. effizienteren) Frequenz zu betreiben als den Niederdruckturbinenabschnitt 208.
3 veranschaulicht in einer schematischen Zeichnung die Konstruktion eines Kraftwerksturbinensystems 300 gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung. Das Kraftwerksturbinensystem 300 kann mit Ausnahme der Hinzufügung einer Dampfturbine 302 dieselben Systemkomponenten enthalten wie das Kraftwerksturbinensystem 200. Wie dem Fachmann klar ist, ist es beispielsweise möglich, Abwärme von einer Gasturbine durch einen Wärmerückgewinnungsdampferzeuger bzw. Abhitzedampferzeuger wiederzugewinnen, um eine herkömmliche Dampfturbine anzutreiben. Wie weiter unten näher erläutert, kann die Dampfturbine 302 in einigen Ausführungsbeispielen eine Niederdruckdampfturbine sein. In dem hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff "Niederdruckdampfturbine" im Allgemeinen eine Dampfturbine, die lediglich die Niederdruck- oder hinteren Stufen einer herkömmlichen Dampfturbine enthält. Die Dampfturbine 302 kann über die zweite Welle mit dem langsam laufenden Generator 212 verbunden sein, so dass im Betrieb sowohl der Niederdruckturbinenabschnitt 208 als auch die Niederdruckdampfturbine 302 den langsam laufenden Generator 212 antreiben. Dementsprechend kann die Dampfturbine 302 mit denselben Frequenzen arbeiten, wie sie in Zusammenhang mit dem Niederdruckturbinenabschnitt 208 beschrieben wurden (d. h. falls der langsam laufenden Generator 212 ein vierpoliger Generator ist, kann die Dampfturbine 302 bei einer Frequenz von 30 Hz arbeiten). Ansonsten können die Systemkomponenten des Kraftwerksturbinensystems 300 im Wesentlichen ähnlich arbei ten, wie es hierin in Zusammenhang mit denselben Systemkomponenten in den anderen Ausführungsbeispielen beschrieben ist.
4 veranschaulicht in einer schematischen Zeichnung die Konstruktion eines Kraftwerksturbinensystems 400 gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung. Das in 4 veranschaulichte Ausführungsbeispiel enthält im Wesentlichen dieselben Systemkomponenten wie das Kraftwerksturbinensystem 200 in 2, jedoch wurde der Ort des langsam laufenden Generators 212 modifiziert. In 2 wird der langsam laufende Generator 212, da er sich auf derselben Seite wie die Turbinenabschnitte 204, 208 befindet, als auf der "Heißseite" angeordnet bezeichnet. In 4 wird der langsam laufende Generator 212, da er sich auf derselben Seite wie der Axialverdichter 104 befindet, als auf der "Kaltseite" angeordnet bezeichnet. Wie dem Fachmann klar ist, arbeiten die erste Welle 216 und die zweite Welle 220, wie in 4 veranschaulicht, voneinander unabhängig und bei unterschiedlichen Frequenzen (d. h. die zweite Welle 220 befindet sich, wie veranschaulicht, im Innern der ersten Welle 216). Ansonsten können die Systemkomponenten des Kraftwerksturbinensystems 400 im Wesentlichen ähnlich arbeiten, wie es hierin in Zusammenhang mit denselben Systemkomponenten in den anderen Ausführungsbeispielen beschrieben ist.
5 veranschaulicht in einer schematischen Zeichnung die Konstruktion eines Kraftwerksturbinensystems 500 gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung. Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel enthält im Wesentlichen dieselben Systemkomponenten wie das Kraftwerksturbinensystem 300 nach 3, jedoch wurden die Orte des langsam laufenden Generators 212 und der langsam laufenden Dampfturbine 302 modifiziert. In 5 sind sowohl der langsam laufende Generator 212 als auch die Niederdruckdampfturbi ne 302 auf der Kaltseite angeordnet. Ansonsten können die Systemkomponenten des Kraftwerksturbinensystems 500 im Wesentlichen ähnlich arbeiten, wie es hierin in Zusammenhang mit denselben Systemkomponenten in den anderen Ausführungsbeispielen beschrieben ist.
6 und 7 veranschaulichen in schematischen Zeichnungen ein Kraftwerksturbinensystem 600 bzw. ein Kraftwerksturbinensystem 700 gemäß abgewandelten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Anmeldung. Sowohl 6 als auch 7 veranschaulichen Ausführungsbeispiele, bei denen der Axialverdichter einen Hochdruckverdichterabschnitt 602 und einen Niederdruckverdichterabschnitt 606 enthält, die auf gesonderten Wellen angeordnet sind. Wie im Einzelnen weiter unten erörtert, kann die Verwendung gesonderter Wellen es erlauben, dass jeder der Verdichterabschnitte mit unterschiedlichen Frequenzen läuft und von verschiedenen Verdichterabschnitten angetrieben wird, um den Betrieb zu verbessern.
Mit Bezugnahme auf das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel nach 6 kann eine erste Welle 216 den Hockdruckverdichterabschnitt 602 auf herkömmliche Weise mit einem Hochdruckturbinenabschnitt 204 verbinden. Eine zweite Welle 220 kann einen Niederdruckturbinenabschnitt 208 mit dem Niederdruckverdichterabschnitt 606 verbinden. Weiter kann die zweite Welle 220 den Niederdruckturbinenabschnitt 208 mit einem langsam laufenden Generator 212 verbinden. Zu beachten ist, dass in dem Ausführungsbeispiel nach 6 der langsam laufende Generator 212 auf der Kaltseite angeordnet ist. In abgewandelten Ausführungsbeispielen kann der langsam laufende Generator 212 auch auf der Heißseite angeordnet sein.
Im Betrieb kann das Kraftwerksturbinensystem 600 wie folgt arbeiten: Die Rotation von in dem Hochdruckverdichterab schnitt 602 und in dem Niederdruckverdichterabschnitt 606 angeordneten Verdichterschaufeln kann einen Luftstrom verdichten. Wenn die verdichtete Luft mit Brennstoff vermischt und in der Brennkammer 120 gezündet wird, kann anschließend Energie freigegeben werden. Der sich ergebende, aus der Brennkammer 120 stammende Strom expandierender heißer Gase kann anschließend über die in dem Hochdruckturbinenabschnitt 204 angeordneten Schaufeln gelenkt werden, so dass die in dem heißen Strom von Gasen enthaltene Energie in die mechanische Energie der rotierenden ersten Welle 216 umgewandelt wird. Die erste Welle 216 kann mit dem Hochdruckverdichterabschnitt 602 verbunden sein, so dass die Rotation der Welle 216, die durch den über den Hochdruckturbinenabschnitt 204 strömenden Arbeitsfluidstrom hervorgerufen wird, den Hochdruckverdichterabschnitt 602 antreibt. Da der Hochdruckturbinenabschnitt 204 nicht mit einem Generator verbunden ist, ist seine Betriebsfrequenz auf kein spezielles Niveau beschränkt, so dass er mit einer beliebigen Frequenz betrieben werden kann, die für das System den größten Wirkungsgrad ergibt. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Betriebsfrequenz für den Hochdruckturbinenabschnitt 204 mindestens etwa 50 Hz betragen. Da in dem System kein Getriebe vorhanden ist, wird die Betriebsfrequenz des Hochdruckverdichterabschnitts 602 selbstverständlich mit der Frequenz des Hochdruckturbinenabschnitts 204 übereinstimmen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Betriebsfrequenz für den Hochdruckturbinenabschnitt 204 mindestens etwa 70 Hz betragen. In noch weiteren Ausführungsbeispielen kann der Hochdruckverdichterabschnitt 1 bis 2 Stufen aufweisen und der Niederdruckverdichterabschnitt 2 bis 4 Stufen aufweisen.
Nachdem der Arbeitsfluidstrom über den Hochdruckturbinenabschnitt 204 expandiert ist, kann der Strom anschließend durch den Niederdruckturbinenabschnitt 208 gelenkt werden. Ähnlich wie in dem oben beschriebenen Prozess kann der Ar beitsfluidstrom über die in dem Niederdruckturbinenabschnitt 208 angeordneten Schaufelstufen gelenkt werden, so dass die in dem Arbeitsfluid enthaltene Energie in die mechanische Energie der rotierenden zweiten Welle 220 umgewandelt wird. Die zweite Welle 220 kann den Niederdruckturbinenabschnitt 208 mit dem langsam laufenden Generator 212 verbinden, so dass die Rotation der zweiten Welle 220, die durch den über den Niederdruckturbinenabschnitt 208 strömenden Arbeitsfluidstrom hervorgerufen wird, den langsam laufenden Generator 212 antreibt.
Wie oben näher erläutert, kann der langsam laufende Generator 212 ein Generator sein, der mehr als zwei Pole aufweist, so dass der langsam laufende Generator 212 elektrische Energie mit einer Frequenz ausgeben kann, die mit dem lokalen Wechselspannungsnetz kompatibel ist, während er eine Wellenumlauffrequenz aufnimmt, die wesentlich geringer ist. Folglich könnte der langsam laufende Turbinenabschnitt 208 beispielsweise in dem Fall, dass der langsam laufende Generator 212 ein vierpoliger Generator ist, mit einer reduzierten Frequenz von 30 Hz betrieben werden und dennoch eine Wechselstromfrequenz von 60 Hz hervorbringen, die mit dem Wechselspannungsnetz kompatibel wäre.
Die zweite Welle 220 kann ebenfalls den langsam laufenden Turbinenabschnitt 208 mit dem langsam laufenden Verdichterabschnitt 606 verbinden, so dass die Rotation der zweiten Welle 220, die durch den über den Niederdruckturbinenabschnitt 208 strömenden Arbeitsfluidstrom hervorgerufen wird, den langsam laufenden Verdichter 606 antreibt. Wie zuvor beschrieben, beschränkt sich das Problem hoher Frequenzen und größerer rotierender Teile nicht auf den Turbinenabschnitt der Anlage, sondern kann auch bei dem Verdichter ein Problem darstellen. Während die rotierenden Laufschaufeln des Verdichters größer bemessen werden, um zu Systemen mit höherer Turbinenleistung und größeren Durchflusskapazitäten zu passen, wird übermäßige Zentrifugalbeanspruchung zu einem Problem. Dies trifft insbesondere für die vorderen Niederdruckstufen des Verdichter zu, wo größere Verdichterschaufelblätter erforderlich sind.
Dieses Problem lässt sich auf effiziente Weise lösen, indem der Niederdruckverdichterabschnitt 606 auf einer gesonderten Welle mit einer geringeren Frequenz drehend angetrieben wird als die Stufen höheren Drucks am hinteren Ende des Verdichters. An sich kann die zweite Welle 220 den Niederdruckturbinenabschnitt 208 mit dem Niederdruckverdichterabschnitt 606 verbinden. Auf diese Weise kann der Niederdruckverdichterabschnitt 606 wirkungsvoll genutzt werden, um die Verdichtung durch den Verdichter zu verstärken, während mit einer geringeren Frequenz gearbeitet wird, so dass die Abmessung der rotierenden Teile nicht beschränkt ist. Ansonsten können die Systemkomponenten des Kraftwerksturbinensystems 600 im Wesentlichen ähnlich arbeiten, wie es hierin in Zusammenhang mit denselben Systemkomponenten in den anderen Ausführungsbeispielen beschrieben ist.
7 veranschaulicht ebenfalls ein Ausführungsbeispiel, in dem der Axialverdichter einen Hochdruckverdichterabschnitt 602 und einen Niederdruckverdichterabschnitt 606 enthält, die auf gesonderten Wellen angeordnet sind. Das Kraftwerksturbinensystem 700 enthält eine Niederdruckdampfturbine 302, die über die zweite Welle 220 mit dem langsam laufenden Stromgenerator 212, dem Niederdruckverdichterabschnitt 606 und dem Niederdruckturbinenabschnitt 208 verbunden ist. Zu beachten ist, dass die Niederdruckdampfturbine 302 in dem Ausführungsbeispiel nach 7 auf der Kaltseite angeordnet ist. In abgewandelten Ausführungsbeispielen kann die Niederdruckdampfturbine 302 auf der Heißseite angeordnet sein. Im Betrieb kann die Niederdruckdampfturbine 302 wirksam sein, um den langsam laufenden Generator 212 und den Niederdruckverdichterabschnitt 606 bei einer reduzierten Frequenz anzutreiben, wie es oben in Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen beschrieben ist, die die Niederdruckdampfturbine enthalten. Ansonsten können die Systemkomponenten des Kraftwerksturbinensystems 700 im Wesentlichen ähnlich arbeiten, wie es hierin in Zusammenhang mit denselben Systemkomponenten in den anderen Ausführungsbeispielen beschrieben ist.
8 veranschaulicht in einer schematischen Zeichnung ein Kraftwerksturbinensystem 800 gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung. Wie zu sehen, kann eine erste Welle 216 auf herkömmliche Weise einen Hochdruckturbinenabschnitt 204 mit einem Axialverdichter 104 verbinden. Die erste Welle 216 kann außerdem den Hochdruckturbinenabschnitt 204 mit einem schnell laufenden Generator 802 verbinden. Eine zweite Welle 220 kann einen Niederdruckturbinenabschnitt 208 mit einem langsam laufenden Generator 212 verbinden. Zu beachten ist, dass der langsam laufende Generator 212 in dem Ausführungsbeispiel nach 8 auf der Heißseite angeordnet ist, und dass der schnell laufende Generator 802 auf der Kaltseite angeordnet ist. In abgewandelten Ausführungsbeispielen sind auch andere Anordnungen möglich.
Im Betrieb kann das Kraftwerksturbinensystem 800 wie folgt arbeiten: Die Rotation von Verdichterschaufelblättern in dem Verdichter 104 kann einen Luftstrom verdichten. Wenn die verdichtete Luft mit Brennstoff vermischt und in der Brennkammer 120 gezündet wird, kann dann Energie freigegeben werden. Der sich ergebende Strom expandierender heißer Gase aus der Brennkammer 120 kann anschließend über die in dem Hochdruckturbinenabschnitt 204 angeordneten Schaufeln geführt werden, so dass die in dem heißen Strom von Gasen enthaltene Energie in die mechanische Energie der rotierenden ersten Welle 216 umgewandelt wird. Die erste Welle 216 kann mit dem Verdichter 104 verbunden sein, so dass die Rotation der Welle 216, die durch den über den Hochdruckturbinenabschnitt 204 strömenden Arbeitsfluidstrom hervorgerufen wird, den Verdichter 104 antreibt. Die erste Welle 216 kann außerdem mit dem schnell laufenden Generator 802 verbunden sein, so dass die Rotation der Welle 216, die durch den über den Hochdruckturbinenabschnitt 204 strömenden Arbeitsfluidstrom hervorgerufen wird, den schnell laufenden Generator 802 antreibt. Da der Hochdruckturbinenabschnitt 204 in einigen Ausführungsbeispielen mit dem schnell laufenden Generator 802 verbunden ist, kann seine Betriebsfrequenz 60 Hz betragen, so dass elektrische Energie, die durch den schnell laufenden Generator 802 erzeugt wird, ebenfalls eine Frequenz von 60 Hz aufweist und somit mit dem lokalen Wechselspannung-Versorgungsnetz kompatibel sein wird. Es können auch andere Betriebsfrequenzen verwendet werden.
Nachdem der Arbeitsfluidstrom durch den Hochdruckturbinenabschnitt 204 expandiert ist, kann der Strom anschließend durch den Niederdruckturbinenabschnitt 208 geführt werden. Ähnlich wie in dem oben beschriebenen Prozess kann der Arbeitsfluidstrom über die in dem Niederdruckturbinenabschnitt 208 angeordneten Schaufelstufen gelenkt werden, so dass die in dem Arbeitsfluid enthaltene Energie in die mechanische Energie der rotierenden zweiten Welle 220 umgewandelt wird. Die zweite Welle 220 kann den Niederdruckturbinenabschnitt 208 mit dem langsam laufenden Generator 212 verbinden, so dass die Rotation der zweiten Welle 220, die durch den über den Niederdruckturbinenabschnitt 208 strömenden Arbeitsfluidstrom hervorgerufen wird, den langsam laufenden Generator 212 antreibt. Wie oben näher erläutert, kann der langsam laufende Generator 212 ein Generator sein, der mehr als zwei Pole aufweist, so dass der langsam laufende Generator 212 elektrische Energie mit einer Frequenz ausgeben kann, die mit dem lokalen Wechselspan nungsnetz kompatibel ist, während er eine Wellenumlauffrequenz aufnimmt, die wesentlich geringer ist.
Das in Zusammenhang mit 8 beschriebene Ausführungsbeispiel kann auch eine Dampfturbine 302 enthalten, die mit der zweiten Welle 220 verbunden ist und die im Wesentlichen in derselben Weise arbeitet, wie es oben in Zusammenhang mit dieser speziellen Systemkomponente beschrieben ist. Weiter kann der Verdichter 104 nach 8 einen Hochdruckverdichterabschnitt 602 und einen Niederdruckverdichterabschnitt 606 aufweisen, die auf gesonderten Wellen angeordnet sind, und die in derselben Weise arbeiten, wie es oben in Zusammenhang mit dieser speziellen Systemkomponente beschrieben ist. D. h., der Hochdruckverdichterabschnitt 602 kann mit der ersten Welle 216 verbunden und durch den Hochdruckturbinenabschnitt 204 angetrieben sein, und der Niederdruckverdichterabschnitt 606 kann mit der zweiten Welle 220 verbunden und durch den Niederdruckturbinenabschnitt 208 angetrieben sein. Ansonsten können die Systemkomponenten des Kraftwerksturbinensystems 800 im Wesentlichen ähnlich arbeiten, wie es im Vorliegenden in Zusammenhang mit denselben Systemkomponenten in den anderen Ausführungsbeispielen beschrieben ist.
9 veranschaulicht in einer schematischen Zeichnung ein Kraftwerksturbinensystem 900, das drei voneinander unabhängig funktionierende Wellen aufweist, gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung. Wie zu sehen, kann eine erste Welle 902 auf herkömmliche Weise einen Hochdruckturbinenabschnitt 904 mit einem Hochdruckverdichterabschnitt 905 verbinden. Eine zweite Welle 906 kann einen Mitteldruckturbinenabschnitt 908 mit einem Hochdruckverdichterabschnitt 909 und einem schnell laufenden Generator 802 verbinden. Eine dritte Welle 910 kann einen Niederdruckturbinenabschnitt 912 mit einem langsam laufenden Generator 212 verbin den. Zu beachten ist, dass, wie oben allgemein beschrieben, auch andere Anordnungen der Systemkomponenten als die in 9 veranschaulichten möglich sind.
Im Betrieb kann das Kraftwerksturbinensystem 900 wie folgt arbeiten: Die Rotation der in dem Hochdruckverdichterabschnitt 905 und in dem Niederdruckverdichterabschnitt 909 angeordneten Verdichterschaufeln kann einen Luftstrom verdichten. Wenn die verdichtete Luft mit Brennstoff vermischt und in der Brennkammer 120 gezündet wird, kann dann Energie freigesetzt werden. Der sich ergebende Strom expandierender heißer Gase aus der Brennkammer 120 kann anschließend über die in dem Hochdruckturbinenabschnitt 904 angeordneten Schaufeln gelenkt werden, so dass die in dem heißen Strom von Gasen enthaltene Energie in die mechanische Energie der rotierenden ersten Welle 902 umgewandelt wird. Die erste Welle 902 kann mit dem Hochdruckverdichterabschnitt 905 verbunden sein, so dass die Rotation der ersten Welle 902, die durch den über den Hochdruckturbinenabschnitt 904 strömenden Arbeitsfluidstrom hervorgerufen wird, den Hochdruckverdichterabschnitt 905 antreibt. Da der Hochdruckturbinenabschnitt 904 nicht mit einem Generator verbunden ist, ist seine Betriebsfrequenz auf kein spezielles Niveau beschränkt, so dass er mit einer beliebigen Frequenz betrieben werden kann, die für das System am effizientesten ist. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Betriebsfrequenz für den Hochdruckturbinenabschnitt 904 mindestens etwa 50 Hz betragen. Selbstverständlich wird die Betriebsfrequenz des Hochdruckverdichterabschnitts 905, nachdem in dem System kein Getriebe vorhanden ist, mit der Frequenz des Hochdruckturbinenabschnitts 904 übereinstimmen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Betriebsfrequenz für den Hochdruckturbinenabschnitt 904 mindestens etwa 70 Hz betragen.
Nachdem der Arbeitsfluidstrom über den Hochdruckturbinenabschnitt 904 expandiert ist, kann der Strom anschließend durch den Mitteldruckturbinenabschnitt 908 gelenkt werden. Ähnlich wie in dem oben beschriebenen Prozess kann der Arbeitsfluidstrom über die in dem Mitteldruckturbinenabschnitt 908 angeordneten Schaufelstufen geführt werden, so dass die in dem Arbeitsfluid enthaltene Energie in die mechanische Energie der rotierenden zweiten Welle 906 umgewandelt wird. Die zweite Welle 906 kann den Mitteldruckturbinenabschnitt 908 mit dem Niederdruckverdichterabschnitt 909 verbinden, so dass die Rotation der zweiten Welle 906, die durch den über den Mitteldruckturbinenabschnitt 908 strömenden Arbeitsfluidstrom hervorgerufen wird, den Niederdruckverdichterabschnitt 909 antreibt.
Die zweite Welle 906 kann ferner mit dem schnell laufenden Generator 802 verbunden sein, so dass die Rotation der Welle 906, die durch den über den Mitteldruckturbinenabschnitt 908 strömenden Arbeitsfluidstrom hervorgerufen wird, den schnell laufenden Generator 802 antreibt. Da der Mitteldruckturbinenabschnitt 908 in einigen Ausführungsbeispielen mit dem schnell laufenden Generator 802 verbunden ist, kann seine Betriebsfrequenz etwa 60 Hz betragen, so dass die durch den schnell laufenden Generator 802 erzeugte elektrische Energie ebenfalls eine Frequenz von 60 Hz aufweist und somit mit dem lokalen Wechselspannungsnetz kompatibel sein wird. Es können auch andere ähnliche Betriebsfrequenzen verwendet werden.
Nachdem der Arbeitsfluidstrom über den Mitteldruckturbinenabschnitt 908 expandiert ist, kann der Strom anschließend durch den Niederdruckturbinenabschnitt 912 gelenkt werden. Ähnlich wie in dem oben beschriebenen Prozess kann der Arbeitsfluidstrom über die in dem Niederdruckturbinenabschnitt 912 angeordneten Schaufelstufen gelenkt werden, so dass die in dem Arbeitsfluid enthaltene Energie in die mechanische Energie der rotierenden dritten Welle 910 umgewandelt wird. Die dritte Welle 910 kann den Niederdruckturbinenabschnitt 912 mit dem langsam laufenden Generator 212 verbinden, so dass die Rotation der dritten Welle 910, die durch den über den Niederdruckturbinenabschnitt 912 strömenden Arbeitsfluidstrom hervorgerufen wird, den langsam laufenden Generator 212 antreibt. Wie oben näher erläutert, kann der langsam laufende Generator 212 ein Generator sein, der mehr als zwei Pole aufweist, so dass der langsam laufende Generator 212 elektrische Energie mit einer Frequenz ausgeben kann, die mit dem lokalen Wechselspannungsnetz kompatibel ist, während er eine Wellenfrequenz aufnimmt, die wesentlich geringer ist.
Das in 9 veranschaulichte Ausführungsbeispiel kann ferner eine Dampfturbine 302 enthalten, die mit der dritten Welle 910 verbunden ist und die im Wesentlichen in derselben Weise arbeitet, wie es oben in Zusammenhang mit dieser speziellen Systemkomponente beschrieben ist. Ansonsten können die Systemkomponenten des Kraftwerksturbinensystems 900 im Wesentlichen ähnlich arbeiten, wie es im Vorliegenden in Zusammenhang mit denselben Systemkomponenten in den anderen Ausführungsbeispielen beschrieben ist.
Anhand der obigen Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung werden dem Fachmann Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen offensichtlich. Solche Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen im Rahmen der fachmännischen Fähigkeiten bzw. Kenntnisse sollen durch die beigefügten Patentansprüche abgedeckt sein. Weiter sollte es klar sein, dass sich das Vorstehende lediglich auf die beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung bezieht und dass daran zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzu weichen, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche und deren äquivalente Bedeutungen definiert ist.
Geschaffen ist ein Kraftwerksturbinensystem, wobei das System einen Axialverdichter 104 aufweist, der einen Luftstrom verdichtet, der anschließend mit einem Brennstoff vermischt und in einer Brennkammer 120 verbrannt wird, so dass der sich ergebende Heißgasstrom durch eine Turbine geleitet wird; wobei die Turbine einen Niederdruckturbinenabschnitt 208 und einen Hochdruckturbinenabschnitt 204 aufweist; wobei der Hochdruckturbinenabschnitt über eine erste Welle 216 mit dem Axialverdichter 104 verbunden ist, so dass der Hochdruckturbinenabschnitt 204 im Betrieb wenigstens eine Komponente des Axialverdichters 104 antreibt; wobei der Hochdruckturbinenabschnitt 204 über die erste Welle 216 mit einem schnell laufenden Generator 802 verbunden ist, so dass der Hochdruckturbinenabschnitt 204 im Betrieb den schnell laufenden Generator 802 antreibt; und wobei der Niederdruckturbinenabschnitt 208 über eine zweite Welle 220 mit einem langsam laufenden Generator 212 verbunden ist, so dass der Niederdruckturbinenabschnitt 208 im Betrieb den langsam laufenden Generator 212 antreibt.

100: Gasturbine
108: gemeinsame Welle
112: Turbine
116: Generator
120: Brennkammer
200: Kraftwerksturbinensystem
204: Hochdruckturbinenabschnitt
208: Niederdruckturbinenabschnitt
212: langsam laufender Generator
216: erste Welle
220: zweite Welle
300: Kraftwerksturbinensystem
302: Dampfturbine
400: Kraftwerksturbinensystem
500: Kraftwerksturbinensystem
600: Kraftwerksturbinensystem
602: Hochdruckverdichterabschnitt
606: Niederdruckverdichterabschnitt
700: Kraftwerksturbinensystem
800: Kraftwerksturbinensystem
802: schnell laufender Generator
900: Kraftwerksturbinensystem
902: erste Welle
904: Hochdruckturbinenabschnitt
905: Hochdruckverdichterabschnitt
906: zweite Welle
908: Mitteldruckturbinenabschnitt
909: Hochdruckverdichterabschnitt
910: dritte Welle
912: Niederdruckturbinenabschnitt

Claims

Kraftwerksturbinensystem, wobei das System aufweist: einen Axialverdichter (104), der einen Luftstrom verdichtet, der anschließend mit einem Brennstoff gemischt und in einer Brennkammer (120) verbrannt wird, so dass der sich ergebende Strom heißen Gases durch eine Turbine gelenkt wird; wobei: die Turbine einen Niederdruckturbinenabschnitt (208) und einen Hochdruckturbinenabschnitt (204) enthält; der Hochdruckturbinenabschnitt über eine erste Welle (216) mit dem Axialverdichter (104) derart verbunden ist, dass der Hochdruckturbinenabschnitt (204) im Betrieb wenigstens eine Komponente des Axialverdichters (104) antreibt; der Hochdruckturbinenabschnitt (204) über die erste Welle (216) mit einem schnell laufenden Generator (802) derart verbunden ist, dass der Hochdruckturbinenabschnitt (204) im Betrieb den schnell laufenden Generator (802) antreibt; und der Niederdruckturbinenabschnitt (208) über eine zweite Welle (220) mit einem langsam laufenden Generator (212) derart verbunden ist, dass der Niederdruckturbinenabschnitt (208) im Betrieb den langsam laufenden Generator (212) antreibt.
Kraftwerksturbinensystem nach Anspruch 1, wobei der Hochdruckturbinenabschnitt (204) 1 bis 2 Stufen aufweist und der Niederdruckturbinenabschnitt (208) 2 bis 4 Stufen aufweist.
Kraftwerksturbinensystem nach Anspruch 1, wobei: der Hochdruckturbinenabschnitt (204) dazu eingerichtet ist zu arbeiten, wenn der Druck des hindurch strömenden Arbeitsfluidstroms im Bereich von etwa 260 bis 450 psi liegt; und der Niederdruckturbinenabschnitt (208) dazu eingerichtet ist zu arbeiten, wenn der Druck des hindurch strömenden Arbeitsfluidstroms im Bereich von etwa 50 bis 150 psi liegt.
Kraftwerksturbinensystem nach Anspruch 1, wobei: die Turbine mehrere Stufen aufweist; und der Hochdruckturbinenabschnitt (204) die vorderen Stufen der Turbine enthält, während der Niederdruckturbinenabschnitt (208) die hinteren Stufen der Turbine enthält.
Kraftwerksturbinensystem nach Anspruch 1, wobei der langsam laufende Generator (212) einen vierpoligen Generator aufweist.
Kraftwerksturbinensystem nach Anspruch 1, wobei der langsam laufende Generator (212) einen sechspoligen Generator aufweist.
Kraftwerksturbinensystem nach Anspruch 1, wobei der langsam laufende Generator (212) einen achtpoligen Generator aufweist.
Kraftwerksturbinensystem nach Anspruch 1, wobei der schnell laufende Generator (802) einen zweipoligen Generator aufweist.
Kraftwerksturbinensystem nach Anspruch 1, wobei die allgemeine Betriebsfrequenz des Niederdruckturbinenabschnitts (208) und des langsam laufenden Generators (212) etwa 25 bis 30 Hz beträgt.
Kraftwerksturbinensystem nach Anspruch 1, wobei die allgemeine Betriebsfrequenz des Hochdruckturbinenabschnitts (204), des Axialverdichters (104) und des schnell laufenden Generators (802) etwa 50 bis 60 Hz beträgt.