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GEBIET DER ERFINDUNG
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Der vorliegende Erfindungsgegenstand bezieht sich im Allgemeinen auf Gasturbinen und im Besonderen auf ein System und Verfahren zum Injizieren von Fluid in die durch einen Gasturbinenaulassdiffusor strömenden Abgase, um der Gasturbine eine verbesserte Fähigkeit für den Betrieb mit geringer Teillast (Turndown-Fähigkeit) zu verleihen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Kombikraftwerksysteme umfassen typischerweise eine mit einem Abhitzedampferzeugungssystem (HRSG) gekoppelte Gasturbine. Die Gasturbine umfasst im Allgemeinen einen Kompressorabschnitt, einen Brennabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Der Kompressorabschnitt ist typischerweise durch einen axialen Kompressor mit mehreren Stufen von rotierenden Laufschaufeln und stehenden Leitschaufeln gekennzeichnet. Umgebungsluft tritt in den Kompressor ein und die rotierenden Laufschaufeln und stehenden Leitschaufeln verleihen der Luft zunehmend kinetische Energie, um sie in einen Hochdruckzustand zu versetzen. Die Druckluft verlässt den Kompressor und strömt in den Brennabschnitt, wo sie mit Brennstoff vermischt und in einer oder mehreren Brennkammern verbrannt wird, um Verbrennungsgase zu erzeugen. Die die Brennkammern verlassenden Verbrennungsgase strömen in den Turbinenabschnitt, wo sie expandieren, um Arbeit zu produzieren. Die erhitzten Abgase, die aus dem Turbinenabschnitt freigesetzt werden, strömen dann durch den Auslassdiffusor der Gasturbine und können anschließend als eine Wärmeenergiequelle an das HRSG-System geleitet werden. Im Besonderen kann die Wärme aus den Abgasen an eine Wasserquelle übertragen werden, um Hochdruck- und Hochtemperaturdampf zu erzeugen. Der Dampf wiederum kann in einer oder in mehreren Dampfturbinen zur Energieerzeugung verwendet werden.
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Wie allgemein bekannt, ist die Minimallast bzw. die Turndown-Fähigkeit einer Gasturbine ein wichtiger Aspekt im Betrieb einer Gasturbine. Im Speziellen entspricht die Turndown-Fähigkeit der Fähigkeit eines Gasturbinenbetreibers, die Last der Gasturbine zu reduzieren, was im Allgemeinen durch Reduzieren der an die Brennkammern gelieferten Menge an Brennstoff erreicht wird. Demzufolge wird bei Verbesserung der Turndown-Fähigkeit einer Gasturbine die Menge an Brennstoff reduziert, die zum Betrieb der Maschine in Schwachlastzeiten (z. B. nachts) nötig ist, was erhebliche Einsparungen in den Brennstoffkosten zur Folge hat. Allerdings steigt, wenn eine Gasturbine im Niedriglastbetrieb arbeitet, die Temperatur der aus der Turbine freigesetzten Abgase stetig. Leider können sich derartige erhöhte Abgastemperaturen für die nachgelagerten Komponenten, z. B. das HRSG-System, eines Kombikraftwerksystems, als problematisch erweisen. Es ist beispielsweise häufig der Fall, dass das HRSG-System so ausgebildet wurde, dass es bei einer maximalen Temperatur arbeitet, die unterhalb der Abgastemperaturen liegt, welche von der Gasturbine bei relativ niedrigen Turndown-Werten (z. B. weniger als 50% Last) erreicht werden können. In solchen Fällen wird die Turndown-Fähigkeit der Gasturbine von der maximalen Betriebstemperatur des HRSG-Systems begrenzt.
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Aktuelle Versuche, die Turndown-Fähigkeit zu verbessern, haben sich bisher auf die Anpassung des Arbeitsablaufes in den Brennkammern der Gasturbine konzentriert. Allerdings ist die Festlegung, wie und in welchem Ausmaß der Arbeitsablauf in den Brennkammern angepasst werden kann, eine schwierige Aufgabe. Darüber hinaus können Anpassungen des Arbeitsablaufes in den Brennkammern oft zu einer reduzierten Brenneffizienz und anderen unerwünschten Ergebnissen führen, wie erhöhter Emissionen, erhöhter Brenndynamiken und dergleichen.
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Demzufolge ist es wünschenswert, den Turndown einfach und effizient zu erhöhen, ohne dabei den nachgelagerten Komponenten, z. B. einem HRSG-System, Abgase mit Temperaturen zuzuführen, welche die maximalen Betriebstemperaturen derartiger Komponenten übersteigen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Aspekte und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargestellt, aus der Beschreibung offensichtlich oder durch die praktische Anwendung der Erfindung erfahren.
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In einem Aspekt offenbart der vorliegende Erfindungsgegenstand einen Auslassdiffusor für eine Gasturbine. Der Auslassdiffusor kann im Allgemeinen ein Innengehäuse und ein Außengehäuse umfassen, das radial vom Innengehäuse beabstandet ist, um einen Durchlass zum Aufnehmen der Abgase der Gasturbine zu definieren. Des Weiteren kann der Auslassdiffusor einen Fluidauslass umfassen, der ausgelegt ist, um ein Fluid in die durch den Durchlass strömenden Abgase zu injizieren.
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In einem anderen Aspekt offenbart der vorliegende Erfindungsgegenstand einen Auslassdiffusor für eine Gasturbine. Der Auslassdiffusor kann im Allgemeinen ein Innengehäuse und ein Außengehäuse umfassen, das radial vom Innengehäuse beabstandet ist, um einen Durchlass zum Aufnehmen der Abgase der Gasturbine zu definieren. Des Weiteren kann der Auslassdiffusor eine Vielzahl von Streben umfassen, die sich zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse erstrecken. Ferner kann ein Fluidauslass in mindestens einer der Streben definiert und ausgelegt sein, um ein Fluid in die durch den Durchlass strömenden Abgase zu injizieren.
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In einem weiteren Aspekt offenbart der vorliegende Erfindungsgegenstand ein Verfahren zum Kühlen der durch einen Auslassdiffusor einer Gasturbine strömenden Abgase. Das Verfahren kann im Allgemeinen das Zuführen von Fluid an einen Fluidauslass des Auslassdiffusors und das Injizieren des Fluids durch den Fluidauslass und in die durch den Auslassdiffusor strömenden Abgase umfassen.
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Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die nachstehende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche besser verständlich. Die beiliegenden Zeichnungen, welche in dieser Patentschrift enthalten und damit Teil dieser Patentschrift sind, veranschaulichen die Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Erfindung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine an Fachleute gerichtete vollständige und zur praktischen Anwendung befähigende Darstellung der vorliegenden Erfindung, einschließlich ihres besten Verwendungsmodus, ist in der Patentschrift dargelegt, welche sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht, in denen:
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1 ein vereinfachtes, schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Systems gemäß den Aspekten des vorliegenden Erfindungsgegenstandes darstellt;
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2 eine Querschnittsseitenansicht einer Ausführungsform eines Auslassdiffusors darstellt, der zur Verwendung mit dem offenbarten System gemäß den Aspekten des vorliegenden Erfindungsgegenstandes geeignet ist;
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3 eine Querschnittsansicht des in 2 gezeigten Diffusors entlang der Linie 3-3 darstellt;
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4 eine Querschnittsansicht des in 2 gezeigten Diffusors entlang der Linie 4-4 darstellt;
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5 eine Querschnittsseitenansicht einer anderen Ausführungsform eines Auslassdiffusors darstellt, der zur Verwendung mit dem offenbarten System gemäß den Aspekten des vorliegenden Erfindungsgegenstandes geeignet ist;
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6 eine Querschnittsansicht des in 5 gezeigten Diffusors entlang der Linie 6-6 darstellt;
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7 eine Querschnittsseitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Auslassdiffusors darstellt, der zur Verwendung mit dem offenbarten System gemäß den Aspekten des vorliegenden Erfindungsgegenstandes geeignet ist; und
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8 eine Querschnittsansicht des in 7 gezeigten Auslassdiffusors entlang der Linie 8-8 darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Hier wird ausführlich Bezug auf die Ausführungsformen der Erfindung genommen, von denen eine oder mehrere beispielhaft in den Zeichnungen dargestellt sind. Jedes Beispiel ist als Erläuterung der Erfindung, nicht als Begrenzung der Erfindung, vorgesehen. Tatsächlich ist es für Fachleute offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Anwendungsbereich oder Geist der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können die als Teil einer Ausführungsform dargestellten oder beschriebenen Merkmale mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um eine noch andere Ausführungsform zu erzielen. Daher ist vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen als in den Anwendungsbereich der angefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallend abdeckt.
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Im Allgemeinen ist der vorliegende Erfindungsgegenstand auf ein System und Verfahren zum Reduzieren der Temperatur der aus der Gasturbine austretenden und zu den nachgelagerten Komponenten, z. B. das Abhitzedampferzeugungssystem (HRSG), eines Kombikraftwerksystems strömenden Abgase gerichtet. Im Besonderen ist der vorliegende Erfindungsgegenstand auf einen Auslassdiffusor gerichtet, der ein oder mehrere Fluidauslässe zum Injizieren eines Kühlfluids in die aus dem Turbinenabschnitt der Gasturbine austretenden Abgase aufweist. In einigen Ausführungsformen können die Fluidauslässe zum Beispiel in einer oder mehreren der Streben des Auslassdiffusors definiert sein oder sich anderweitig dort befinden, um zu ermöglichen, dass ein Kühlfluid, z. B. Wasser, Luft, Brennstoff und/oder jede(s) andere Flüssigkeit und/oder Gas, direkt in den Strom aus Abgasen injiziert werden kann. Demzufolge kann die Temperatur der aus der Gasturbine austretenden Abgase deutlich reduziert werden, bevor diese Gase den nachgelagerten Komponenten zugeführt werden.
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Es sollte anerkannt werden, dass durch die Gestaltung des Auslassdiffusors mit Fluidauslässen zum Injizieren von Fluid in den Strom aus Abgasen eine erhöhte Turndown-Fähigkeit erreicht werden kann, ohne dabei die maximalen Temperaturwerte eines HRSG-Systems oder jeder anderen nachgelagerten Komponente zu übersteigen. Insbesondere die bei relativ niedrigen Turndown-Werten (z. B. weniger als 50% Last) erreichten erhöhten Temperaturen können durch das Injizieren von Fluid in die im Auslassdiffusor strömenden Abgase gesteuert werden, wodurch die Abgastemperatur der Gasturbine auf eine akzeptable Betriebstemperatur für jede nachgelagerte Komponente reduziert werden kann. So braucht die Turndown-Fähigkeit der Gasturbine nicht durch die maximale Betriebstemperatur derartiger nachgelagerter Komponenten begrenzt werden.
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Mit Bezug auf die Zeichnungen stellt 1 ein vereinfachtes, schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Kombikraftwerksystems 10 gemäß den Aspekten des vorliegenden Erfindungsgegenstandes dar. Wie dargestellt, umfasst das System 10 eine Gasturbine 12 mit einem Kompressorabschnitt 14, einem Brennabschnitt 16 und einem Turbinenabschnitt 18. Der Brennabschnitt 16 kann im Allgemeinen gekennzeichnet sein durch eine Vielzahl von Brennkammern (nicht dargestellt), die um eine ringförmige Matrix um die Achse der Gasturbine 12 angeordnet sind. Der Kompressorabschnitt 14 und der Turbinenabschnitt 18 können durch eine Rotorwelle 20 gekoppelt sein. Die Rotorwelle 20 kann eine einzelne Welle oder eine Vielzahl aus Wellensegmenten sein, die miteinander gekoppelt sind, um die Rotorwelle 20 zu bilden. Im Betrieb der Gasturbine 12 liefert der Kompressorabschnitt 14 komprimierte Luft an den Brennabschnitt 16. Die komprimierte Luft wird mit Brennstoff vermischt und in jeder Brennkammer verbrannt und heiße Brenngase strömen aus dem Brennabschnitt 16 in den Turbinenabschnitt 18, wobei Energie aus den heißen Gasen extrahiert wird, um Strom zu erzeugen.
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Des Weiteren kann das System 10 ein HRSG-System 22 umfassen, welches der Gasturbine 12 nachgelagert ist. Wie allgemein bekannt, kann das HRSG-System 22 dazu ausgelegt sein, die aus dem Turbinenabschnitt 18 der Gasturbine 12 austretenden erhitzten Abgase aufzunehmen. In einigen Ausführungsformen können zum Beispiel die Abgase durch einen Auslassdiffusor 24 der Gasturbine 12 dem HRSG-System 22 zugeführt werden. Die dem HRSG-System 22 zugeführten Abgase können wiederum als Wärmequelle zur Erzeugung von Hochdruck- und Hochtemperaturdampf verwendet werden. Der Dampf kann dann eine Dampfturbine (nicht dargestellt) durchlaufen, um Strom zu erzeugen. Des Weiteren kann der Dampf auch andere Prozesse innerhalb des Systems 10 durchlaufen, in denen überhitzter Dampf verwendet werden kann.
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Mit Bezug auf 2–4 werden vereinfachte Ansichten einer Ausführungsform eines Auslassdiffusors 24 dargestellt, der zur Verwendung mit dem offenbarten System 10 gemäß den Aspekten des vorliegenden Erfindungsgegenstandes geeignet ist. Im Besonderen stellt 2 eine Querschnittsseitenansicht einer Ausführungsform des Auslassdiffusors 24 dar. 3 stellt eine Querschnittsansicht des in 2 gezeigten Auslassdiffusors entlang der Linie 3-3 dar. Des Weiteren stellt 4 eine Querschnittsansicht des in 2 gezeigten Auslassdiffusors entlang der Linie 4-4 dar.
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Wie dargestellt, umfasst der Auslassdiffusor 24 im Allgemeinen ein Innengehäuse 26, ein Außengehäuse 28 und eine oder mehrere Streben 30. Das Innengehäuse kann im Allgemeinen ein bogenförmiges Gehäuse umfassen, welches ausgelegt ist, um eine oder mehrere der rotierenden Komponenten 32 der Gasturbine 12 zu umschließen (1). Zum Beispiel kann das Innengehäuse 26 die Rotorwelle 20 (1), Lager (nicht dargestellt) und/oder andere rotierende Komponenten 32 der Gasturbine 12 umschließen bzw. mit einem Gehäuse umgeben. Das Außengehäuse 28 kann im Allgemeinen radial vom Innengehäuse 26 beabstandet sein und kann im Allgemeinen das Innengehäuse 26 umgeben, um einen Abgasdurchlass 34 zum Aufnehmen der aus dem Turbinenabschnitt 18 der Gasturbine 12 austretenden Abgase 36 zu definieren. Generell kann der Auslassdiffusor 24 dazu ausgelegt sein, die kinetische Energie der Abgase 36 in potenzielle Energie in Form von erhöhtem statischem Druck umzuwandeln. Daher kann, wie dargestellt, das Außengehäuse 28 im Allgemeinen bezüglich des Innengehäuses 26 winklig sein, sodass der Abgasdurchlass 34 einen in der Fläche zunehmenden Kanal oder Durchlass in Richtung der nachfolgenden Komponenten (z. B. in Richtung des HRSG-Systems 22) umfasst. So können sich die Abgase 36 über die Länge des Auslassdiffusors 24 ausbreiten bzw. diffundieren, wodurch die Geschwindigkeit der Abgase 36 reduziert und ihr statischer Druck erhöht wird. Es sollte anerkannt werden, dass obwohl das Außengehäuse 28 als einwandige Konstruktion dargestellt ist, das Außengehäuse 28 auch als doppel- oder mehrwandige Konstruktion mit separaten, beabstandeten Wänden ausgelegt sein kann.
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Die Streben 30 des Auslassdiffusors 24 können im Allgemeinen so ausgelegt sein, dass sie sich zwischen dem Innengehäuse 26 und dem Außengehäuse 28 erstrecken, um das Außengehäuse 28 mit Bezug auf das Innengehäuse 26 auszurichten und auch als Bauteil für den Auslassdiffusor 24 zu fungieren. Im Kontext der vorliegenden Darstellung umfasst der Begriff „Strebe” jedes Struktur- bzw. Stützelement, das sich zwischen dem Innen- und dem Außengehäuse 26, 28 erstreckt. Wie insbesondere in 4 dargestellt, kann jede Strebe 30 einen inneren Strebenabschnitt 38 und einen Strebenflügel 40 umfassen. Der innere Strebenabschnitt 38 kann im Allgemeinen dazu ausgelegt sein, als primäre Bau- bzw. lasttragende Komponente der Strebe 30 zu fungieren. Der Strebenflügel 40 kann im Allgemeinen dazu ausgelegt sein, den inneren Strebenabschnitt 38 zu umschließen. Des Weiteren kann in einigen Ausführungsformen der Strebenflügel 40 eine aerodynamische Form oder ein aerodynamisches Profil definieren, um dem Auslassdiffusor 24 aerodynamische Eigenschaften zu verleihen und dadurch den Strom aus Abgasen 36 durch den Diffusor 24 zu verbessern und/oder zu steuern.
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Zum Beispiel kann der Strebenflügel 40 eine erste gewölbte Oberfläche 42 und eine zweite gewölbte Oberfläche 44 umfassen, die dazu ausgelegt sind, miteinander verbunden ein aerodynamisches Profil zu definieren. Daher kann jede Strebe 30 eine Stirnkante 46 an den vorgelagerten Enden der gewölbten Oberflächen 42, 44 und eine Endkante 48 an den nachgelagerten Enden der gewölbten Oberflächen 42, 44 definieren. Wie in der gezeigten Ausführungsform dargestellt, kann die Stirnkante 46 einer jeden Strebe 30 im Allgemeinen in die Gegenrichtung des Stromes der aus dem Turbinenabschnitt 18 der Gasturbine 12 austretenden Abgase 36 zeigen.
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Es sollte anerkannt werden, dass der vorliegende Erfindungsgegenstand im Allgemeinen auf jeden in der Technik bekannten Auslassdiffusor anwendbar ist und daher nicht auf eine bestimmte Auslassdiffusorbauform begrenzt werden braucht. Wie in der gezeigten Ausführungsform dargestellt, umfasst der Auslassdiffusor 24 zum Beispiel einen axialen Auslassdiffusor, wodurch die Abgase 36 aus dem Turbinenabschnitt 18 axial auf das HRSG-System 22 gerichtet sind (d. h. auf direktem nichtradialen Weg). Allerdings kann in anderen Ausführungsformen der Auslassdiffuser 24 einen radialen Auslassdiffusor umfassen, wodurch die Abgase 36 durch Austritt-Leitschaufeln (nicht dargestellt) umgelenkt werden können, um den Auslassdiffusor 24 durch eine 90-Grad-Wende (oder Wende in jedem anderen Winkel) nach draußen oder radial in Richtung des HRSG-Systems 22 zu verlassen.
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Mit weiterem Bezug auf 2–4 kann der Auslassdiffusor 24 auch einen oder mehrere Fluidauslässe 50 zum Injizieren von Fluid, z. B. Wasser, Luft, Brennstoff und/oder dergleichen, in den Strom der in den Abgasdurchlass aufgenommenen Abgase 36 enthalten. Wie vorstehend angedeutet, kann durch das Injizieren von Fluid in die Abgase 36 mithilfe der offenbarten Fluidauslässe 50 die Temperatur der Gasturbine 12 auf eine akzeptable Betriebstemperatur für nachgelagerte Komponenten, z. B. das dargestellte HRSG-System 22, reduziert werden. Demzufolge kann, vorausgesetzt, dass die maximale Temperatur der aus dem Turbinenabschnitt 18 austretenden Abgase 36 nicht auf die maximale Betriebstemperatur derartiger nachfolgender Komponenten begrenzt werden braucht, die Turndown-Fähigkeit der Gasturbine 12 wesentlich erhöht werden. Im Kontext der vorliegenden Darstellung kann der Begriff „Fluidauslass” bzw. „Fluidauslässe” jeden) Öffnung, Auslass, Düse, Fluidinjektor, Sprüheinrichtung, Zerstäubungseinrichtung, Nebelvorrichtung und/oder jedes andere geeignete Bauteil und/oder Komponente umfassen, die zum Leiten, Sprühen, Zerstäuben, Nebeln, Ausstoßen und/oder anderweitigem Injizieren eines geeigneten Fluids oder Fluidgemisches in die durch den Abgasdurchlass 34 des Auslassdiffusors 24 strömenden Abgase 36 ausgelegt ist. Zum Beispiel können die Fluidauslässe 50 Öffnungen umfassen, die in einer oder mehreren der Komponenten des Auslassdiffusors 24 definiert sind, in welchem eine Spraydüse, ein Fluidinjektor und/oder eine andere geeignete Vorrichtung zum Sprayen oder anderweitigem Injizieren von Fluid in den Strom aus Abgasen 36 montiert ist.
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Generell können die Fluidauslässe 50 in jeder geeigneten Komponente des Auslassdiffusors 24 und an jeder geeigneten Position im Diffusor 24 definiert oder anderweitig gebildet sein, die es ermöglicht, dass Fluid in den Strom aus Abgasen 36 injiziert werden kann. Daher können in einigen Ausführungsformen des vorliegenden Erfindungsgegenstandes ein oder mehrere Fluidauslässe 50 in einem Abschnitt jeder Strebe 30 definiert sein, z. B. indem sie in dem Strebenflügel 40 einer jeden Strebe 30 definiert sind. Zum Beispiel können in der dargestellten Ausführungsform die Fluidauslässe 50 an und/oder neben der Stirnkante 46 des Strebenflügels 40 definiert sein, sodass Fluid im Wesentlichen vorwärts in den Strömungsweg der Abgase 36 injiziert werden kann. Speziell können, wie in 3 dargestellt, die Fluidauslässe 50 an und/oder neben der Stirnkante 46 definiert werden und entlang der Höhe 52 der Strebe 30 beabstandet sein. So kann das durch die Fluidauslässe 50 strömende Fluid an verschiedenen radialen Positionen im Abgasdurchlass 34 entlang der Höhe 52 in die Abgase 36 injiziert werden.
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Des Weiteren können in einer besonderen Ausführungsform des vorliegenden Erfindungsgegenstandes die Fluidauslässe 50 in den Streben 30 an den Längsseiten der Stirnkante 46 definiert sein, sodass Fluid in die Abgase 36 injiziert werden kann, die an der Stirnkante 36 vorbei und entlang der ersten und zweiten gewölbten Oberfläche 42, 44 strömen. Zum Beispiel können, wie in 3 und 4 dargestellt, die Fluidauslässe 50 paarweise entlang der Stirnkante 46 definiert sein, wobei jeder Fluidauslass 50 dazu ausgelegt ist, dass Fluid nach vorn in die an jede Seite der Stirnkante 46 geleiteten Abgase 36 ausgestoßen wird. Eine derartige Gestaltung kann es ermöglichen, dass das Fluid in die Abgase 36 injiziert wird, ohne dabei den aerodynamischen Strom der Gase 36 über den Strebenflügel 40 zu unterbrechen. Allerdings müssen die Fluidauslässe 50 nicht paarweise entlang jeder Seite der Stirnkante 46 gebildet sein, können aber im Allgemeinen in der Strebe 30 definiert sein, um eine geeignete Gestaltung und/oder ein Muster aufzuweisen. Zum Beispiel kann jede Strebe 30 eine einzelne Reihe an Fluidauslässen 50 enthalten, die an und/oder neben der Stirnkante 46 definiert ist.
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Außerdem sollte anerkannt werden, dass die Fluidauslässe 50 nicht an und/oder neben der Stirnkante 46 des Strebenflügels 40 definiert sein müssen, sondern im Allgemeinen an einer geeigneten Stelle um den Außenumfang der Strebe 30 definiert sein können. Zum Beispiel können die Fluidauslässe 50 in der Strebe 30 an Positionen weiter abwärts des Strebenflügels 40 definiert sein, z. B. indem sie in einem mittleren Abschnitt der ersten und/oder zweiten gewölbten Oberfläche 42, 44 definiert sind oder indem sie an und/oder neben der Endkante 48 des Strebenflügels 40 definiert sind. Es sollte ebenfalls anerkannt werden, dass die Streben 30 jede geeignete Anzahl an Fluidauslässen 50 definieren können. Zum Beispiel definiert in der dargestellten Ausführungsform jede Strebe 30 eine Vielzahl von Fluidauslässen 50. Allerdings definiert in anderen Ausführungsformen jede Strebe 30 möglicherweise nur einen einzelnen Fluidauslass 50. In weiteren Ausführungsformen sind Fluidauslässe 50 möglicherweise nur in einem Abschnitt der Streben 30 definiert, welche im Auslassdiffusor 24 angeordnet sind.
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Mit noch weiterem Bezug auf 2–4 können die Fluidauslässe 50 im Allgemeinen in Strömungskommunikation mit einer Fluidquelle 54 (z. B. eine Wasserquelle, Luftquelle, Brennstoffquelle und/oder dergleichen) stehen, um jedem Fluidauslass 50 Fluid zuzuführen. Zum Beispiel können in der dargestellten Ausführungsform die Fluidauslässe 50 mit einer Fluidquelle 54 gekoppelt sein über ein Anschlussstück 56 und eine Vielzahl von Fluidkanälen 58 (z. B. Rohren, Schläuchen und/oder dergleichen), die sich von dem Anschlussstück erstrecken 56. Im Speziellen kann, wie dargestellt, das Anschlussstück 56 generell ein ringförmiges Element umfassen, welches das Außengehäuse 28 des Auslassdiffusors 24 umfasst, und kann ausgelegt sein, um Fluid von der Fluidquelle 54 aufzunehmen. So kann das Anschlussstück 56 ein Mittel bereitstellen, um den Außenumfang des Auslassdiffusors 24 mit Fluid zu umströmen. Des Weiteren können die sich von dem Anschlussstück 56 erstreckenden Fluidkanäle 58 dazu ausgelegt sein, das durch das Anschlussstück 56 strömende Fluid an die Fluidauslässe 50 zu übertragen. Daher können in der dargestellten Ausführungsform die Fluidauslässe 58 dazu ausgelegt sein, sich durch das Außengehäuse 28 des Auslassdiffusors 24 zu erstrecken, sodass das erste Ende 60 eines jeden Fluidkanals 58 in Strömungskommunikation mit dem Anschlussstück 56 steht, und ein zweites Ende 62 eines jeden Fluidkanals 58 im Innern einer jeden Strebe 30 angeordnet ist. Das von den Kanälen 58 aufgenommene Fluid kann dann jedem Fluidkanal 50 zur direkten Injektion in den Strom aus durch den Abgasdurchlass 34 strömenden Abgasen 36 zugeführt werden. Zum Beispiel können, wie insbesondere in 2 und 4 dargestellt, die Fluidkanäle 58 Verbindungsdurchlässe 64 enthalten, um das durch die Kanäle 58 strömende Fluid an jeden Fluidauslass 50 zu leiten.
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Es sollte anerkannt werden, dass in alternativen Ausführungsformen die Fluidauslässe 50 unter Verwendung der exakten in 2–4 dargestellten Gestaltung nicht mit der Fluidquelle 54 in Strömungskommunikation stehen müssen. Vielmehr können die Fluidauslässe 50 im Allgemeinen mithilfe jeder geeigneten Rohr-/Schlauchanordnung und/oder jedem anderen geeigneten in der Technik bekannten Mittel und/oder Verfahren mit der Fluidquelle 54 gekoppelt sein.
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Mit Bezug auf 5 und 6 werden vereinfachte Ansichten einer anderen Ausführungsform eines Auslassdiffusors 124 zur Verwendung mit dem offenbarten System 10 gemäß den Aspekten des vorliegenden Erfindungsgegenstandes dargestellt. Insbesondere 5 stellt eine Querschnittsseitenansicht einer Ausführungsform des Auslassdiffusors 124 dar. 6 stellt eine Querschnittsansicht des in 5 gezeigten Auslassdiffusors entlang der Linie 6-6 dar.
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Generell kann der Auslassdiffusor 124 ähnlich dem vorstehend mit Bezug auf 2–4 beschriebenen Auslassdiffusor 24 ausgelegt sein und viele und/oder jede seiner Komponenten enthalten. Zum Beispiel kann, wie dargestellt, der Auslassdiffusor 124 ein Innengehäuse 126 enthalten, welches dazu ausgelegt ist, die rotierenden Komponenten 132 der Gasturbine 12 mit einem Gehäuse zu umgeben, und ein das Innengehäuse 126 umschließendes Außengehäuse 128. Das Außengehäuse 128 kann im Allgemeinen radial vom Innengehäuse 126 beabstandet sein, sodass ein auseinanderlaufender Abgasdurchlass 134 zum Aufnehmen der aus dem Turbinenabschnitt 18 der Gasturbine 12 austretenden Abgase 136 definiert wird. Des Weiteren kann der Auslassdiffusor 124 eine oder mehrere Streben 130 umfassen, die sich zwischen dem Innengehäuse 126 und dem Außengehäuse 128 erstrecken. Der Auslassdiffusor 124 kann ebenfalls einen oder mehrere Fluidauslässe 150 zum Injizieren eines geeigneten Fluids oder Fluidgemisches in den Strom aus Abgasen 136 enthalten. So kann die Temperatur der Abgase 136 wesentlich reduziert werden, bevor derartige Gase 136 an irgendeine nachgelagerte Komponente, z. B. das HRSG-System 22, des offenbarten Systems 10 geleitet werden.
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Allerdings können anders als bei der vorstehend mit Bezug auf 2–4 beschriebenen Ausführungsform die Fluidauslässe 150 im Allgemeinen in dem und/oder durch das Außengehäuse 128 des Auslassdiffusors 124 definiert sein, um zu ermöglichen, dass Fluid in die um den Außenumfang des Diffusors 124 strömenden Abgase 136 injiziert werden kann. In einer derartigen Ausführungsform können die Fluidauslässe 150 im Allgemeinen unter Verwendung eines geeigneten Mittels und/oder Verfahrens mit einer Fluidquelle 154 in Strömungskommunikation stehen. Zum Beispiel kann sich, wie in 5 und 6 dargestellt, ein Anschlussstück 156 um den Außenumfang des Außengehäuses 128 erstrecken und ausgelegt sein, um Fluid von der Fluidquelle 154 aufzunehmen. Des Weiteren kann sich eine Vielzahl von Fluidkanälen 158 von dem Anschlussstück 156 und in das Außengehäuse 128 erstrecken, um das durch das Anschlussstück 156 strömende Fluid an jeden Fluidauslass 150 zu leiten.
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Es sollte anerkannt werden, dass die Fluidauslässe 150 im Allgemeinen an jeder geeigneten Position entlang des Außengehäuses 128 definiert sein können. Zum Beispiel sind in der dargestellten Ausführungsform die Fluidauslässe 150 in dem Außengehäuse 128 den Streben 130 vorgelagert definiert. In alternativen Ausführungsformen können die Fluidauslässe 150 in dem Außengehäuse 128 in vorgelagerteren Positionen definiert sein, z. B. indem sie an einem Abschnitt der Breite 66 (4) der Streben 130 ausgerichtet sind, oder indem sie den Streben vorgelagert sind. Außerdem können, wie insbesondere in 6 dargestellt, in einigen Ausführungsformen, die Fluidauslässe 150 im Allgemeinen um die gesamte Umlauffläche des Außengehäuses 128 definiert sein. Allerdings sind in anderen Ausführungsformen die Fluidauslässe 150 möglicherweise nur entlang eines Abschnitts der Umlauffläche des Außengehäuses definiert.
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Es sollte anerkannt werden, dass die mit Bezug auf 5 und 6 beschriebenen Fluidauslässe 150 mit den mit Bezug auf 2–4 beschriebenen Fluidauslässen 50 kombiniert werden können. Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen des vorliegenden Erfindungsgegenstandes die Fluidauslässe 50, 150 sowohl in dem Außengehäuse 28, 128 als auch in den Streben 30, 130 definiert werden, wobei den Fluidauslässen 50, 150 Fluid über ein gemeinsames Anschlussstück 56, 156 oder über separate Anschlussstücke 56, 156 zugeführt wird. Außerdem können, zusätzlich zu den Fluidauslässen 50, 150, die in dem Außengehäuse 28, 128 und/oder den Streben 30, 130 oder als Alternative dazu definiert sind, die Fluidauslässe auch in dem Innengehäuse 26, 126 des Auslassdiffusors 24, 124 definiert sein, um zu ermöglichen, dass Fluid in den Strom aus Abgasen 36, 136 injiziert wird.
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Mit Bezug auf 7 und 8 werden vereinfachte Ansichten einer anderen Ausführungsform eines Auslassdiffusors 224 zur Verwendung mit dem offenbarten System 10 gemäß den Aspekten des vorliegenden Erfindungsgegenstandes dargestellt. Insbesondere 7 stellt eine Querschnittsseitenansicht einer Ausführungsform des Auslassdiffusors 224 dar. 8 stellt eine Querschnittsansicht des in 7 gezeigten Auslassdiffusors 224 entlang der Linie 8-8 dar.
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Generell kann der Auslassdiffusor 224 ähnlich dem vorstehend mit Bezug auf 2–6 beschriebenen Auslassdiffusor 24, 124 ausgelegt sein und viele und/oder jede seiner Komponenten enthalten. Zum Beispiel kann, wie dargestellt, der Auslassdiffusor 224 ein Innengehäuse 226 enthalten, welches dazu ausgelegt ist, die rotierenden Komponenten 232 der Gasturbine 12 mit einem Gehäuse zu umgeben, und ein das Innengehäuse 226 umschließendes Außengehäuse 228. Das Außengehäuse 228 kann im Allgemeinen radial vom Innengehäuse 226 beabstandet sein, sodass ein auseinanderlaufender Abgasdurchlass 234 zum Aufnehmen der aus dem Turbinenabschnitt 18 der Gasturbine 12 austretenden Abgase 236 definiert wird. Des Weiteren kann der Auslassdiffusor 224 eine oder mehrere Streben 230 umfassen, die sich zwischen dem Innengehäuse 226 und dem Außengehäuse 228 erstrecken. Der Auslassdiffusor 224 kann ebenfalls einen oder mehrere Fluidauslässe 250 zum Injizieren eines geeigneten Fluids oder Fluidgemisches in den Strom aus Abgasen 236 enthalten. So kann die Temperatur der Abgase 236 wesentlich reduziert werden, bevor derartige Gase 236 an irgendeine nachgelagerte Komponente, z. B. das HRSG-System 22, des offenbarten Systems 10 geleitet werden.
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Allerdings können, anders als in der vorstehend mit Bezug auf 2–4 beschriebenen Ausführungsform, die Fluidauslässe 250 in einem oder mehreren Fluidkanälen 258, z. B. Rohren, Schläuchen und dergleichen, definiert sein, die sich durch das Außengehäuse 228 bis in Positionen in dem Abgasdurchlass außerhalb der Streben 230 erstrecken. Zum Beispiel können sich in einigen Ausführungsformen ein oder mehrere Fluidkanäle 258 durch das Außengehäuse 228 erstrecken und neben dem Außenumfang des Strebenflügels 240 einer jeden Strebe 250 angebracht und/oder positioniert sein. Daher können in der dargestellten Ausführungsform die Fluidkanäle 258 (von denen einer dargestellt ist) neben der Endkante 248 eines jeden Strebenflügels 240 angebracht und/oder positioniert sein. So kann das durch die Fluidkanäle 258 strömende Fluid von den Fluidauslässen 250 ausgestoßen und in den Strom aus Abgasen 236 injiziert werden, wenn diese Gase 236 an jeder Strebe 230 vorbeiströmen. In anderen Ausführungsformen sollte anerkannt werden, dass die offenbarten Fluidkanäle 258 an jeder anderen geeigneten Position im Abgasdurchlass 234 angeordnet sein können. Zum Beispiel können die Fluidkanäle 258 neben dem Strebenflügel 240 an jeder anderen geeigneten Position angebracht und/oder positioniert sein, z. B. indem sie neben einer der gewölbten Oberflächen 242, 244 und/oder der Endkante 246 des Strebenflügels 240 angebracht und/oder positioniert sind. Alternativ können die Fluidkanäle 258 an verschiedenen anderen Positionen angeordnet sein, z. B. an Positionen zwischen jeder der Streben 230 und/oder in jeder geeigneten Position im Abgasdurchlass 234.
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Es sollte anerkannt werden, dass die in den Fluidkanälen 258 definierten Fluidauslässe 250 im Allgemeinen unter Verwendung eines geeigneten Mittels und/oder Verfahrens mit einer Fluidquelle 254 in Strömungskommunikation stehen. Zum Beispiel kann sich, wie in 7 dargestellt, ein Anschlussstück 256 um den Außenumfang des Außengehäuses 228 erstrecken und dazu ausgelegt sein, Fluid von der Fluidquelle 254 aufzunehmen. Des Weiteren können die Fluidkanäle 258 im Allgemeinen an ein Anschlussstück 256 gekoppelt sein, um zu ermöglichen, dass das durch das Anschlussstück 256 strömende Fluid jedem Fluidauslass 250 zugeführt wird. Es sollte ebenfalls anerkannt werden, dass die vorstehend mit Bezug auf die 7 und 8 beschriebenen Fluidauslässe 258 zusätzlich zu den Fluidauslässen 50, 150, 250 verwendet werden können, die in den Streben 30, 130, 230, dem Außengehäuse 28, 128, 228 und/oder dem Innengehäuse 26, 126, 226 des Auslassdiffusors 24, 124, 224 definiert sind, oder als Alternative dazu.
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Des Weiteren kann das hier offenbarte System 10 so ausgelegt sein, dass das von der Fluidquelle 54, 154, 254 zugeführte Fluid basierend auf der Temperatur der aus dem Turbinenabschnitt 18 der Gasturbine 12 austretenden Abgase 36, 136, 236 wahlweise in die durch den Auslassdiffusor 24, 124, 224 strömenden Abgase 36, 136, 236 injiziert werden kann. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen lediglich wünschenswert sein, Fluid in die Abgase 36, 136, 236 zu injizieren, wenn die Temperatur dieser Abgase 36, 136, 236 die maximale Betriebstemperatur der nachgelagerten Komponenten, z. B. das dargestellte HRSG-System 22, übersteigt (z. B. wenn die Gasturbine 12 bei niedrigen Turndown-Werten arbeitet). Daher kann das System 10 auch jedes geeignete Mittel zum Bestimmen der Temperatur der aus dem Turbinenabschnitt 18 austretenden Abgase 36, 136, 236 umfassen, z. B. indem es einen Temperatursensor (nicht dargestellt) enthält, der dazu ausgelegt ist, die Temperatur der Abgase 36, 136, 236 direkt zu bestimmen, oder indem es eine geeignete Verarbeitungseinheit (nicht dargestellt) enthält, z. B. einen Computer oder eine Turbinensteuereinrichtung, die dazu ausgelegt ist, die Temperatur basierend auf einem oder mehreren Betriebsparametern und/oder den Zuständen der Gasturbine 12 zu schätzen und/oder zu berechnen.
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Ferner kann das offenbarte System 10 auch jedes geeignete in der Technik bekannte Mittel zum Steuern der Menge an den Fluidkanälen 50, 150, 250 zugeführtem Fluid enthalten. Zum Beispiel kann, wie in 2, 5 und 7 dargestellt, ein Abschalt- bzw. Steuerventil 80, 180, 280 zwischen der Fluidquelle 54, 154, 254 und dem Anschlussstück 56, 156, 256 positioniert sein, um die Fluidzufuhr an die Fluidauslässe 50, 150, 250 zu beenden und/oder die Menge an den Fluidauslässen 50, 150, 250 zugeführtem Fluid zu verändern. Daher kann, wenn die Temperatur der Abgase 36, 136, 236 unter der maximalen Betriebstemperatur des HRSG-Systems 22 und/oder jeder anderen nachgelagerten Komponente liegt, die Zufuhr von Fluid an die Fluidauslässe 50, 150, 250 abgeschaltet werden, um die Effizienz der erhitzten Abgase 36, 136, 236 in den nachgelagerten Komponenten zu maximieren. Allerdings kann, wenn die Abgastemperatur beim Turndown der Gasturbine 12 ansteigt, die Menge an den Fluidauslässen 50, 150, 250 zugeführtem Fluid gesteuert werden, um die Abgase 36, 136, 236 auf eine für jede nachgelagerte Komponente angemessene Betriebstemperatur zu kühlen. Es sollte anerkannt werden, dass in alternativen Ausführungsformen die Ventile 80, 180, 280 an verschiedenen anderen Positionen im System 10 platziert sein können, um die Menge an den Fluidauslässen 50, 150, 250 zugeführtem Fluid zu steuern. Zum Beispiel können ein oder mehrere Ventile 80, 180, 280 in jedem Fluidkanal 58, 158, 258 angeordnet und/oder damit gekoppelt sein. Alternativ kann ein Ventil 80, 180, 280 mit jedem Fluidauslass 50, 150, 250 verbunden sein, z. B. indem jeder Fluidauslass 50, 150, 250 eine ventilbetätigte Düse enthält.
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Diese Beschreibung verwendet Beispiele zur Offenbarung der Erfindung, einschließlich dem besten Verwendungsmodus, und zur Befähigung von Fachleuten, die Erfindung praktisch anzuwenden, einschließlich Herstellung und Verwendung aller Vorrichtungen oder Systeme und Ausführung aller enthaltenen Verfahren. Der patentierbare Anwendungsbereich der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann auch andere Beispiele umfassen, die Fachleuten einfallen. Derartige andere Beispiele werden als in den Anwendungsbereich der Ansprüche fallend erachtet, wenn sie Bestandteile enthalten, die sich nicht von dem direkten Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente Bestandteile mit unwesentlichen Unterschieden zum direkten Wortlaut der Ansprüche enthalten.
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In einem Aspekt wird ein Auslassdiffusor 24 für eine Gasturbine 12 offenbart. Der Auslassdiffusor 24 kann im Allgemeinen ein Innengehäuse 26 und ein Außengehäuse 28 umfassen, das radial vom Innengehäuse 26 beabstandet ist, um einen Durchlass 34 zum Aufnehmen der Abgase 36 der Gasturbine 12 zu definieren. Des Weiteren kann der Auslassdiffusor 24 einen Fluidauslass 50 umfassen, der dazu ausgelegt ist, ein Fluid in die durch den Durchlass 34 strömenden Abgase 36 zu injizieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kombikraftwerksystem
- 12
- Gasturbine
- 14
- Kompressorabschnitt
- 16
- Brennabschnitt
- 18
- Turbinenabschnitt
- 20
- Rotorwelle
- 22
- HRSG-System
- 24, 124
- Auslassdiffusor
- 26, 126
- Innengehäuse
- 28, 128
- Außengehäuse
- 30, 130
- Streben
- 32, 132
- Rotierende Komponenten
- 34, 134
- Abgasdurchlass
- 36, 136
- Abgase
- 38
- Innerer Strebenabschnitt
- 40
- Strebenflügel
- 42
- Erste gewölbte Oberfläche
- 44
- Zweite gewölbte Oberfläche
- 46, 146
- Stirnkante (der Strebe)
- 48
- Endkante (der Strebe)
- 50, 150
- Fluidauslässe
- 52
- Höhe (der Strebe)
- 54, 154
- Fluidquelle
- 56, 156
- Anschlussstück
- 58, 158
- Fluidkanal
- 60
- Erstes Ende (des Fluidkanals)
- 62
- Zweites Ende (des Fluidkanals)
- 64
- Verbindungsdurchlässe
- 66
- Breite (der Strebe)
- 80, 180
- Abschalt- bzw. Steuerventil