DE10390644B4

DE10390644B4 - Turboverdichter und Verfahren zum Betrieb eines Turboverdichters

Info

Publication number: DE10390644B4
Application number: DE10390644.4T
Authority: DE
Inventors: Hans Wettstein; Jürgen Hoffmann
Original assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2019-07-25
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: AU2003205939A1; DE10390644D2; WO2003071113A1

Abstract

Turboverdichter, welcher eine Vorrichtung (8,9) zur Einbringung eines flüssigen Mediums (81, 91) zur Kühlung des Arbeitsmittelstromes des Turboverdichters durch Verdunstung und/oder Wärmeübertragung an die flüssige Phase wenigstens während eines Teiles des Verdichtungsprozesses aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten (1; 4; 5; 10; 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57) des Verdichters und des Verdichterzuströmkanals (2) Mittel (100, 101, 102, 103, 106, 107, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 503) zur Abschöpfung von Zweiphasengrenzschichten aufweisen, dass die Mittel zur Abschöpfung von Zweiphasengrenzschichten mit Mitteln zur Ableitung der abgeschöpften Zweiphasengrenzschichten in Verbindung stehen, und dass wenigstens ein Teil der Mittel zur Ableitung der Zweiphasengrenzschichten mit einem Sperrluftsystem oder einem Kühlluftsystem (40) einer Gasturbine in Fluidverbindung steht.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turboverdichter gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Es ist wohlbekannt, dass das Einspritzen einer Flüssigkeit stromauf eines Verdichters oder in einem Verdichter durch das Verdampfen der Flüssigkeit zu einer intensiven Innenkühlung des Verdichters und damit zu einer Verminderung der Leistungsaufnahme des Verdichters bei konstantem Massenstrom und Druckverhältnis führt. Eine hierzu geeignete Vorrichtung gibt die US 4 478 553 A an. Aus der FR 1 563 749 A ist bekannt, dass dies auch die Leistungsdaten einer Gasturbine verbessert. FR 1 563 749 A betont die Relevanz einer guten Zerstäubung der Flüssigkeit. Die US 6 216 443 B1 und die WO 99/67519 A1 haben Anordnungen vorgeschlagen, welche hinreichend kleine Tropfen, mit Durchmessern unter 50 µ erzeugen. Es muss jedoch damit gerechnet werden, dass sich Feuchtigkeit auf Schaufeln, Kanalwänden, und sonstigen im Strömungskanal angeordneten Einbauten niederschlägt, und dort grosse Tropfen oder Wasserfilme bilden. Dergestalt sich ausbildende schubspannungsgetriebene Flüssigkeitsfilme und Zweiphasengrenzschichten ziehen eine Reihe negativer Auswirkungen nach sich. Flüssigkeitsfilme, welche sich insbesondere auf Verdichterlaufschaufeln zu bilden vermögen, beeinflussen die Aerodynamik der schlanken Schaufelprofile potenziell über Gebühr negativ, mit entsprechenden Auswirkungen auf den Komponentenwirkungsgrad und das Betriebs- und insbesondere Ablöseverhalten. Aus der EP 0444913 A1 ist eine Vorrichtung zur Einbringung eines flüssigen Mediums zur Kühlung des Arbeitsmittelstromes eines Turboverdichters bekannt. Weiter offenbart die EP 0444913 A 1 einen Wärmetauscher zur Kühlung des Arbeitsmittelstromes sowie eine Drainage zur Ableitung von Kondensat.
Die DE 20 38 047 A offenbart eine Dampfturbine mit Entwässerungsöffnungen auf Leitschaufeln und in dem Gehäuse.
Aus der JP 11- 173 162 A ist eine Gasturbine mit einer Drainage im Ansaugkanal bekannt.
Aus der FR 2 088 680 A5 ist ein Turbinenseparator bekannt, in dem eine Flüssigkeit aus einer Zweiphasenströmung abgeschieden wird.
Aus der DE 101 34 612 A1 ist eine Gasturbinenanlage bekannt mit wenigstens einem Ansaugluft komprimierenden Verdichter. Um die Temperatur der Ansaugluft am Ende der Verdichtung zu begrenzen, ist vorgesehen Wasser oder ein anderes Fluid in die Ansaugluft einzuspritzen.
Darstellung der Erfindung
Es ist hier Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Turboverdichter, welcher eine Vorrichtung zur Einbringung eines flüssigen Mediums zur Verdunstungskühlung des Arbeitsmittelstromes aufweist unter Vermeidung der angegebenen Nachteile des Standes der Technik anzugeben. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe unter Verwendung der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Kern der Erfindung ist also, Mittel vorzusehen, über welche die sich potenziell ausbildende Zweiphasengrenzschicht von der Oberfläche der Komponenten des Verdichters abgeschöpft werden können. Dabei ist der Begriff der Zweiphasengrenzschicht im weitesten Sinne zu verstehen, dergestalt, dass sowohl Tropfen und Gasströmung nebeneinander auftreten, als auch für einen geschlossenen Flüssigkeitsfilm mit einer darüber strömenden Gasströmung.
Eine Stelle, an der diese Mittel zur Abschöpfung der Zweiphasenströmung besonders vorteilhaft anzuordnen sind, ist im stromabwärtigen Drittel in der Nähe der Hinterkante oder unmittelbar an der Hinterkante von Verdichterleitschaufeln oder ein abströmseitiges Ende anderer in einen dem Verdichter zugeordneten Strömungskanal hineinragender Einbauten, wie beispielsweise im Ansaugkanal des Verdichters angeordneter Stütz- und Versteifungselemente. Derartige Mittel sind insbesondere Bohrungen, Schlitze, oder sonstige Öffnungen, über welche die Zweiphasengrenzschicht abströmen kann. Weiterhin können hier auch poröse Elemente, beispielsweise aus Keramik, zu Einsatz kommen. Dabei können die Abschöpfungsmittel auch so beschaffen sein, dass Kapillarkräfte zur Trennung der Flüssig- und Gasphase genutzt werden. Weiterhin werden Mittel zur Abschöpfung der Zweiphasengrenzschicht mit Vorteil auch an den Wänden des Strömungskanals für das Arbeitsmittel angeordnet, wobei hier auch die Anordnung in einer Wand eines stromauf des Verdichters angeordneten Einlaufkanals zu subsummieren ist. Interessant ist dabei auch eine Anordnung an der Wand des Verdichters, im unmittelbaren Bereich einer Verdichterlaufreihe, insbesondere unmittelbar stromab der Lauf- oder auch der Leitreihe. Flüssigkeit, welche sich an den Laufschaufeln niederschlägt und von diesen an die Wand geschleudert wird, wird so abgeschöpft, bevor sie schädlich wirken kann. Die Mittel, über welche die Zweiphasengrenzschicht abgeschöpft wird, stehen bevorzugt mit weiteren Mitteln zur Abfuhr des abgeschöpften Fluides, im Grunde einem Drainagesystem, in Verbindung. Bevorzugt befinden sich in diesem Drainagesystem, wenigstens in einem Teil der Mittel zur Abfuhr der abgeschöpften Grenzschicht, Wasserabscheider. Wenn das abgeschöpfte Medium, insbesondere ein Wasser-Luft-Gemisch, auf diese Weise getrennt wird, kann die Gasphase, im Allgemeinen Luft, ohne Weiteres als Kühlluft oder Sperrluft Verwendung finden. Auf diese Weise kann die Film- und Zweiphasengrenzschichtabschöpfung insbesondere in Verdichterstufen eines bereits erhöhten Druckniveaus sehr effizient implementiert werden: Eine Verbindung mit einem System niedrigeren Druckes stellt ohne Weiteres den für die Abschöpfung erwünschten oder notwendigen Unterdruck zur Verfügung; das abgeschöpfte Medium deckt zumindest einen Teil des Kühl- oder Sperrluftbedarfes auf angemessenem Druckniveau. Abgeschiedenes Wasser kann beispielsweise wieder in den Kreislauf rückgeführt werden. Die Verhältnisse stellen sich etwas verschieden dar, wenn als Abschöpfungsmittel poröse Elemente Verwendung finden, welche durch Kapillarkräfte bereits eine Phasentrennung vorzunehmen in der Lage sind.
In Verbindung mit der Absaugung an Verdichter-Leitschaufeln werden vorteilhaft gebaute Schaufeln verwendet. Die Schaufelblätter bestehen beispielsweise aus einem saugseitigen und einem druckseitigen Segment, welche im Wesentlichen die Form eines entlang der Skelettlinie geteilten Schaufelblattes aufweisen. An den Trennflächen sind dabei Kanäle in die Segmente eingearbeitet, welche nach dem Zusammenbau innere Drainagekanäle der Schaufeln ausbilden. Dies ermöglicht es, die für die Realisierung der Erfindung notwendigen Drainagekanäle vergleichsweise einfach in den schlanken Verdichterschaufelprofilen anzuordnen. Die vergleichsweise geringe Temperaturbelastung und fehlende Fliehkraftbeanspruchung der Verdichter-Leitschaufeln ermöglicht den Einsatz solcher gebauten, mitteln geeigneter Löt-, Schweiss-, Klebe-, oder sonstiger geeigneter Fügetechnik zusammengefügten Schaufeln ohne Weiteres. Eine solche Bauweise erlaubt es auch besonders einfach, poröse, beispielsweise keramische, Elemente für die Abschöpfung der Grenzschichten einzusetzen.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im einzelnen zeigen

- 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Verdichter;
- 2 einen Erfindungsgemässen Verdichter im Zusammenhang einer Gasturbine;
- 3 gebaute Verdichterleitschaufeln;
- 4 verschiedene Ausführungsformen von im Ansaugkanal anzuordnenden Ablaufrinnen;
- 5 ein Beispiel für eine Steuerung der Grenzschichtabschöpfung eines erfindungsgemässen Verdichters;
- 6 ein weiteres Beispiel für eine Steuerung der Grenzschichtabschöpfung eines erfindungsgemässen Verdichters.

Die Zeichnung ist im Sinne der besseren Übersichtlichkeit stark schematisiert, und soll nur instruktiv verstanden werden.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In 1 ist ein Turboverdichter einer Gasturbogruppe samt Einlaufkanal dargestellt. Es ist im Weiteren stillschweigend vorausgesetzt, dass es sich um einen luftatmenden Verdichter handelt, ohne dadurch die Allgemeingültigkeit der folgenden Ausführungen für andere insbesondere gasförmige Fördermedien einzuschränken. Die Kanalwände 1 definieren einen Zuströmkanal 2, durch welchen Luft zum eigentlichen Verdichtereinlass 3 und von dort in den Verdichter strömt. Der Verdichtereinlass 3 hat die Form einer liegenden Glocke mit aufgesetztem Zuströmkanal 2. Stromab des Verdichtereinlasses 3 ist die dargestellte Konfiguration in den erfindungswesentlichen Bestandteilen im Wesentlichen rotationssymmetrisch, weshalb nur eine Hälfte dargestellt ist. Im Verdichtereinlass sind Stütz- und Versteifungselemente 4 angeordnet, welche die strukturelle Steifheit des Gehäuses gewährleisten. Im weiteren Verlauf des Strömungspfades sind auf einem Rotor 7 befestigte Laufschaufeln 61-67 und im Verdichtergehäuse 10 befestigte Leitschaufeln 51-57 abwechselnd angeordnet, und bilden die Verdichterstufen, wobei die Anzahl der dargestellten Verdichterstufen für einen realen Turboverdichter einer Gasturbine keineswegs repräsentativ ist: Die Verdichter stationärer Kraftwerksgasturbogruppen weisen üblicherweise 13 bis 17 axiale Verdichterstufen auf, wobei der angegebene Bereich keineswegs abschliessend zu verstehen ist. Im Sinne der Übersichtlichkeit der Darstellung wurde jedoch die Einschränkung vorgenommen, welche die Allgemeingültigkeit der Darstellung mit Bezug auf die erfindungswesentlichen Details nicht einschränkt. Stromauf der durch die Laufschaufelreihe 61 und die Leitschaufelreihe 51 gebildeten ersten Verdichterstufen ist eine Vorleitreihe 50 angeordnet; stromab der letzten Verdichterstufe ein Austrittsdiffusor 11; dessen Aufgabe ist es, einerseits die Verdichterabströmung weiter zu verzögern und so weiteren Druck aufzubauen, und andererseits die Strömung möglichst verslustfrei in eine in 1 nicht dargestellte Brennkammer - oder einen anderen Verbraucher - zu leiten. Die Schaufeln der Vorleitreihe 50 und der ersten beiden Leitschaufelreihen sind als verstellbare Schaufeln ausgestaltet und mittels Lagerzapfen 12 im Gehäuse 10 gelagert. Im Zuströmkanal 2 ist eine mit Sprühdüsen versehene Vorrichtung 8 angeordnet. Eine weitere Sprühvorrichtung 9 ist zwischen zwei Verdichterstufen angeordnet Die Sprühvorrichtungen 8, 9 können dabei vollkommen unabhängig voneinander angeordnet werden, das heisst, das Vorhandensein der einen Sprühvorrichtung bedingt nicht auch das Vorhandensein der anderen. Über die Sprühvorrichtungen 8, 9 wird eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser oder eine auf Wasser basierende Mischung, in Form von Sprühstrahlen 81, 91 der Strömung zugefügt Die Flüssigkeit kühlt einerseits durch Verdunstung und über die Aufnahme fühlbarer Wärme die Luft unmittelbar stromab der Eindüsungsposition; gleichzeitig wird die Wassermenge so bemessen, dass Tropfen auch in die stromab liegenden Verdichterstufen einströmen. Diese nehmen während der Kompression der Luft Wärme auf und verdunsten sukzessive, und sorgen für eine intensive Innenkühlung des Verdichters. Die Überfeuchtung der Verdichteransaugluft eines Verdichters wird auch als „Overfogging“, „High Fogging“ oder „Wet Compression“ bezeichnet. Idealerweise entspricht der Temperaturverlauf innerhalb des Kompressors dem Verlauf der Siedetemperatur der Flüssigkeit, respektive der Kühlgrenztemperatur, beim jeweiligen Druck in einer Stufe. Der Anstieg der Gastemperatur wird deutlich begrenzt; die Gastemperatur am Verdichteraustritt, entsprechend der dem Enddruck zugeordneten - Siedetemperatur von Wasser, beträgt bei Verdichtung ab Umgebungsdruck auf einen Enddruck von 15 bar etwas weniger als 200°C, bei einem Enddruck von 30 bar rund 234°C. Zum Vergleich liegen diese Werte bei isentroper Verdichtung und einer Eintrittstemperatur von 15°C bei rund 351 °C respektive 488°C. Es wird daher auch -obschon etwas unpräzise - dieser Vorgang auch als „quasi-isotherme Kompression“ bezeichnet. Die Bedeutung einer guten Zerstäubung der Flüssigkeit wurde einleitend dargelegt. Es kann dennoch nicht die Möglichkeit ausgeschlossen werden, dass sich auf Verdichterkomponenten Flüssigkeitsfilme niederschlagen. Nachteilige Effekte, die sich daraus potenziell ergeben, sind die Beeinflussung der Aerodynamik der schlanken Verdichterschaufelprofile, sowie ein erhöhter Versperrungsgrad, und eine erhöhte Ablöseempfindlichkeit der Strömung aufgrund der verdickten Grenzschicht. Stromauf der Verdichterstufen an den Wänden des Ansaugkanals 2 und des Verdichtereinlasses 3, sowie an den Stütz- und Versteifungselementen 4 sich anlagernde Flüssigkeitsfilme bergen die Möglichkeit, Flüssigkeitssträhnen und grosse Tropfen zu bilden, welche wiederum stromab zu einer verstärkten Anlagerung neigen. Eine erste potenzielle Anlagerung von Flüssigkeit kann an den Wänden des Ansaugkanals auftreten, wenn Flüssigkeit von der Sprühvorrichtung 8 unmittelbar auf die Wände 1 gelangt. Im senkrechten Teil des Ansaugkanals 2 des beispielhaft dargestellten Verdichters sind daher eigentliche Ablaufrinnen 116 angeordnet, welche die angelagerte Flüssigkeit ansammeln und zu einer geeigneten Entnahmestelle leiten. Eine nächste Stelle, an der besonders mit Flüssigkeitsanlagerungen zu rechnen ist, ist die radial innere Wand einer Strömungsumlenkung vom Ansaugkanal 2 in den Verdichtereinlass 3. Aufgrund der dort herrschenden niedrigen Strömungsgeschwindigkeit und des niedrigen Druckes sowie eines sich dort potentiell ausbildenden Totwassergebietes liegen Bedingungen vor, welche der Anlagerung von Flüssigkeit an der Wand zuträglich sind. Erfindungsgemäss sind daher an der angesprochenen Stelle Mittel 110 angeordnet, über welche sich ausbildende Flüssigkeits- und Zweiphasengrenzschichten abgeschöpft und, durch einen Pfeil angedeutet, abgeleitet werden. Diese Mittel werden unter anderem quer zur Hauptströmungsrichtung, in diesem Falle also senkrecht zur dargestellten Schnittebene, verteilt angeordnet, weshalb in der vorliegenden Darstellung nur eines der Mittel 110 dargestellt ist. Auf in die Arbeitsmittelströmung hineinragenden Stütz- und Versteifungselementen 4 sind, bevorzugt auf der Abströmseite, Reihen von Mitteln 114 zur Abschöpfung des Flüssigkeitsfilms oder der Zweiphasengrenzschicht angeordnet. Weitere Abschöpfungsmittel 115 sind in Nabennähe an der Wellenabdeckung angeordnet. Ebenso sind Reihen von Mitteln 100, 101, 102, 103,106, 107 zur Abschöpfung von Zweiphasengrenzschichten an den Hinterkanten der Vorleitreihen-Schaufeln 50 und der Schaufeln einiger Leitreihen 51, 52, 53, 56, 57 angeordnet. Das abgeschöpfte Medium wird über entsprechende Leitungen aus dem Gehäuse 10 des Verdichters herausgeführt. Beim dargestellten Verdichter sind die Vorleitreihe 50 sowie die Leitreihen 51, 52 der ersten beiden Verdichterstufen verstellbar ausgeführt. Hier-erfolgt die Abfuhr des abgeschöpften Mediums zweckmässig durch hohlgebohrte Lagerungselemente 12. In den einer Einspritzvorrichtung unmittelbar stromab folgenden Verdichterstufen muss auch mit einer Anlagerung von Flüssigkeit an den Wänden des Strömungskanals gerechnet werden. Diese ist in verstärktem Ausmasse im Bereich von Verdichterlaufschaufeln zu erwarten: Dort werden Wassertropfen einerseits mit den Stromlinien an die Wand zentrifugiert, andererseits schleudern die Laufschaufeln potenziell Wassertropfen an die Wand. Daher sind an der Wand 10, vorzugsweise im axialen Bereich der Laufschaufel-Hinterkanten oder etwas stromab davon, umlaufende Reihen von Mitteln 111, 112 angeordnet, über welche Zweiphasengrenzschichten abgeschöpft werden können. Bei den Mitteln handelt es sich beispielsweise um Reihen von Bohrungen, welche entweder wesentlich entlang der abströmseitigen Kante von in den Strömungskanal hineinragenden Komponenten angeordnet oder am Umfang der Aussenwände des Strömungskanals für das Arbeitsmedium im wesentlichen auf einer axialen Position verteilt sind, und die mit entsprechenden Mitteln zur Abfuhr des abgeschöpften Mediums, etwa einem Drainagesystem, in Verbindung stehen. Wenn, wie im dargestellten Beipiels, eine Wassereinspritzvorrichtung 9 im hinteren Teil des Verdichters angeordnet ist, werden sinnvollerweise auch die stromab davon gelegenen Verdichterstufen auf analoge Weise mit Mitteln 106, 107, 113 zur Film- und Zweiphasengrenzschichtabschöpfung versehen. Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung sind vielfältiger Natur: So werden einerseits Flüssigkeitsfilme, von denen ausgehend grosse Wassertropfen und -strähnen in die Strömung eingetragen werden können, vermieden. Die Verdickung der Grenzschichten durch Flüssigkeitsfilme, welche durch eine vergrösserte Versperrung und Auswirkungen auf die Aerodynamik der schlanken Schaufelprofile den Wirkungsgrad des Verdichters negativ beeinflussen könnte, wird vermieden; umgekehrt kann eine allgemeine Grenzschichtverkleinerung sehr vorteilhafte Folgenmit sich bringen, zu denen auch eine verringerte Ablöseneigung der Verdichterströmung gehört. Wenn ein Turboverdichter mit Kühlung betrieben wird, verschiebt sich der Druckaufbau in die hinteren Verdichterstufen, was bei hochbelasteter Beschaufelung die Ablösegefahr erhöht; in diesem Zusammenhang kann die Anwendung der Erfindung in den hinteren Verdichterstufen auch dann Sinn machen, wenn hier keine oder nur geringe Flüssigkeitsmengen zu erwarten sind, da die resultierende Verkleinerung der Grenzschicht die Ablösegefahr verringert. Die Mittel 113 sind strenggenommen bereits stromab des eigentlichen Verdichters, im Diffusor, am Umfang des Strömungskanals angeordnet. Neben dem reinen Effekt der Flüssigkeitsabsaugung wird die Ablösegefahr im Diffusor 11 verringert, und die dargestellte radial nach aussen gerichtete Strömungsumlenkung beispielsweise in ein Plenum einer Ringbrennkamer wird wirkungsvoll unterstützt.
2 zeigt die Erfindung im Zusammenhang mit einer möglichen Ausführungsform der Mittel zur Abfuhr des abgesaugten Mediums, wobei der Turboverdichter Bestandteil einer schematisch dargestellten Gasturbogruppe ist. In einigen wenigen Worten komprimiert der Verdichter 21 Luft auf einen Arbeitsdruck, und fördert diese in eine im Beispiel ringförmige Brennkammer 22. Dort wird in der komprimierten Luft Brennstoff verbrannt Das heisse Rauchgas wird in der Turbine 23 unter Abgabe einer Wellenleistung an die Welle 7 entspannt. Die beschriebene Prozessführung kann mannigfaltig abgewandelt werden, indem beispielsweise zwei Turbinen seriell angeordnet sind, zwischen denen eine, weitere Brennkammer angeordnet ist, oder es können in Serie geschaltete Teilverdichter mit dazwischengeschalteten Kühlem implementiert sein. Ebenso könnte statt einer Brennkammer ein Wärmetauscher angeordnet sein, in dem das Arbeitsmittel erhitzt wird, und der Prozess könnte geschlossen geführt sein und mit Helium statt Luft als Arbeitsmittel arbeiten, und dergleichen mehr, ohne dass jedoch das Wesen der Erfindung berührt würde. Die Welle ist an einem verdichterseitigen Ende in einem kombinierten Radial-Axiallager 71 gelagert; turbinenseitig ist ein Loslager 72 mit freier axialer Beweglichkeit der Welle angeordnet. Die Welle 7 ist an den Stirnseiten aus dem Gehäuse der Gasturbogruppe herausgeführt; an diesen Stellen sind berührungslose Dichtungen, etwa Labyrinthdichtungen 24, 25, angeordnet. Wie in 1 detaillierter dargestellt ist im Ansaugkanal 2 eine erste Sprühvorrichtung 8 angeordnet, und eine zweite Sprühvorrichtung 9 ist, in der Figur nur angedeutet, im hinteren Teil des Verdichters 21 angeordnet. Die Abschöpfmittel 100, 101, 102, 103, 106, 107, 110, 111, 112, 113, 114 sind nur durch Ihre Position am Verdichter angedeutet, wobei die Darstellung keinesfalls massstäblich zu verstehen ist, sondern lediglich schematisch die relativen Positionen der verschiedenen Abschöpf- und Einspritzvorrichtungen wiedergibt. Die unterschiedlichen Druckniveaus, mit denen die Mittel zur Filmabschöpfung beaufschlagt werden, und die daraus resultierenden unterschiedlichen Verwendungsmöglichkeiten des abgeschöpften Mediums machen die Implementation verschiedener Drainagesysteme für unterschiedliche Druckstufen wünschenswert. So liegt der Druck wenigstens an den Abschöpfstellen 110, 114, und 100 aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit unter dem Umgebungsdruck. In den ersten Verdichterstufen wird zwar Druck aufgebaut, jedoch kann bei einer stark geschlossenen Vorleitreihe auch hier noch ohne Weiteres ein Druck unter dem Umgebungsdruck oder nur wenig darüber vorliegen. Gemäss dem vorliegenden Ausführungsbeispiel stehen daher die stromauf des Verdichters liegenden Abschöpfstellen sowie die der ersten beiden Verdichterstufen mit einem Unterdruck-Drainagesystem in Verbindung. Die Abschöpfstellen 101, 102 stehen mit den Treibdüsen von nach dem Strahlpumpenprinzip arbeitenden und kaskadierend geschalteten Ejektoren 31, 32 in Verbindung, so, dass das dort abgeschöpfte Fluid als Treibmedium in den Ejektoren wirkt. Diese Ejektoren fördern Medium von den weiter stromauf liegenden Abschöpfstellen niedrigeren Vordruckes. Der Ejektor 32 des höchsten Druckes ist abströmseitig an den Oberteil eines Behälters mit Fallrohr 33 angeschlossen, was in der Figur durch die Fluidschnittstelle A dargestellt ist. In dem Behälter mit Fallrohr 33 wird eine Flüssigkeitssäule der Höhe h aufrechterhalten, die am unteren Ende mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Im oberen Teil des Behälters entsteht damit ein mit der Höhe der Flüssigkeitssäule korrespondierender Unterdruck gegenüber Atmosphäre. Der Abfluss aus dem Fallrohr kann durch ein Stellorgan 34 variiert werden; ein vollständiges Schliessen dieses Stellorgans schaltet die Filmabsaugung ab. Die Höhe der Flüssigkeitssäule kann über das Stellorgan 34 und über eine Zusatzflüssigkeitszufuhr 35 reguliert werden, wobei die Saugwirkung über die Höhe der Flüssigkeitssäule varrierbar ist. Die abströmende Flüssigkeit wird mit Vorteil wieder einer Aufbereitung zugeführt und in den Prozess zurückgeführt. An Stelle der „hängenden Flüssigkeitssäule“ kann selbstverständlich auch ein Sauggebläse Verwendung finden. An der Stelle 103 abgeschöpftes Fluid befindet sich bereits auf einem unter allen Umständen erhöhten Druckniveau, welches beispielsweise mit dem Druck eines Sperrluftsystems kompatibel ist. Das abgeschöpfte Fluid wird daher in einen Tropfenabscheider 36 geleitet Die mit der Zweiphasengrenzschicht abgeschöpfte Luft wird daher, wie durch die Fluidschnittstelle B angedeutet, als Sperrluft zu den Labyrinthdichtungen 24, 25 geführt. An den Abschöpfstellen 106, 107, und 113 ist schon ein recht hoher Druck erreicht; diese stehen mit einem Hochdruckdrainagesystem in Verbindung. Dieses beinhaltet im dargestellten Beispiel wiederum zwei kaskadierend geschaltete Ejektoren 37 und 38, an welche die Abschöpfstellen entsprechend den herrschenden Druckverhältnissen als Treib- oder Förderfluidzuleitung angeschlossen sind. Das abgeschöpfte Fluid wird über einen Tropfenabscheider 39 in ein druckkompatibles Mittel- oder Niederdruckkühlsystem oder-kühlleitung 40 geführt. Bei einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung, wie sie beispielsweise aus der EP 620 362 bekanntgeworden ist, ist dies beispielsweise das Kühlsystem der zweiten Turbine. Selbstverständlich müssen in den dargestellten Drainagesystemen auch hier nicht abschliessend dargestellte Mittel zur Einstellung des abgeschöpften Massenstroms entweder auf einen festen oder einen variablen Wert vorgesehen sein. Im Beispiel sind die Mittel zur Abfuhr des abgeschöpften Mediums im Hochdrucksystem durch ein Stellorgan 41 variabel gestaltet.
Dieses Stellorgan wird in Abhängigkeit vom Messsignal einer Durchflussmessstelle 42 für den der Sprühvorrichtung 9 zugeführten Flüssigkeitsmassenstrom gesteuert.
Es versteht sich von selbst, dass das in Verbindung mit den 1 und 2 erläuterte Beispiel keine abschliessende Darstellung der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung darstellt, sondern nur eine unter vielen Möglichkeiten die Erfindung zu realisieren. Die Anordnung der Mittel zur Abschöpfung von Zweiphasengrenzschichten im Rahmen der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung muss vom Fachmann den spezifischen Gegebenheiten entsprechend gewählt werden, wobei Parameter wie beispielsweise die „Eindringtiefe“ von Wassertropfen in den Verdichter stromab einer Sprühvorrichtung oder aerodynamische Gegebenheiten, welche eine Ausbildung von Flüssigkeitsfilmen entweder fördern oder dieser entgegenwirken, zu berücksichtigen sind. Auch die Anordnung der Mittel zur Abfuhr der abgeschöpften Grenzschichten und die Verschaltung mit den Abschöpfungsmitteln kann im Rahmen der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung deutlich von dem in 2 dargestellten Beispiel abweichen. Die Anwendung der Erfindung ist weiterhin keineswegs auf Verdichter von Gasturbinen beschränkt.
Die Leitschaufeln, welche mit Abschöpfungsmitteln zu versehen sind, können beispielsweise auf die von der Herstellung gekühlter Turbinenschaufeln bekannte Weise mit Absaugeöffnungen und internen Drainagekanälen, welche die Absaugebohrungen mit einem Drainagesystem verbinden, versehen werden. Gerade bei Verdichterschaufeln mit sehr schlanken Profilen können sich diese Fertigungsverfahren aber aufgrund der notwendigen hohen Fertigungsgenauigkeit als sehr aufwändig erweisen. Hier kommt dem Konstrukteur die - vergleichsweise! - niedrige thermisch Belastung und die bei Leitschaufeln nichtvorhandene Fliehkraftbelastung sehr entgegen. Diese ermöglicht die Verwendung von in 3 dargestellten gebauten Leitschaufeln 5, welche mittels geeigneter Fügeverfahren aus mehreren Leitschaufelelementen, insbesondere einem druckseitigen Leitschaufelelement 501 und einem saugseitigen Leitschaufelelement 502, zusammengesetzt werden. Diese Fertigungsvariante erspart die aufwändige Fertigung bauteilintem zu bearbeitender Kanäle. In einer in 3a dargestellten Ausführungsform ist die Leitschaufel 5 aus zwei Schalen 501 und 502 zusammengesetzt, und entlang einer Nahtstelle 505 durch ein geeignetes Fügeverfahren, wie schweissen, löten, kleben, und so weiter, welches auch durch die verwendeten Werkstoffe mitbestimmt wird, verbunden. In eine der Schalen sind Absaugeöffungen 503 eingebracht; das gesamte Schaufelinnere ist hohl und fungiert als schaufelintemer Drainagekanal 504. Im Extremfall bestehen die Schaufelelemente 501 und 502 aus in die entsprechende Form gepressten Blechen, wobei in das Element 501 die Öffnungen einfach eingestanzt und entgratet wurden; die Hälften werden dann entlang der Nahtstelle 505 verklebt. Dieses Beispiel verdeutlicht die bestechend einfach mögliche Fertigung einer gebauten Leitschaufel mit einer Vorrichtung zur Grenzschichtabsaugung. 3b zeigt weiterhin die mögliche Ausgestaltung einer gebauten Schaufel 5 als Vollprofil. Die Schaufelelemente 501 und 503 sind beispielsweise gegossen, und entlang einer Fügestelle 505 miteinander auf geeignete und an sich bekannte Weise verbunden. Die Absaugeöffnungen 503 und der innere Drainagekanal 504 sind bei der dargestellten Schaufel nur in einem Schaufelelement 501 eingearbeitet, so, dass das zweite Schaufelelement keinem hierauf ausgerichteten Bearbeitungsschritt unterzogen werden muss, wodurch die Fertigung wiederum vereinfacht wird. Obschon 3 nur gebaute Schaufeln mit druckseitig angeordneten Absaugeöffnungen zeigt, offenbaren die vorstehenden Ausführungen dem Fachmann unmittelbar auch gebaute Schaufeln mit saugseitigen oder beidseitigen Absaugeöffnungen oder sonstigen Mitteln zur Abschöpfung von Zweiphasengrenzschichten. Es bleibt noch festzustellen, dass diese Strömungsführung selbstverständlich auch in umgekehrter Richtung betrieben werden kann, indem über den Kanal 504 Flüssigkeit zugeführt wird; die Öffnungen 503 sind dann als Sprühdüsen auszuführen - beispielsweise, indem Düsen in die Öffnungen eingeschraubt werden - und die entsprechende Leitschaufelreihe wirkt dann als Sprühvorrichtung.
4 zeigt - selbstverständlich nicht abschliessend - verschiedene Formen von Ablaufrinnen 116, wie sie als Abschöpfungsmittel im Ansaugkanal 2 angeordnet werden können. In 4a ist eine einfachste Form dargestellt. Eine Ablaufrinne 116 ist hier nach Art einer Dachkandel auf geeignete Weise an einer Wand 1 des Strömungskanals 2 befestigt, beispielsweise geschraubt. Einerseits ist diese Ausführungsform besonders einfach an bestehenden Anlagen nachzurüsten, andererseits muss die Belastung durch aerodynamische Kräfte und die Störung der Strömung in Betracht gezogen werden. Diese Nachteile weisen die in den 4b und 4c dargestellten Ausführungsformen nicht auf, wohingegen diese vergleichsweise aufwändig in die Kanalwand 1 eingearbeitet werden müssen, und somit weniger zur Nachrüstung bestehender Installationen geeignet sind.
Im Zusammenhang mit 2 wurde die Einstellung des abgeschöpften Fluides in Abhängigkeit von einer eingebrachten Wassermenge dargestellt. Die 5 und 6 zeigen nicht abschliessend weitere Möglichkeiten, die Fluidabschöpfung zu steuern. In 5 ist eine aus auf einer Welle 7 angeordneten Laufschaufeln 6 und im Gehäuse 5 befestigten Leitschaufeln 5 bestehende Verdichterstufe gezeigt. Die Leitschaufeln 5 sind mit Mitteln 503 zur Abschöpfung von Zweiphasengrenzschichten versehen, welche wiederum mit Mitteln 44 zur Abfuhr des abgeschöpften Fluides in Verbindung stehen. In Verbindung mit den Mitteln 44 ist ein Stellorgan 45 angeordnet, über welches die Menge des abgeführten Fluides einstellbar ist. Auf der Leitschaufel 5 ist ein Feuchtesensor 43 angeordnet; das Stellorgan 45 wird mit steigender gemessener Feuchte geöffnet. In 6 ist eine identische Verdichterstufe gezeigt, wobei die das Stellorgan 45 abhängig von einem anderen Parameter gesteuert wird. Es wurde oben angedeutet, dass eine sinkende Grenzschichtdicke die Ablöseneigung aerodynamisch hochbelasteter Schaufelprofile zu senken vermag. Es wurde weiterhin angedeutet, dass sich generell beim Einsatz von Kühlung in einem Verdichter der Druckaufbau in die hinteren Verdichterstufen verschiebt, die Belastung der hinteren Verdichterstufen dann also weiter ansteigt. Dem wurde in der in 6 dargestellten Schaltung Rechnung getragen. Eine erste Druckmessstelle misst den Druck p1 vor der Verdichterstufe. Eine zweite Druckmessstelle misst den Druck p2 nach der Verdichterstufe. Eine Rechen- und Steuereinheit 46 bildet eine Differenz der Drücke. In Abhängigkeit vom Druckaufbau p2-p1 über die Verdichterstufe wird das Stellorgan bei steigendem Druckaufbau und damit grösserer Ablösegefahr geöffnet. In Folge der dadurch ansteigenden abgeschöpften Fluidmenge wird die wandnahe Strömung auf der Schaufel 5 beschleunigt, und die Grenzschichtdicke, somit die Ablöseneigung, sinkt. Als vorteilhaft kann es sich in diesem Zusammenhang erweisen, Abschöpfungsmittel 503 in einem stromab, nahe an der Hinterkante, gelegenen Bereich der Saugseite anzuordnen, da dort die grössten Druckgradienten vorliegen. Hingegen wird, wenn die Hauptzielsetzung eine Absaugung von Flüssigkeitsfilmen zur Verminderung von Tropfenabriss ist, die Anordnung auf der Druckseite der Profile, in einem stromabwärtigen, nahe der Hinterkante, beispielsweise im letzten Drittel der Profillänge gelegenen Bereich der Druckseite zu bevorzugen sein. Da die beschriebene Massnahme zur Reduktion der Ablöseneigung im Verdichter-Leitapparat wirkt, wird es weiterhin vorteilhaft sein, den Druckaufbau der dargestellten axialen Verdichterstufe in die Leitreihe zu verlagern; es wird dann ein Reaktionsgrad gewählt, der kleiner als 0.5 ist, und beispielsweise im Bereich zwischen 0.3 und 0.45, insbesondere 0.35 bis 0.4, liegt.
Wenngleich die Erfindung oben anhand eines Axialverdichters erläutert ist, ist der Fachmann anhand der Ausführungen ohne Weiteres in der Lage, die Lehre der Erfindung auch auf radiale oder halbaxiale Maschinen zu übertragen.
Bezugszeichenliste

1: Kanalwände
2: Ansaugkanal, Zuströmkanal
3: Verdichtereinlass
4: Stütz- und Versteifungselemente
5 .: Verdichterleitschaufel
7: Rotor, Welle
8: Sprühvorrichtung
9: Sprühvorrichtung
10: Verdichtergehäuse
11: Austrittsdiffusor
12: Lagerzapfen, Lagerelement
21: Verdichter
22: Brennkammer
23: Turbine
24: Labyrinthdichtung
25: Labyrinthdichtung
31: Strahlpumpe, Ejektor
32: Strahlpumpe, Ejektor
33: Behälter mit Fallrohr
34: Drossel- und Absperrorgan
35: Wasserzuführleitung
36: Tropfenabscheider
37: Strahlpumpe, Ejektor
38: Strahlpumpe, Ejektor
39: Tropfenabscheider
40: Nieder-, Mitteldruckkühlsystem, -leitung
41: Stellorgan
42: Durchflussmessstelle für Zuströmung zur Sprühvorrichtung 9
43: Mittel zur Abfuhr von abgeschöpftem Fluid
44: Stellorgan
45: Recheneinheit, Steuereinheit
50: Vorleitreihe, Vorleitreihenschaufel
51, 52, 53, 54, 55, 56, 57: Leitreihen, Leitschaufeln
61, 62, 63, 64, 65, 66, 67: Laufreihen, Laufschaufeln
71: Lager
72: Lager
81: Sprühstrahl
91: Sprühstrahl
100, 101, 102, 103, 106, 107, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116: Mittel zur Abschöpfung von Zweiphasengrenzschichten, Flüssigkeitsfilmen
501: Leitschaufelelement
502: Leitschaufelelement
503: Abschöpfmittel, Drainageöffnung, Absaugeöffnung
504: Drainagekanal
505: Fügestelle, Nahtstelle

Claims

Turboverdichter, welcher eine Vorrichtung (8,9) zur Einbringung eines flüssigen Mediums (81, 91) zur Kühlung des Arbeitsmittelstromes des Turboverdichters durch Verdunstung und/oder Wärmeübertragung an die flüssige Phase wenigstens während eines Teiles des Verdichtungsprozesses aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten (1; 4; 5; 10; 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57) des Verdichters und des Verdichterzuströmkanals (2) Mittel (100, 101, 102, 103, 106, 107, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 503) zur Abschöpfung von Zweiphasengrenzschichten aufweisen, dass die Mittel zur Abschöpfung von Zweiphasengrenzschichten mit Mitteln zur Ableitung der abgeschöpften Zweiphasengrenzschichten in Verbindung stehen, und dass wenigstens ein Teil der Mittel zur Ableitung der Zweiphasengrenzschichten mit einem Sperrluftsystem oder einem Kühlluftsystem (40) einer Gasturbine in Fluidverbindung steht.
Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel im stromabwärtigen Drittel, insbesondere an den oder in der Nähe der Schaufelhinterkanten von Leitschaufeln (5; 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57), oder auf der Abströmseite von in einem Strömungskanal für den Arbeitsmittelstrom des Verdichters hineinragenden Einbauten (4) angeordnet sind.
Turboverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Abschöpfung im stromabwärtigen Drittel von Leitschaufeln auf der Druckseite angeordnet sind.
Turboverdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (111, 112, 113) zur Abschöpfung von Zweiphasengrenzschichten an Wänden (10) eines Strömungskanals für den Arbeitsmittelstrom des Verdichters angeordnet sind.
Turboverdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (110) zur Abschöpfung von Zweiphasengrenzschichten an einer Wand (1) eines stromauf des Verdichters angeordneten Zuströmkanals (2) angeordnet sind.
Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Mittel zur Ableitung der Zweiphasengrenzschichten mit Wasserabscheidern versehen ist.
Turboverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (111, 112, 113) zur Abschöpfung der Zweiphasengrenzschicht unmittelbar stromab der Position einer Verdichterlaufreihe angeordnet sind.
Turboverdichter nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterleitschaufeln (5) aus wenigstens zwei Teilen (501, 502) gebaut sind.
Verwendung eines Turboverdichters nach einem der vorstehenden Ansprüche als Verdichter einer Gasturbogruppe.
Verfahren zum Betrieb eines Turboverdichters nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem stromauf einer ersten Verdichterstufe und/oder innerhalb des Verdichters eine Flüssigkeit eingespritzt wird, wobei die Menge der eingespritzten Flüssigkeit derart bemessen ist, dass wenigstens in einer stromab der Einspritzstelle liegenden Verdichterstufe nicht verdampfte Flüssigkeit im zu verdichtenden Fluid eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich an Wänden des Strömungswegs des Turboverdichters und/oder an in den Strömungsweg hineinragenden Komponenten (4, 50, 50, 51, 52, 53, 56, 57) anlagernde Zweiphasengrenzschicht abgeschöpft wird.