DE3514718A1

DE3514718A1 - Gasturbinentriebwerk und betriebsverfahren

Info

Publication number: DE3514718A1
Application number: DE19853514718
Authority: DE
Inventors: Kenneth Odell Cincinnati Ohio Johnson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-04-27
Filing date: 1985-04-24
Publication date: 1985-10-31
Anticipated expiration: 2005-04-25
Also published as: GB2158158A; JPH0584376B2; DE3514718C2; FR2563575A1; IT8520479A0; CA1229493A; JPS60256522A; IT1184776B; BE902277A; GB8509675D0; US4569195A; FR2563575B1; GB2158158B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinenmotoren bzw. -triebwerke und insbesondere auf solche Gasturbinentriebwerke, bei denen ein Strömungsmittel, wie beispielsweise Dampf, injiziert wird, das aus Wärme erzeugt wird, die durch das Triebwerk erzeugt ist.

Bekannte Gasturbinentriebwerke werden in einer Vielfalt von Anwendungsfällen verwendet, zu denen der Antrieb von Flugzeugen, Wasserfahrzeugen, elektrischen Generatoren, Pumpen u.a. gehören. Im allgemeinen ist der Gasturbinenmotor so gestaltet oder aufgebaut, daß er mit größstmoglichem Wirkungsgrad in einem vorbestimmten Verdichterströmungs-Druckverhältnisbereich und einem vorbestimmten Turbinenströmungs-Druckverhältnisbereich arbeitet, wobei die Bereiche für einen sogenannten "abgeglichenen oder symmetrischen Betrieb" zwischen der Turbine und dem Verdichter ausgewählt sind. Derartige symmetrische Strömungsdruckverhältnisse werden aus der vorgesehenen Motor-Triebwerksanwendung und dem Ausgangsleistungsbereich des Motors bzw. des Triebwerks für diesen Anwendungsfall ermittelt.

Da ein derartiges Triebwerk nicht immer bei einer einzigen Ausgangsleistung arbeitet, kann das Gleichgewicht bzw. die Symmetrie zwischen den Verdichter und der Turbine über einen breiteren Bereich expandiert werden durch Verwendung von Triebwerkskomponenten mit mechanisch variabler Geometrie, wie beispielsweise variabler Einlaßschaufeln, variable Bläserschaufeln, variable Verdichterschaufelung, variable Schubdüsen usw. in gewählten Kombinationen. Derartige mechanisch variable Komponenten werden durch Triebwerksregelungen während des Betriebs

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gesteuert, um gewisse Betriebsparameter des Triebwerks in einer vorgewählten Weise unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu beeinflussen. Derartige mechanisch variable Komponenten können jedoch in dem.bei hohen Temperaturen arbeitenden Turbinenabschnitt des Triebwerks schwierig und nur mit hohen Kosten zu konstruieren und zu unterhalten sein.

Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der Erfindung, ein Gasturbinentriebwerk und ein Betriebsverfahren dafür mit einem bevorzugten thermischen Wirkungsgrad über einem weiten Leistungsbetriebsbereich zu schaffen. Dabei soll das Triebwerk bzw. der Motor den wesentlichen äquivalenten Betrieb mechnischer Variabilität in der Turbine mit im wesentlichen feststehenden Konfigurationen haben. Weiterhin soll ein Dampfinjektions-Gasturbinentriebwerk geschaffen werden, das einen bevorzugten thermischen Wirkungsgradbereich über einem weiten Ausgangsleistungsbereich durch Verwendung von Wärme hat, die von dem Triebwerk abgeführt wird, um das Potential der Strömung durch die Turbine zu vergrößern, Wärme zu übertragen und Energie durch die Turbine umzuwandeln.

Kurz gesagt, wird erfindungsgemäß ein Gasturbinentriebwerkssystem geschaffen, das in funktionaler Reihenfolge einen Verdichter, einen Brenner und eine Turbine aufweist, wobei der Brenner eine gasförmige Brennerausgangsströmung erzeugt. Das Triebwerk bzw. der Motor ist so aufgebaut, daß er bei einem vorbestimmten thermischen Wirkungsgrad in einem vorbestimmten Verdichterströmungs-Druckverhältnisbereich und einem vorbestimmten Turbinenströmungs-Druckverhältnisbereich arbeitet. Das Triebwerkssystem enthält ferner eine Strömungsmittelzufuhr, die sich dadurch auszeichnet, daß es eine spezifische Wärme bei konstantem Druck (C ) größer als der C der Brenner-

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ausgangsströmung aufweist. Ferner ist eine Strömungsmitteleinfübungsvorrichtung vorgesehen, um das Strömungsmittel von der Strömungsmittelzufuhr in das Triebwerk einzuführen, um sich dadurch mit der Brennerausgangsströmung zu mischen und ein Turbinenbetriebsmedium zu bilden.

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Die Strömungsmitteleinführungsvorrichtung wird durch eine Systemregelung geregelt, die die Einführung des Strömungsmittels steuert, um das Turbinenarbeitsmedium mit einem Energieübertragungspotential für eine Strömungseinheit als eine Funktion des kombinierten C der Brennerausgangsströmung und dem C des Strömungsmittels an einer gewählten Stelle in dem Triebwerk zu bilden, das größer als das Energieübertragungspotential einer äquivalenten Strömung der Brennerausgangsströmung als eine Funktion des C der Brennerausgangsströmung alleine an der gewählten Stelle ist/ und um die Strömungsdruckverhältnisse des Verdichters und der Turbine in dem vorbestimmten Bereich im wesentlichen unabhängig von der Ausgangsleistung des Triebwerks zu machen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Strömungsmittel Dampf-der vorzugsweise überhitzt ist. Dieser Dampf kann von einer Wassereinspeisung erzeugt werden, die dadurch erhitzt wird, daß Wärme aus verschiedenen Teilen des Triebwerks abgezogen wird, um das Wasser in Dampf umzuwandeln. In dem Betriebsverfahren für ein derartiges Gasturbinentriebwerk wird das Triebwerk so aufgebaut, daß es bei einem bevorzugten thermischen Wirkungsgrad in einem vorbestimmten Verdichterströmungsdruckverhältnis-Bereich und einem vorbestimmten Turbinenströmungsdruckverhältnis-Bereich arbeitet. In das Triebwerk bzw. den Motor wird ein Strömungsmittel eingeführt, dessen Strömung verändert bzw. gesteuert wird, um die Verdichterund Turbinenströmungsdruckverhältnisse in ihren entsprechenden vorbestimmten Bereichen im wesentlichen unabhängig von der Ausgangsleistung des Triebwerks zu halten.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist eine vereinfachte Ansicht von einem relativ einfachen Ausführungsbeispiel des Triebwerks und des Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

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Figur 2 ist eine vereinfachte Ansicht von einem komplexeren Ausführungsbeispiel des Triebwerks und des Systems der Erfindung.

Figur 3 ist eine vereinfachte Ansicht von einem weiteren komplexen Ausführungsbeispiel des Triebwerks und des Systems gemäß der Erfindung.

Die älteren Gasturbinentriebwerke, zunächst mit Zentrifugal- und später mit Axialströmungsverdichtern in Verbindung mit einem Verbrennungsabschnitt und einem Turbinenabschnitt, hatten eine feste Geometrie. Sie konnten mit einem relativ guten Wirkungsgrad für ihren Aufbau nur bei einer vorgewählten Ausgangsleistung arbeiten, aber bei anderen Leistungsbedingungen war der Wirkungsgrad viel kleiner. Als sich die Technologie von Gasturbinentriebwerken fortentwickelte, insbesondere in Verbindung mit Flugzeugantrieben, wurden Konfigurationen mit variabler Geometrie entwickelt. Zunächst waren diese in den Abgas- und Einlaßabschnitten des Triebwerkes und dann auch an anderen Stellen in dem Triebwerk, zuletzt auch in der Turbinendüse. Im allgemeinen wurden die eine variable Geometrie aufweisenden Komponenten während des Betriebs als eine Funktion des Leistungsbedarfs und der Einlaßumgebungsbedingungen eingestellt, wie es in der Gasturbinentechnik allgemein bekannt ist. Bekanntlich sind die Triebwerkskomponenten, die zur Ausbildung derartiger variabler Einstellungen erforderlich sind, viel teuerer in der Fertigung, Montage und Wartung als diejenigen, die eine feste Position und Geometrie aufweisen.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Gasturbinentriebwerk, das eine feste mechanische Geometrie aufweisen kann und so ausgelegt und konstruiert ist, daß es bei einem bevorzugten thermischen Wirkungsgrad arbeitet. Trotzdem kann das Triebwerk das Vermögen aufweisen, bei verschiedenen Ausgangsleisturigswerten zu arbeiten, während der thermische Wirkungsgrad beibehalten wird. Ferner kann die Erfindung nutzbar sein in Verbindung mit bestehenden Motoren bzw. Triebwerken, die Komponenten mit va-

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riabler Geometrie aufweisen könnten, wodurch es diesen Triebwerken ermöglicht wird, bei einem bevorzugten thermischen Wirkungsgrad zu arbeiten mit einer relativ kleinen Neueinstellung der eine variable Geometrie aufweisenden Komponenten. Erfindungsgemäß wird ein Strömungsmittel, wie beispielsweise Dampf, in das Triebwerk eingespritzt, üblicherweise wenigstens in die Turbine, und zwar in Mengen, die die Strömungsduckverhältnisse der Turbine und ihres entsprechenden Verdichters in einem vorbestimmten Bereich ausgleicht bzw. symmetriert für diesen thermisch effizienten Betrieb unabhängig von der Ausgangsleistung des Triebwerks bzw. des Motors.

Das Strömungsmittel, das in das Triebwerk für einen Ausgleich bzw. eine Symmetrierung des Betriebs der Turbinen- und Verdichterabschnitte injiziert wird, ist ein solches Strömungsmittel, das eine spezifische Wärme bei konstantem Druck (C ) hat, die größer als diejenige der Triebwerksgasströmung ist, in die es injiziert wird. Auf diese Weise ist das Vermögen oder Potential des resultierenden Mediums oder der resultierenden Mischung, mehr Wärme von gekühlten Teilen und Energie durch die Turbine zu übertragen, größer als dasjenige der Triebwerksgasströmung, in die es injiziert wird. Beispielsweise ist die C von Luft, die etwas Wasserdampf enthält, gleich oder

P
größer als 0,24, wogegen die C von überhitztem Dampf gleich oder größer von 0,55 ist, wobei eine Mischung oder eine Kombination von den zwei den C irgendwo zwischen diesen zwei Werten verändert. Eine Veränderung dieses Potentials für die Übertragung von Wärme und Energie pro Strömungseinheit durch die Turbine ermöglicht einen Ausgleich bzw. eine Symmetrierung der Turbinen- und Verdichterströmungsdruckverhältnisse in einem bevorzugten Bereich, wenn sich die Ausgangsleistung des Triebwerks ändert oder sie anders gewählt wird.

Anstelle des Öffnens oder Schließens der eine variable Geometrie aufweisenden Kompenten, wie beispielweise der Einlaßschaufeln, Verdichterschaufeln, Turbinendüsenschaufein, Schubdüse oder deren Kombinationen, sorgt die Erfindung für eine

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Alternative. Die Injektion des oben beschriebenen Strömungsmittels wird durch eine Systemregelung als Regeleinrichtung gesteuert. Diese Regelung spricht auf Betriebsbedingungen des Triebwerks an, wie beispielsweise Strömungsdruckverhältnisse in dem Verdichter und der Turbine. Eine Steuerung dieser Strömungsinjektion schafft im wesentlichen das gleiche Ergebnis ohne Veränderung der räumlichen Geometrie der Strömungsbahny wie bei der Verstellung der Komponenten. Somit wird deutlich, daß mit der Erfindung der Betrieb des Gasturbinenwerks auf einer gewählten Ausgangsleistung gehalten werden kann, während der Wirkungsgrad des, Betriebs an diesem Punkt verändert wird, wobei die gesamte verfügbare Rückgewinnungsenergie verwendet wird, obwohl sie etwas kleiner als das Maximum sein kann. Deshalb muß der hier verwendete Begriff "bevorzugter thermischer

mit

Wirkungsgrad" nicht immer/dem maximalen thermischen Wirkungsgrad des Gasturbinentriebwerks übereinstimmen.

Figur 1 zeigt ein relativ einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Gasturbinentriebwerk des gezeigten Systems weist einen Verdichter 10, einen Brenner 12 und eine Turbine 14 auf, die betriebsmäßig in einer Reihe angeordnet sind. Bekanntlich empfängt und verdichtet der Verdichter 10 Luft, die er dann in den Brenner einführt, wo sie mit Brennstoff gemischt und gezündet wird. Die Produkte dieser Verbrennung werden in die Turbine eingeführt und expandieren durch die Turbine, die mit dem Verdichter verbunden ist und diesen antreibt. Die aus der Turbine austretende Gase werden dann verwendet, um Arbeit zu verrichten, beispielsweise um eine Leistungsturbine anzutreiben, die Schub zu Antriebszwecken liefert usw.

Erfindungsgemäß wird das relativ einfache Gasturbinentriebwerk gemäß Figur 1 zu einem System abgewandelt, das eine Systemregelung 16 aufweist, welches unter Verwendung entsprechend angeordneter Sonden und Sensoren bekannter Art Betriebsparameter abtastet, wie beispielsweise Temperaturen, Drucke und Strömungsgeschwindigkeiten in dem Triebwerk und insbesondere im'Verdichter 12 und der Turbine 14 während des Betriebs. In Figur 1 ist die Abtastung dieser Parameter im Verdichter 10 und der Tür-

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bine 14 auf entsprechende Weise durch Linien 18 und 20 gezeigt. In dem System gemäß Figur ! enthalten diese Parameter solche Werte, die den Verdichterströmungsdruckverhältnis-Bereich und den Turbinenströmungsdruckverhältnis-Bereich identifizieren. Die Systemregelung vergleicht dann die abgetasteten Parameter mit vorbestimmten Werten, wie beispielsweise den. Druckverhältnisbereichen, die aus dem Betrieb des Triebwerks in einem bevorzugten thermischen Wirkungsgradbereich resultieren. Wenn der Systemregelung 16 ein Befehl gegeben wird oder sie eine Abweichung zwischen den abgetasteten Parametern (Istwerten) und den vorgewählten Parametern (Sollwerten) ermittelt, betätigt sie ein Ventil 22, um die Strömung des Strömungsmittels von der Strömungsmitteleinspeisung 2 4 in die Turbine 14 durch eine Strömungsmitteleinführungsvorrichtung bei 26, beispielsweise eine Düse, eine Leitung, eine öffnung oder dergleichen, zu steuern, bis ein gewünschtes Gleichgewicht der Parameter, wie beispielsweise der Druckverhältnis-Bereiche, in dem Verdichter 10 und der Turbine 14 hergestellt ist. Eine derartige Abweichung der Parameter kann beispielsweise aus einer Änderung in der Wahl der Ausgangsleistung des Triebwerks resultieren, wie sie durch die Strömung von Brennstoff in den Brenner 12 gesteuert wird.

Wie vorstehend bereits beschrieben wurde, hat das Strömungsmittel aus der Strömungsmitteleinspeisung 24, das durch die Strömungsmitteleinfübungsvorrichtung 26 in die Turbine 14 eingeführt wird, eine spezifische Wärme bei konstantem Druck (C )_; die größer als der C der Strömung aus dem Brenner, die hier als Brennerausgangsströmung bezeichnet ist, in die Turbine ist. Beispielsweise kann überhitzter Dampf als Strömungsmittel einen C von mehr als dem 1,5-fachen des C von einer äquivalenten Brennerausgangsströmung haben. Die Mischung des Strömungsmittels aus der Strömungsmitteleinspeisung 24 mit der Brennerausgangsströmung resultiert als eine Funktion des C der Ausgangsströmung kombiniert mit dem C des Strömungsmittels in einem Turbinenbetriebsmedium mit dem Potential oder dem Vermögen pro Strömungseinheit, Energie durch die Turbine zu übertragen, die größer ist als eine äquivalente Strömung der Brennerausgangs-

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35H718 -jf-

strömung. Ferner wird eine sehr kleine Leistung verwendet, um die addierte Massenströmung zu verdichten/ indem beispielsweise eine Wasserpumpe verwendet wird. Unter dem Einfluß der Systemregelung 16 wird der Turbinenströmungsdruckverhältnis-Bereich auf dem Wert gehalten, der für eine vorgewählte Komponente und den gesamten thermischen Wirkungsgrad für das Triebwerk sorgt und somit dem Verdichter 10 den vorbestimmten Verdichterströmungsdruckverhältnis-Bereich gibt, für den das Triebwerk ausgelegt ist, um bei einem bevorzugten thermischen Wirkungsgrad und/oder Ausgangsleistung zu arbeiten.

Das in Figur 1 dargestellte System ist relativ einfach im Vergleich zu den fortentwickelten Systemen oder Gasturbinentriebwerken, die gegenwärtig im Betrieb oder geplant sind für einen Betrieb in Fahrzeugen zu Antriebszwecken oder als Leistungsgeneratoren verschiedener Typen. Figur 2 zeigt ein komplexeres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Das System gemäß Figur 2 enthält ein Triebwerk bzw. ein Motor mit einem Niederdruckverdichter 28, der mit einer Niederdruckturbine 30 verbunden und durch diese angetrieben ist, und einen Hochdruckverdichter 32, der mit einer Hochdruckturbine 34 verbunden und durch diese angetrieben ist. In dieser strömungsmäßigen Reihenfolge ist zwischen den Verdichtern und den Turbinen ein Brenner 36 angeordnet. Stromabwärts von der Niederdruckturbine 30 arbeitet frei eine Leistungsturbine 38, von der die Ausgangsleistung des Triebwerks abgenommen wird. Durch die Leistungsturbine 38 strömendes Abgas tritt durch ein Ausgangssystem 40 aus. Ein Gasturbinentriebwerkssystem mit mehreren Verdichtern und entsprechenden Turbinen ist in den US-Patentschriften 3 677 012 und 3 620 009 beschrieben, wobei die letztere die Beschreibung einer freien Turbine enthält.

Eine Abwandlung dieses relativ komplexen Gasturbinentriebwerksystems gemäß der Erfindung ist in Figur 2 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Strömungsmittel, das zum Ausgleich der Betriebsweisen der Verdichter und Turbinen verwendet ist,

Dampf, der aus einer Wassereinspeisung 42 erzeugt wird. Ein Zwischenkühler 46 ist in wenigstens einer Teilluftströmungsfolge des Triebwerks zwischen dem Niederdruckverdichter 28 und dem Hochdruckverdichter 32 angeordnet, und ein Abwärmetauscher 48 ist in einer wenigstens Teilabgasströmungsfolge des Triebwerks in dem Ausgangssystem 40 angeordnet. Wasser aus der Wassereinspeisung 42 wird durch ein Strömungsmxttelleitungssytem durch eine Wasserpumpeinrichtung, die eine Pumpe 44, gesteuert durch eine Strömungsmittelregeleinrichtung 68, aufweist, zunächst durch den Zwischenkühler 46 und dann durch den Abwärmetauscher 48 bewegt. In dem Abwärmetauscher 48 wird Dampf in der gewünschten Menge und im gewünschten Zustand erzeugt, wie beispielsweise als Überhitzung von der Abwärme des Triebwerks allein oderin Verbindung mit der Wärme von einem oder mehreren zusätzlichen Brennern oder Verbrennungseinrichtungen 49 in dem Ausgangssystem 40. Aus dem Abwärmetauscher 48 austretender Dampf steht in Strömungsverbindung, wie es in Figur 2 gezeigt ist, mit einem oder mehreren Ventilen, die in Kooperation mit oder unter Mithilfe der Systemregelung 66 die Dampfströmung aus dem Abwärmetauscher 48 in einen gewählten Abschnitt des Triebwerks steuern.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist das Strömungsmittelleistungssystem 43 durch den Wärmetauscher 48 in Strömungsverbindung mit einer Reihe parallel angeordneter Ventile 50, 52, 54 und 56, die die Steuerung des Strömungsmittels zu den Triebwerkspositionen des Brenners 36, der Hochdruckturbine 34 der Niederdruckturbine 30 bzw. der Leistungsturbine 38 unterstützen. Für diese Injektion von Strömungsmittel in oder in den Bereich der Triebwerkskomponenten oder Positionen sind eine Reihe von Strömungsmitteleinführungsvorrichtungen 58, 60, 62 und 64 vorgesehen,· die entsprechend aufgebaut sind für eine Strömungsmitteleinführung in den Brenner, die Hochdruckturbine, die Niederdruckturbine und die Leistungsturbine. Derartige Mittel können verschiedene Formen aufweisen, beispielsweise öffnungen, Blenden, Düsen usw.

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In dem System ist eine Systemregelung 66 enthalten, die neben anderen Funktionen den Betrieb der Stromungsmittelventile 50, 52, 54 und 56 als eine Funktion der Betriebsparameter des Triebwerks koordiniert, die durch die Systemregleung 66 in den Turbinen- und Verdichterabschnitten des Triebwerkes abgetastet werden.

Wie bereits ausgeführt wurde, stellt Figur 2 eine der komplexeren Formen der Erfindung dar. Es kann wünschenswert sein, ein einfacheres System zu betreiben, beispielsweise die in Figur gezeigte Type, in einem Triebwerk der in Figur 2 gezeigten Art. In einem derartigen Fall kann die Injektion von Strömungsmittel, wie beispielsweise Dampf, durch das Ventil 52 in die Hochdruckturbine 34 zum Ausgleichen bzw. Symmetrieren des Betriebs des Hochdruckverdichters 32 und der Hochdruckturbine 34 den thermischen Wirkungsgrad des gezeigten Triebwerks verbessern.

Im Betrieb des in Figur 2 gezeigten Systems wird Wasser aus der Wassereinspeisung 42 durch den Zwischenkühler 46 geleitet, um Wärme aus der Luft herauszuziehen, die in dem Niederdruckverdichter 28 verdichtet wird. Eine derartige Wärmeextraktion erhöht die Temperatur des durch den Zwischenkühler 46 strömenden Wassers, wodurch die Temperatur und das Volumen der in den Hochdruckverdichter 32 eintretenden Luft gesenkt wird. Eine derartige Verkleinerung der Temperatur und des Volumens der Druckluft, die zwischen dem Niederdruckverdichter 28 und dem Hochdruckverdichter 32 strömt, ermöglicht, daß der Hochdruckverdichter 32 mit einem größeren Wirkungsgrad arbeitet. Dadurch wiederum kann die Hochdruckturbine 34, die den Hochdruckverdichter 32 antreibt, so ausgelegt werden, daß sie mit einem besseren Wirkungsgrad arbeitet in bezug auf die Brennstoffmenge, die unter den gewählten Betriebsbedingungen in den Brenner 36 eingespritzt werden muß. Wasser, das durch den Zwischenkühler 46 strömt und in diesem erwärmt wird, wird weiter durch eine Hochdruck- (beispielsweise gleich dem Verdichterausgangsdruck) Wasserpumpe 44 durch ein Leitungssystem 43 in den Abwärmetausch er 48 gepumpt, der so aufgebaut ist, daß er das erwärmte Wasser in Dampf bei dem gewünschten Erwärmungs- oder Überhit-

Air

zungszustand aus dem Triebwerksabgas alleine oder in Verbindung mit Wärme von einer oder mehreren Verbrennungseinrichtungen 49 umwandelt. Diesbezüglich kann die Systemregelung 66 so adaptiert bzw. angepaßt sein, daß sie die Lufteinlaßtemperatur in dent Niederdruckverdichter 28 abtastet und den Betrieb der Wasserpumpe 44 durch die Wassersteuerung 68 einstellt und auch irgendeinen Betrieb der Verbrennungseinrichtungen 49 steuert. Für kleinere Verdichtereinlaßtemperaturen kann eine kleinere Wasserströmung erforderlich sein, um für die erforderliche Dampfmenge zu sorgen/ um den Betrieb der Turbinen- und Verdichterabschnitte des Triebwerkes ins Gleichgewicht zu bringen. Bei diesen Bedingungen können zwei Kühler vorgesehen sein: Einen, der Wasser zum Zwischenkühler, beispielsweise 46, umwälzt, wo die höchste Wassertemperatur erwünscht ist, und einen anderen, der zur Erzielung der niedrigsten·Verdichterlufttemperatur verwendet wird.

In dem Abwärmetauscher 48 erzeugter Dampf wird durch ein oder mehrere Ventile 50, 52, 54 und 56, wie es jeweils für den gewünschten Triebwerksbetrieb erforderlich ist, durch die Systemregelung 66 geleitet, die Betriebsbedingungen abtastet, wie beispielsweise Druckverhältnisse in den Verdichter- und Turbinenabschnitten des Triebwerkes. .

Die Entscheidung, ob ein oder mehrere Strömungsmittelventile und Injektionsmittel in verschiedenen Kombinationen gemäß der Erfindung verwendet werden sollen, wird durch den Triebwerkskonstrukteur oder bei dem die Abwandlung des Triebwerks vornehmenden Konstrukteur nach dem vorgesehnen Anwendungsgebiet des Triebwerks getroffen.

Beispielsweise verkleinert die Einführung von Dampf, wie er durch das Ausgangssystem erzeugt werden kann, durch das Ventil 50 und die Dampfeinführungsvorrichtung 58 in den Brenner 36 die Druckverhältnisbereiche in der Hochdruckturbine 34 und der Niederdruckturbine 30, was ein höheres Druckverhältnis in der Leistungsturbine 38 zur Folge hat. Wegen der vergrößerten Massenströmung und verbesserten Wärme- und Energieübertragung pro

AZ

Strömungseinheit in der Turbine ist die abgegebene Arbeit, die von der Leistungsturbine 38 verfügbar ist, viel größer als bei normalem Betrieb.

Figur 3 stellt ein anderes komplexeres Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. In Figur 3 ist das Strömungsmittelleitungssystem in mehrere bestimmte Leitungen unterteilt, in diesem Ausführungsbeispiel in Hoch-, Mittel- und Niederdrucklel*-tungen, · die auf entsprechende Weise mit 43H, 43M und 43L bezeichnet sind und in denen auf entsprechende Weise Ventile 51 , 53 und 55 zugeordnet sind. Der Druck in jeder Leitung des Systems ist unterschiedlich von den anderen und wird gesteuert und eingestellt durch eine Wasserregelung 68 unter der Führung der Systemregelung 66 in Abhängigkeit von dem Bereich der Einführung des Dampfes in das Triebwerk und desgleichen der .Funktion dieses Dampfes in dem Betrieb des Triebwerks. Beispielsweise kann ein derartiges System, wie es in Figur 3 gezeigt ist, aber auch wie es in Figur 2 gezeigt ist, verwendet werden, um sowohl den Triebwerksbetrieb ins Gleichgewicht zu bringen, wie es oben beschrieben wurde, als auch um Triebwerkskomponenten zu kühlen. Auf diese Weise kann unter hohem Druck stehender Dampf in das Triebwerk an der Stelle 57 stromaufwärts von dem Brenner 36 eingespritzt werden, um den Brenner und auch andere interne und stromabwärtige Komponenten des Triebwerks zu kühlen.

In einigen elektrischen Stromerzeugungseinrichtungen kann die Ausgangsleistungs durch die Generatorgröße oder den elektrischen Energiebedarf begrenzt sein. In diesen Fällen kann Dampf in das Triebwerk eingeführt bei 58 zur Steuerung der Emissionen von Stickstoffoxiden, die im allgemeinen als NO Emissionen bezeichnet werden, und bei 62 und 64, um das Triebwerk bei seiner Nenntemperatur mit verminderter Luftströmung für eine erhöhte Dampferzeugung und einem hohen thermischen Wirkungsgrad bzw. einen Spitzenwirkungsgrad bei verminderter Leistung zu betreiben. Wie vorstehend bereits beschrieben wurde, ermöglicht die Erfindung den Betrieb eines Gasturbinentriebwerkes in einem gewählten Bereich mit hohem ther-

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mischen Wirkungsgrad bei von der Nennleistung abweichenden Bedingungen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß anders als bei anderen vorgeschlagenen Dampfinjektionsystemen das Gasturbinentriebwerk gemäß der vorliegenden Erfindung auch ohne Injektion von Strömungsmittel, wie beispielsweise Dampf, betrieben werden kann. Wenn jedoch ein Triebwerk bzw. ein Motor speziell für Dampfinjektion ausgelegt worden ist, hat ein Betrieb ohne Dampf in seinem vorgesehenen Bereich mit einem thermischen Spitzenwirkungsgrad im allgemeinen eine Ausgangsleistung zur Folge, die kleiner als bei Verwendung von Dampf ist. Bei einem derartigen Betriebszustand kann ein Gleichgewicht konstruktionsbedingt zwischen den Druckverhältnisbereichen des Turbinenabschnitts und des Verdichterabschnitts existieren, und es ist keine Einführung oder Einspritzung eines externen Strömungsmittels erforderlich. Somit schafft die Erfindung die Möglichkeit, ein Gasturbinentriebwerkssystem unter verschiedenen gewählten Ausgangsleistungsbedingungen zu betreiben, wobei das Gasturbinentriebwerk durchweg bei einem hohen Wert des thermodynamischen Wirkungsgrades arbeitet. Jedoch kann jede Vergrößerung wiedergewonnener Dampfströmung verwendet werden, um den thermodynamischen Wirkungsgrad noch weiter zu erhöhen.

Luftströmung in kg/sek.
(lbs/sec)

ND-Verdichterausgangstemperatur in ⁰C ( F)

Zwischenkühler-Ausgangstemperatur in C ( F)

HD-Verdichter-Ausgangstemperatur in C ( F)

HD-Turbinen-Metalltemperatur in C ( F)

HD-Turbinen-Druckverhältnis

ND-Turbinen-Temperatur
in °C (⁰F)

ND-Turbinen-Druckverhältnis
Leistungsturbine-Druckverhältnis

Leistungsturbine-Ausgangstemperatur in ⁰C (⁰F)

Abgas-Ausgangstemperatur
in ⁰C (°F)
ι

In Dampf (% der Luftströmung)

Wellenausgangsleistung
in kW (PS)

Berechnete Daten (i) ("täglicher Standard-Betrieb")

Standard nur zwischen- zwischengekuhlte und
Grundlast gekühlt überhitzte Dampfinjektion

_{nur Injektion}

von überhitztem Dampf

130 (289)

4,6

748°C(1444) 1/44 4,1

155 (345)

(345,)

155(345)

130 (289)

1O7,8°C(226) 144°C (282) 144°C (282) 144°C (282) 107°C (226) CJI 1O7,8°C(226) 27°C (80) 27°C (80) 27°C (80) 1O7°C (226) ^

54O°C(1OO4) 374°C (705) 374°C (705) 374°C (705) 54O°c(1OO4) ,

88O°C(1615) 816°C (1500) 816°C (1500) 8 71°C (1600) 873°C(16O4) ,

3,6

873°C (1603) 1 ,56 5,9

2,4

94O°C (1725) 1/4 8,8

2/1

1O16°C(-186O) 1 ,36 11 ,2

4,3

76O°C (1400) 1 ,44 4,6

443°C (830) 427°C (800) 427 C (800) 454 C(850) 400 C(750)

443°C (830) 427°C (800)

150°C (300) 150°C (300) 15O°C(3OO)

13%

15%

13%

37540(51000) 58880(80000) 93470(127000) 121440(165000) 48575(66000)

Berechnete Daten (II)

("täglicher Standard-Betrieb")

Standard nur zwischen- zwischengekühlte und Grundlast gekühlt ' ' überhitzte Dampfinjektion

nur Injektion
von überhitztem

Thermischer Wirkungsgrad bei niedrigem Brennstoffheizwert (%)

spezifischer Brennstoffverbrauch in kg/kWh (lbs/PSh)

0,38 % 0,41 % 0,52 %

0,21(0,36) 0,20(0,34) 0,16(0,266)

0,55%
0,15(0,252)

0,45 %

0,18 (0,300)

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Die vorstehende Tabelle stellt einen berechneten Vergleich von Daten des Triebwerks gemäß dem in Figur 2 gezeigten System für vier Anordnungen dar: Ohne den Zwischenkühler; mit dem Zwischenkühler allein; mit dem Zwischenkühler, dem Abwärmetauscher und Injektion von überhitztem Dampf in den Verbrennungsbereich und die Niederdruckturbine; und mit dem Abwärmetauscher und der Injektion von überhitztem Dampf in den Brennerbereich und die Niederdruckturbine. Die Berechnungen basieren auf einem "tag- ■ liehen Standard-Betrieb" was einen Umgebungsdruck von 1 bar

absolut (14,693 pounds per square inch) und einer Temperatur von 275°C (518°F) entspricht.

Die Daten der Tabelle sollen den möglichen Vorteil der Erfindung zeigen, dargestellt durch die Anordnung mit der Kombination von Zwischenkühler und Dampfinjektion gegenüber den anderen dargestellten Anordnungen. Die in der Tabelle dargestellten Daten für die Anordnung und Beispiele gemäß der Erfindung gelten unter drei Bedingungen für Dampfinjektion in den Brennerbereich und Einlaß in die Niederdruckturbine mit deren resultierenden Parametern. Wie durch die Wellenausgangsleistung gezeigt ist, können die Anordnungen des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, dargestellt durch die Verwendung der Kombination von Zwischenkühlung und Injektion von überhitztem Dampf, die Leistung der anderen Anordnungen mehr als verdoppeln, während der thermische Wirkungsgrad vergrößert und der spezifische Brennstoffverbrauch des Triebwerks vermindert wird.

Claims

Ansprüche

Gasturbinenmotorsystem mit einem in Strömungsrichtung angeordneten Verdichter, einem Brenner, der eine gasförmige Brennerausgangsströmung erzeugt, und einer Turbine, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor bei einem bevorzugten thermischen Wirkungsgradbereich in einem vorbestimmten Verdichterdruckverhältnis-Bereich und einem vorbestimmten Turbinendruckverhältnis-Bereich arbeitet und aufweist:

a) eine Einspeisung (24) für ein Strömungsmittel mit einer spezifischen Wärme bei konstantem Druck C , die kleiner als die C der Brennerausgangsströmung ist,

b) eine Strömungsmitteleinführungsvorrichtung (26), die Strömungsmittel aus der Stromungsmitteleinspeisung (24) in den Motor einführt zum Mischen mit der Brennerausgangsströmung, um ein Turbinenarbeitsmedium zu bilden, und

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c) eine Systemregeleinrichtung (16), die die Einführung des Strömungsmittels durch die Strömungsmitteleinführungsvorrichtung (26) steuert,

i) zum Bilden des Turbinenarbeitsmediums mit einem Energieübertragungspotential für eine Strömungseinheit als eine Funktion des kombinierten C der Brennerausgangsströmung und dem C des Strömungsmittels an einer gewählten Stelle in dem Motor, das größer als das Ener- · gieübertragungspotential für eine äquivalente Strömung der Brennerausgangsströmung als eine Funktion des C der Brennerausgangsströmung alleine an der gewählten Stelle ist, und

ii) zum Aufrechterhalten der Druckverhältnisse des Verdichters und der Turbine in dem vorbestimmten Bereich im wesentlichen unabhängig von der Motorausgangsleistung.
2. Gasturbinenmotorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsmittel Dampf ist.
3. Gasturbinenenmotorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf in einem überhitzten Zustand ist.
4. Gastubinenmotorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmitteleinspeisung eine Wassereinspeisung ist und ferner Mittel, die Wärme aus dem Motor abziehen, um das Wasser aus der Wassereinspeisung in Dampf umzuwandeln, und Mittel vorgesehen sind, um den Dampf der Strömungsmitteleinführungsvorrichtung zuzuführen.
5. Gasturbinenmotorsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter viele Stufen aufweist und daß ein Zwischenkühler (46) in wenigstens einer teilweisen Motorluftströmungsfolge zwischen Stufen des Verdichters angeordnet ist und

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Wasser aus der Wassereinspeisung empfängt, ein Abwärmetauscher (48) in wenigstens einer teilweisen Motorabgasströmungsfolge angeorndet ist und Wasser aus dem Zwischenkühler empfängt und eine Wasserpumpeinrichtung (44, 68) Wasser aus der Wassereinspeisung (42) der Reihe nach zunächst durch den Zwischenkühler und dann durch den Abwärmetauscher pumpt, um den Dampf zu erzeugen, wobei die Systemregelung (16; 66) auch die Wasserströmung durch den Zwischenkühler (46) und die Dampfströmung durch den Abwärmetauscher (48) steuert.
6. Gasturbinenmotorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Verbrennungseinrichtung (49) vorgesehen ist, die zusätzliche Wärme an den Abwärmetauseher (48) liefert, wobei die Systemregelung (66) auch den Betrieb der zusätzlichen Verbrennungseinrichtung (49) steuert, um eine gewählte Menge und den Zustand des Dampfes in dem Abwärmetauscher (48) zu steuern.
7. Gasturbinenmotor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Gasturbinenmotor einen Niederdruckverdichter, einen Hochdruckverdichter, einen Brenner, eine Hochdruckturbine, eine Niederdruckturbine und ein Abgassystem enthält, wobei der Niederdruckverdichter mit der Niederdruckturbine und der Hochdruckverdichter mit der Hochdruckturbine verbunden sind und der Motor bei einem bevorzugten thermischen Wirkungsgradbereich in einem vorbestimmten Hochdruckverdichter-Druckverhältnisbereich und vorbestimmten Niederdruckverhältnisbereichen für die Hochdruckturbine und die Niederdruckturbine arbeitet, und wobei der Motor aufweist:

a) eine Wassereinspeisung,

b) einen Zwischenkühler in wenigstens einer teilweisen Luftströmungsfolge zwischen dem Niederdruckverdichter und dem Hochdruckverdichter,

c) einen Abwärmetauscher in wenigstens einer teilweisen Motorabgasfolge in dem Abgassystem,

d) ein Strömungsmittelleitungssystem, das von der Wassereinspeisung über den Zwischenkühler und über den Abwärmetauscher mit der Gaseinführungsvorrichtung verbunden ist,

e) eine Wasserpumpeinrichtung, die mit dem Strömungsmittelleitungssystem verbunden ist, um Wasser aus der Wasser-· einspeisung durch das Leitungssystem der Reihe nach zuerst durch den Zwischenkühler, um das Wasser zu erwärmen und das Volumen und die Temperatur der Ausgangsluft des Niederdruckverdichters zu kühlen bzw. zu vermindern, und dann durch den Abwärmetauscher um dem Motorabgas Wärme zu entziehen und aus dem Wasser Dampf zu erzeugen,

f) Dampfeinführungsmittel, die mit dem Strömungsmittelleitungssystem verbunden sind, zum Einführen von Dampf aus dem Abwärmetauscher in die Hochdruckturbine und/oder die Niederdruckturbine, um mit der Brennerausgangsströmung gemischt zu werden und das Turbinenbetriebsmedium aus zubilden₇ und

g) die Systemregelung (16; 66^ die mit der Wasserpumpeinrichtung und mit der Dampfeinführungsvorrichtung verbunden ist, zum Steuern der Wasserströmung durch den Zwischenkühler und der Dampfströmung durch die Dampfeinführungsvorrichtung

i) zum Versehen des Turbinenbetriebsmediums mit einem Energieübertragungspotential für eine Strömungseinheit als eine Funktion des kombinierten C der Brennerausgangsströmung und des C des Dampfes an einer gewählten Stelle in dem Motor, das größer als das Energieübertragungspotential einer äquivalenten Strömung der Brennerausgangsströmung als eine Funktion des C der Brennerausgangsströmung allein an der gewählten Stelle ist, und ii) zum Aufrechterhalten der Druckverhältnisse der Verdichter und Turbinen in dem vorbestimmten Bereich im wesentliche unabhängig von der Motorausgangsströmung.

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8. Gasturbinenmotorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Brennervorrichtung in dem Abgassystem angeordnet ist zur Lieferung zusätzlicher Wärme für den Abwärmetauscher, wobei die Systemregelung auch den Betrieb der zusätzlichen Brennervorrichtung steuert, um eine gewählte Menge und einen gewählten Zustand des Dampfes in dem Abwärmetaus eher zu erzeugen.
9. Gasturbinenmotorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasturbinenmotor eine unabhängige Leistungsturbine enthält, die zwischen der Niederdruckturbine und dem Abgassystem strömungsmäßig in Reihe angeordnet ist und die Dampfeinführungsvorrichtung Mittel enthält zum Einführen des Dampfes in wenigstens eine Maschine der Hochdruckturbine, der Niederdruckturbine und der Leistungsturbine.
10. Gasturbinenmotorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfeinführungsvorrichtung Mittel enthält zum Einführen des Dampfes in wenigstens eine der Maschine des Brennes, der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine.
11. Gasturbinenmotorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfeinführungsvorrichtung Dampf an mehreren Motorstellen einführt und das Strömungsmittelleistungssystem mehrere einzelne Leitungen aufweist, die untereinander jeweils einen unterschiedlichen Druck aufweisen.
12. Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinenmotorsystems mit einem Verdichter, einem Brenner und einer Turbine, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor bei einem bevorzugten thermischen Wirkungsgrad in einem vorbestimmten Verdichterdruckverhältnisbereich und einem vorbestimmten Turbinendruckverhältnisbereich be-

trieben wird und in den Motor ein Strömungsmittel eingeführt wird, dessen Strömung gesteuert wird, um die Verdichter- und Turbxnendruckverhältnxsse in ihren entsprechenden vorbestimmten Bereichen im wesentlichen unabhängig von der Motorausgangsleistung zu halten»
13. Verfahren nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner eine Brennerausgangsströmung erzeugt und das Strömungsmittel eine spezifische Wärme bei konstantem Druck C aufweist, die größer als der C der Brennerausgangsströmung ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet, daß als Strömungsmittel Dampf verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einführen des Strömungsmittels in den Motor eine Wassereinspeisung gebildet wird und dem Motor Wärme entzogen wird, um Wasser aus der Wassereinspeisung in Dampf umzuwandeln für eine Einführung des Dampfes in den Motor als das Strömungsmittel.