EP1896708A1

EP1896708A1 - Method for increasing aerodynamic stability of a working fluid of a compressor

Info

Publication number: EP1896708A1
Application number: EP06777314A
Authority: EP
Inventors: Sasha Savic
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2005-06-27
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2008-03-12
Also published as: US20080168761A1; US7726132B2; WO2007000390A1

Abstract

The invention relates to a method for increasing aerodynamic stability of a flow of working fluid of a compressor of a turbo machine, in particular, a compressor of a gas turbine which is used to produce a current, in particular, in relation to rapidly changing aero-rotations of the compressor. The method consists of mixing a first water mass flow with the flow of working fluid (step 107). The invention also relates to a turbomachine, in particular a gas turbine (1), wherein said type of method is used.

Description

Verfahren zur Erhöhung der aerodynamischen Stabilität einer Arbeitsfluidströmung eines Verdichters A method for increasing the aerodynamic stability of a working fluid flow of a compressor

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der aerodynamischen Stabilität einer Arbeitsfluidströmung eines Verdichters, speziell eines Verdichters einer Gasturbine, insbesondere gegenüber sich schnell ändernden Aero-Drehzahlen des Verdichters. Ferner betrifft die Erfindung eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, in der ein solches Verfahren angewendet wird.The invention relates to a method for increasing the aerodynamic stability of a working fluid flow of a compressor, especially a compressor of a gas turbine, in particular with respect to rapidly changing aerodynamic speeds of the compressor. Furthermore, the invention relates to a turbomachine, in particular a gas turbine, in which such a method is used.

Stand der TechnikState of the art

Eine besonders wichtige Anforderung an in Kraftwerksanlagen zur Stromerzeugung eingesetzte Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen, besteht darin, unter weitgehend allen auftretenden Betriebsbedingungen einen aerodynamisch stabilen Betrieb der Turbomaschine zu gewährleisten. Insbesondere ein schnelles Ansteigen der Umgebungstemperatur oder ein plötzlicher Abfall der Netzfrequenz des Stromnetzes dürfen nicht zu aerodynamischen Instabilitäten der Strömung des jeweils betreffenden Verdichters der Turbomaschine, bspw. in Form von Verdichterpumpen, führen.A particularly important requirement for turbomachines used in power plants for power generation, in particular gas turbines, is to ensure an aerodynamically stable operation of the turbomachine under substantially all operating conditions occurring. In particular, a rapid rise in the ambient temperature or a sudden drop in the mains frequency of the power network must not lead to aerodynamic instabilities of the flow of the respective compressor of the turbomachine, for example. In the form of compressor pumps.

Üblicherweise werden derartigen kritischen Betriebsbedingungen durch Regeleingriff dadurch entgegengewirkt, dass die Last der Turbomaschine durch eine schnelle Verminderung des zugeführten Brennstoffs erheblich reduziert wird. Dies führt jedoch zumeist über einen längeren Zeitraum zu einer reduzierten Leistungsabgabe der Turbomaschine, bis die Turbomaschine langsam wieder auf ihre Nennleistung hochgefahren werden kann. In vielen Fällen kann die Turbomaschine aber auch nur durch eine Not-Abschaltung vor größeren Schäden, wie diese durch ein Verdichterpumpen verursacht werden können, bewahrt werden. Dies bedeutet dann jedoch, dass die Turbomaschine über einen längeren Zeitraum vollständig ausfällt und erst in einem aufwändigen Anfahrprozess erneut hochgefahren und mit dem Stromnetz synchronisiert werden muss. Eine erneute Synchronisierung der Turbomaschine mit dem Stromnetz wird auch dann erforderlich, wenn die Turbomaschine zur Vermeidung einer aerodynamischen Instabilität kurzzeitig vom Netz entkoppelt wird. Dieser Einfluss von Umgebungstemperatur und von zur Drehzahl derUsually such critical operating conditions are counteracted by control intervention in that the load of the turbomachine is significantly reduced by a rapid reduction of the supplied fuel. However, this usually leads to a reduced power output of the turbomachine over a longer period of time, until the turbomachine can be slowly ramped up to its rated power. In many cases, the turbo machine can also be prevented only by an emergency shutdown against major damage, as they can be caused by a compressor pumps. However, this then means that the turbomachine over a longer period of time completely fails and must be restarted only in a complex startup process and synchronized with the power grid. A re-synchronization of the turbomachine with the power grid is required even if the turbomachine is temporarily decoupled from the grid to avoid aerodynamic instability. This influence of ambient temperature and the speed of the

Turbomaschine proportionaler Netzfrequenz ist in dem Parameter „Aero-Drehzahl" naero wiedergegeben:Turbocharger proportional mains frequency is reproduced in the parameter "Aero-speed" naero:

/ T ⁰'⁵ ⁿaero ^{~ n}mech ' ' Umgebung Eine Verminderung der Netzfrequenz n_mech führt ebenso wie eine Erhöhung der Umgebungstemperatur T_amb zu einer niedrigeren Aero-Drehzahl n_aero- Je niedriger die Aero-Drehzahl ist, desto geringer ist die Fähigkeit des Verdichters der Turbomaschine, die Ausbildung von aerodynamischen Instabilitäten zu unterdrücken. D.h. der Verdichter weist mit geringerer Aero-Drehzahl n_aero einen geringeren Abstand zu der den stabilen Betriebsbereich des Verdichters begrenzenden Pumpgrenze auf. Dieser Abstand zur Pumpgrenze kann als Drehzahl-Pumpgrenzabstand („Speed-Surge-Margin" = SSM) ermittelt werden, der, wie in Figur 2 in einem Verdichterkennfeld 20 als Prinzipdarstellung aufgetragen, als der horizontale Abstand des aktuellen Betriebspunktes 24 von dem Schnittpunkt der Betriebslinie 23 mit der Pumpgrenze 22 definiert ist. Ein weiterer Stabilitätsparameter stellt der sogenannte Druck-Pumpgrenzabstand („Pressure Surge Margin" = PSM) als der vertikale Abstand des aktuellen Betriebspunktes 24 zur Pumpgrenze 22 dar. Dieser Druck-Pumpgrenzabstand PSM spielt im Wesentlichen aber nur dann eine Rolle, wenn der Verdichter bei ansonsten unverändertem Betrieb auf einen höheren Lieferdruck fördern muss./ T ⁰ ' ⁵ ⁿ aero ^{~ n} mech''environment A reduction of the line frequency n _me ch as well as an increase of the ambient temperature T _a mb leads to a lower aerodynamic speed n _a ero- the lower the aerodynamic speed, the lower the ability of the turbomachinery compressor to develop aerodynamic instabilities to suppress. That is, the compressor has lower Aero-speed n _a ero a smaller distance to the stable operation range of the compressor for limiting surge limit. This distance to the pumping limit can be determined as speed-surge margin ("SSM"), which, as plotted in Figure 2 in a compressor map 20 as a schematic representation, as the horizontal distance of the current operating point 24 from the intersection of the operating line 23 is defined with the surge limit 22. A further stability parameter represents the so-called pressure surge margin (PSM) as the vertical distance of the current operating point 24 to the surge limit 22. However, this pressure surge limit PSM essentially only plays a role, if the compressor must promote to a higher delivery pressure with otherwise unchanged operation.

Die oben beschriebene Problematik der Gefahr der Ausbildung aerodynamisch instabiler Betriebszustände tritt verstärkt bei „älteren" Turbomaschinen auf, bei denen der Verdichter infolge des Betriebs eine Leistungsverschlechterung zu verzeichnen hat. Neben einer Leistungsverschlechterung führen Alterungserscheinungen auch zu einer Herabsetzung der Pumpgrenze und somit zu einer weiteren Verminderung des Drehzahl-Pumpgrenzabstands SSM. In Figur 3 sind in einem weiteren Verdichterkennfeld 20 hierzu beispielhaft dieThe problem of the danger of formation of aerodynamically unstable operating conditions described above occurs more frequently in "older" turbomachines, in which the compressor has suffered a performance deterioration as a result of the operation The speed-surge margin SSM in Figure 3 are in another compressor map 20 for this purpose, for example, the

Betriebsbereiche für eine neue und eine bereits längere Zeit im Betrieb befindliche Gasturbine dargestellt. Die Verdichter-Drehzahllinien 21a - 21g sind als relative Aero-Drehzahllinien in einem Bereich von 90% bis 105% dargestellt, wobei 100% die Nominalbetriebsdrehzahl bei ISO Umgebungsbedingungen angibt. Während die Betriebslinien 23-1 und 23-2 der beiden Gasturbinen (aufgrund unveränderter Drosselverhältnisse) deckungsgleich übereinander zu liegen kommen, ist die den stabilen Arbeitsbereich des alten Verdichters begrenzende Pumpgrenze 22-2 im Vergleich zu der für den neuen Verdichter geltenden Pumpgrenze 22-1 deutlich zu niedrigeren Druckverhältnissen hin verschoben. Entsprechend den Schnittpunkten 25-1 und 25-2 zwischen den deckungsgleichen Betriebslinien 23-1 und 23-2 und der jeweiligen Pumpgrenze 22-1 und 22-2 tritt im Falle des neuen Verdichters aerodynamische Instabilität bei der Aero-Drehzahl 21a (90%), im Falle des alten Verdichters jedoch hingegen bereits bei der Aero-Drehzahl 21 b (92,5%) auf. In Netzfrequenz des Stromnetzes und Umgebungstemperatur ausgedrückt bedeutet dies, dass bei einem Frequenzabfall des Netzes von 2,2 Hz der neue Verdichter bei einer Umgebungstemperatur von 5O⁰C die Pumpgrenze erreichen würde, der alte Verdichter hingegen bereits bei 4O⁰C.Operating areas for a new and a long time in operation located gas turbine shown. The compressor speed lines 21a-21g are shown as relative aero speed lines in a range of 90% to 105%, with 100% indicating the nominal operating speed at ISO ambient conditions. While the operating lines 23-1 and 23-2 of the two gas turbines (due to unchanged throttle ratios) come to lie congruently one above the other, the pumping limit 22-2 limiting the stable working range of the old compressor is compared to the pumping limit 22-1 applicable to the new compressor clearly shifted toward lower pressure conditions. Corresponding to the intersections 25-1 and 25-2 between the coincident operating lines 23-1 and 23-2 and the respective surge line 22-1 and 22-2, in the case of the new compressor, aerodynamic instability occurs at the aerodynamic speed 21a (90%). in the case of the old compressor, however, already at the aerodynamic speed 21 b (92.5%). In terms of grid frequency of the mains and ambient temperature means this is that with a drop in frequency of the network of 2.2 Hz, the new compressor would reach the surge limit at an ambient temperature of 5O ⁰ C, the old compressor, however, already at 4O ⁰ C.

Bekannt ist des Weiteren auch, dass bei niedrigen Aero-Drehzahlen die aerodynamische Instabilität in den vorderen Stufen des Verdichters ausgelöst wird. Die Stufenbelastung ist hier bei niedrigen Drehzahlen aufgrund des niedrigen Massendurchsatzes und der damit verbundenen Fehlanströmung der Schaufeln sehr hoch.It is also known that at low aerodynamic speeds the aerodynamic instability is triggered in the front stages of the compressor. The step load is very high here at low speeds due to the low mass flow rate and the associated Fehlanströmung the blades.

Wird eine Gasturbine zur Leistungssteigerung zusätzlich mit Wasser- oder Dampfeinspritzung in die Brennkammer betrieben, so muss der Verdichter auf einen höheren Lieferdruck fördern. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Belastung des Verdichters. Hierdurch werden sowohl der Drehzahl-Pumpgrenzabstand SSM als auch der Druck-Pumpgrenzabstand PSM vermindert.If a gas turbine is additionally operated with water or steam injection into the combustion chamber for increased performance, the compressor must promote a higher delivery pressure. This leads to a further increase in the load on the compressor. As a result, both the speed-surge margin SSM and the pressure-surge margin PSM are reduced.

Hinzu kommt, dass in jüngster Vergangenheit neben zunehmend erhöhten Umgebungstemperaturen auch Stromausfälle größeren Ausmaßes zu verzeichnen waren, die zu einer weiteren Verschärfung der Betriebsbedingungen für die zur Stromerzeugung eingesetzten Turbomaschinen führten und weiter führen werden. Eine aerodynamisch stabile Betriebsweise der Turbomaschinen unter allen Betriebsbedingungen wird hier zunehmend von zentraler Bedeutung werden.In addition, in addition to increasingly elevated ambient temperatures, power outbreaks of major proportions have recently been recorded, leading to further tightening of operating conditions for the turbomachinery used to generate power, and will continue to do so. An aerodynamically stable operation of the turbomachinery under all operating conditions will become increasingly important here.

Darstellung der Erfindung Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine nach diesem Verfahren betreibbare Turbomaschine der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermindert oder vermieden werden. Insbesondere soll durch die Erfindung ein Verfahren zur Erhöhung der aerodynamischen Stabilität einer Arbeitsfluidströmung eines Verdichters einer Turbomaschine, speziell einer Gasturbine einer Kraftwerksanlage, sowie ein nach diesem Verfahren betreibbare Turbomaschine zur Verfügung gestellt werden. Ein besonderer Aspekt stellt hierbei die Erhöhung der aerodynamischen Stabilität der Arbeitsfluidströmung des Verdichters gegenüber sich schnell ändernden Aero- Drehzahlen des Verdichters dar.The invention is therefore based on the object of specifying a method and a turbomachine of the type mentioned above which can be operated according to this method, with which the disadvantages of the prior art are reduced or avoided. In particular, a method for increasing the aerodynamic stability of a working fluid flow of a compressor of a turbomachine, especially a gas turbine of a power plant, as well as a turbo-machine operable by this method should be provided by the invention. A particular aspect here is the increase in the aerodynamic stability of the working fluid flow of the compressor with respect to rapidly changing aero speeds of the compressor.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren gemäss Anspruch 1 sowie die Turbomaschine gemäss dem nebengeordneten Vorrichtungsanspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.This object is achieved by the method according to claim 1 and the turbomachine according to the independent device claim solved. Further advantageous embodiments of the invention can be found in the subclaims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung der aerodynamischen Stabilität einer Arbeitsfluidströmung eines Verdichters einer Turbomaschine, speziell einer Gasturbine einer Kraftwerksanlage, zeichnet sich dadurch aus, dass der Arbeitsfluidströmung des Verdichters ein erster Wassermassenstrom zugemischt wird. Gemäß der Begrifflichkeit "Massenstrom" erfolgt die Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung des Verdichters kontinuierlich und nicht nur zu einem oder mehreren diskreten Zeitpunkten. Der Begriff "Wassermassenstrom" ist dem Fachmann geläufig und bezeichnet einen über einen betrachteten Zeitraum kontinuierlichen Massenstrom an flüssigem Wasser. Der Wassermassenstrom kann in dem betrachteten Zeitraum konstant sein. Er kann aber auch über der Zeit variieren. D.h. kontinuierlich bedeutet nicht, dass der Wassermassenstrom über den betrachteten Zeitraum mengenmäßig konstant bleiben muss.The inventive method for increasing the aerodynamic stability of a working fluid flow of a compressor of a turbomachine, especially a gas turbine of a power plant, is characterized in that the working fluid flow of the compressor, a first water mass flow is added. According to the terminology "mass flow", the mixing of the first mass flow of water with the working fluid flow of the compressor takes place continuously and not only at one or more discrete points in time. The term "water mass flow" is familiar to the person skilled in the art and refers to a continuous mass flow of liquid water over a period of time considered. The mass flow of water may be constant in the considered period. But he can also vary over time. That continuous does not mean that the water mass flow must remain constant over the period in question quantitatively.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich im Besonderen dazu, die aerodynamische Stabilität der Arbeitsfluidströmung des Verdichters gegenüber sich schnell ändernden Aero-Drehzahlen des Verdichters zu erhöhen. Gleichermaßen läßt sich aber auch eine Arbeitsfluidströmung, die sich bereits im Übergang in einen instabilen Betriebszustand befindet, mittels der erfindungsgemäßen Maßnahme stabilisieren. Eine solche Stabilisierung einer bereits im Übergang in einen instabilen Zustand befindlichen Arbeitsfluidströmung ist in der Formulierung des Anspruchs 1 mit umfasst.In particular, the method of the present invention is useful for increasing the aerodynamic stability of the working fluid flow of the compressor to rapidly changing aero speeds of the compressor. Equally, however, a working fluid flow which is already in transition into an unstable operating state can also be stabilized by means of the measure according to the invention. Such stabilization of a working fluid flow already in transition to an unstable state is included in the formulation of claim 1.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch die Zumischung von Wasser zu der Arbeitsfluidströmung des Verdichters längs wenigstens eines Strömungsabschnittes des Verdichters, der sich stromab der Zumischstelle erstreckt, eine Zweiphasen-Strömung bestehend aus dem Arbeitsfluid, in der Regel Luft, und dem zugemischten flüssigen Wasser in Form von Tropfen oder Tröpfchen geschaffen wird. Da die in Turbomaschinen verwendeten Verdichter in der Regel eine Vielzahl von bis zu 20 und mehr Stufen umfassen, wird es bei einer Zumischung des Wassers im vorderen Bereich des Verdichters zu einer vollständigen Verdampfung des Wassers bei der Durchströmung derThe invention is based on the recognition that by the admixture of water to the working fluid flow of the compressor along at least one flow section of the compressor, which extends downstream of the admixing point, a two-phase flow consisting of the working fluid, usually air, and the admixed liquid Water is created in the form of drops or droplets. Since the compressors used in turbomachinery usually include a variety of up to 20 and more stages, it is with a mixing of the water in the front region of the compressor to a complete evaporation of the water in the flow through the

Verdichterstufen kommen. In dem Bereich von der Zumischung bis zur vollständigen Verdampfung, der sich üblicherweise über etwa 5 - 8 Stufen erstreckt, arbeitet der Verdichter aufgrund der Zumischung des Wassermassenstroms in einem sogenannten „nassen Modus", d.h. der Verdichter verdichtet hier eine 2-Phasen- Strömung. Aufgrund dessen unterscheidet sich das Fluidverhalten der hier auftretenden 2-Phasen-Strömung auch grundlegend von dem Fluidverhalten einer "trockenen" Arbeitsfluidströmung ohne Zumischung von Wasser. Generell führt die Zumischung eines Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung eines Verdichters zu einer Entlastung („De-Ioading") der unmittelbar der Zumischstelle nachfolgenden Verdichterstufen. D.h. diese Verdichterstufen müssen geringere Verdichtungstemperaturen und Verdichtungsdrücke erbringen, als dies ohne die Zumischung des Wassermassenstroms der Fall wäre. Der geringere Verdichtungsdruck innerhalb dieser Stufen ist in einem Drosselungseffekt der zugemischten Wassertropfen auf die Arbeitsfluidströmung, in der Regel Luft, begründet. Die geringere Verdichtungstemperaturen wiederum sind einerseits auf die Verdampfung der Wassertropfen zurückzuführen als auch andererseits auf die verminderten Verdichtungsdrücke. Umgekehrt werden die weiter stromab angeordneten Verdichterstufen höher belastet, da diese den geringeren Druckaufbau über die unmittelbar der Zumischung nachfolgenden Stufen bei unverändertem Lieferdruck des Verdichters wieder wett machen müssen.Compressor stages come. In the range from admixing to complete evaporation, which usually extends over about 5-8 stages, the compressor operates in a so-called "wet mode" due to the mixing of the mass flow of water, ie the compressor here compresses a 2-phase Flow. Because of this, the fluid behavior of the 2-phase flow occurring here also differs fundamentally from the fluid behavior of a "dry" working fluid flow without admixture of water. In general, the admixing of a water mass flow to the working fluid flow of a compressor leads to a discharge of the compressor stages directly following the admixing point, ie these compressor stages must produce lower compression temperatures and compression pressures than would be the case without the admixture of the mass flow of water The lower compression pressure within these stages is due to a throttling effect of the admixed water droplets on the working fluid flow, usually air.The lower compression temperatures, in turn, are due to the evaporation of the water droplets as well as the reduced compression pressures loaded higher, as these have to make up for the lower pressure build-up on the immediately following the admixing stages with unchanged delivery pressure of the compressor again.

Je mehr Wasser der Arbeitsfluidströmung zugemischt wird, desto stärker ist der Effekt der Verdichtungsdruckminderung in dem auf die Zumischstelle folgenden Bereich und damit die aerodynamische Entlastung dieses Bereichs sowie derThe more water is added to the working fluid flow, the stronger the effect of the compression pressure reduction in the following area on the admixing point and thus the aerodynamic relief of this area and the

Zugewinn an aerodynamischer Stabilitätsreserve ausgeprägt. (Dies gilt zumindest für solche Mengen von Wasser, bei denen das flüssige Wasser noch innerhalb des Verdichters vollständig verdampft.) Es zeigte sich, dass mengenmäßig ein Wassermassenstrom zwischen 0,2% und 1% der Arbeitsfluidströmung ausreichend ist, um eine deutliche Verbesserung des Drehzahl-Pumpgrenzabstands SSM zu erzielen. In Versuchen konnte bei 1% Wasserzugabe eine Verbesserung des Drehzahl-Pumpgrenzabstands SSM um 3% festgestellt werden. Zumeist wird ein Massendurchsatz des ersten Wassermassenstroms zwischen 0,3% und 0,6% des Massendurchsatzes der Arbeitsfluidströmung hinreichend sein.Increased aerodynamic stability reserve pronounced. (This is true at least for those amounts of water where the liquid water still completely evaporates within the compressor.) It has been shown that quantitatively a mass flow of water between 0.2% and 1% of the working fluid flow is sufficient to significantly improve the speed Pumping margin SSM. In experiments, with 1% water addition, an improvement of the speed-surge margin SSM could be determined by 3%. In most cases, a mass flow rate of the first mass flow of water between 0.3% and 0.6% of the mass flow rate of the working fluid flow will be sufficient.

Aufgrund dieses veränderten Druck- und Temperaturaufbaus innerhalb des Verdichters und der durch die Zumischung von flüssigem Wasser erzielte aerodynamische Entlastung der der Zumischstelle nachfolgenden Verdichterstufen ergibt sich, wie in Figur 6 dargestellt, bei ansonsten unveränderten Strömungs- und Betriebsbedingungen des Verdichters ein vergrößerter Drehzahl-Pumpgrenzabstand SSMfeucht im Vergleich zu der trockenen Arbeitsfluidströmung (SSMtrocken)- Demgegenüber wird der Druck-Pumpgrenzabstand PSM aufgrund der höheren aerodynamischen Belastung der letzten Stufe und/oder der letzten Stufen des Verdichters vermindert (PSMf_eucht im Vergleich zu PSMtrocken)- Es stellte sich jedoch überraschend heraus, dass im Falle eines stromnetzseitig hervorgerufenen Drehzahlsprungs des Verdichters sowie auch im Falle der Erhöhung der Umgebungstemperatur der aerodynamisch stabile Arbeitsbereich des Verdichters maßgeblich durch den Drehzahl-Pumpgrenzabstand SSM begrenzt wird. Der Druck-Pumpgrenzabstand PSM spielt hierbei eine untergeordnete Rolle. Weiterhin zeigte es sich in Untersuchungen des Erfinders, dass sich in Bezug auf plötzliche Lasterhöhungen der Turbomaschine sowie in Bezug auf Erhöhungen der Umgebungstemperatur durch ein Vergrößern des Drehzahl-Pumpgrenzabstands SSM ein in erheblichem Maße erweiterter Betriebsbereich des Verdichters und somit der gesamten Turbomaschine erzielen lässt.As a result of this changed pressure and temperature build-up within the compressor and the aerodynamic relief of the mixing stages following the admixing point, as shown in FIG. 6, an enlarged speed-pumping limit distance SSMWhen there are otherwise unchanged flow and operating conditions of the compressor in comparison to the dry working fluid flow (SSM dry) - In contrast, the pressure-surge margin PSM due to the higher aerodynamic load of the last stage and / or the last stages of the compressor reduced (PSMf _eu cht compared to PSMtrocken) - It turned out, however, surprisingly that in the case of a power-side induced speed jump of the compressor as well as in the case of increasing the ambient temperature of the aerodynamic stable working range of the compressor is significantly limited by the speed-surge margin SSM. The pressure-surge limit distance PSM plays a minor role here. Further, in the inventor's research, it has been found that with respect to sudden increases in turbocharger load, as well as ambient temperature increases, increasing the speed surge margin SSM can significantly increase the operating range of the compressor and thus the entire turbomachine.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung des Verdichters während des fortlaufenden Betriebs der Turbomaschine begonnen. D.h. der Betrieb der Turbomaschine erfolgt zunächst in üblicher weise ohne Zumischung eines Wassermassenstroms zu dem Arbeitsfluidstrom. Die Zumischung des Wassermassenstroms wird erst zu einem späteren Zeitpunkt bedarfsweise gestartet.According to a preferred embodiment, the mixing of the first mass flow of water with the working fluid flow of the compressor is started during the continuous operation of the turbomachine. That The operation of the turbomachine is initially carried out in the usual manner without admixture of a water mass flow to the working fluid flow. The admixture of the water mass flow is only started as needed later.

Zweckmäßig ist die kontinuierliche Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung zu beginnen, sobald eine aktuelle Verdichterdrehzahl einen Verdichterdrehzahl-Grenzwert unterschreitet. Der Verdichterdrehzahl-Grenzwert ist abgeleitet aus der nominellen Verdichterdrehzahl vermindert um einen betriebspunktabhängigen Grenzdeltawert. Die nominelle Verdichterdrehzahl wiederum ist abgeleitet aus dem jeweiligen nominellen Betriebspunkt des Verdichters, der einen ungestörten Betrieb der Turbomaschine bei Referenzumgebungsbedingungen voraussetzt. Wird der Turbomaschine jedoch beispielsweise von einem externen Stromnetz, mit dem die zur Stromerzeugung genutzte Turbomaschine elektrisch verbunden ist, eine höhere Last als dieIt is expedient to start the continuous admixing of the first water mass flow to the working fluid flow as soon as a current compressor speed falls below a compressor speed limit value. The compressor speed limit is derived from the nominal compressor speed minus an operating point dependent threshold delta value. The nominal compressor speed, in turn, is derived from the respective nominal operating point of the compressor, which requires undisturbed operation of the turbomachine at reference ambient conditions. However, if the turbo engine is, for example, from an external power grid, with which the turbomachinery used for power generation is electrically connected, a higher load than the

Nominallast aufgeprägt, so sinkt die Verdichterdrehzahl entsprechend der Zunahme der Last unter die nominelle Verdichterdrehzahl. Dieses Absinken der Verdichterdrehzahl kann bei einem Lastsprung sehr abrupt in Form eines Drehzahlsprungs erfolgen. Die kontinuierliche Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu derNominal load impressed, so the compressor speed decreases according to the increase of the load below the nominal compressor speed. This decrease in the compressor speed can be done very abruptly in the form of a speed jump at a load jump. The continuous admixture of the first water mass flow to the

Arbeitsfluidströmung wird dann begonnen, sobald die aktuelle Verdichterdrehzahl die nominelle Verdichterdrehzahl um den Grenzdeltawert unterschreitet. Es zeigte sich hierbei, dass sich durch die Einbringung des Wassermassenstroms in die Arbeitsfluidströmung des Verdichters der Drehzahl-Pumpgrenzabstand SSM hinreichend und schnell genug vergrößern lässt, um der Ausbildung einer Instabilität der Arbeitsfluidströmung im Verdichter, insbesondere der Ausbildung von Pumpen, wirkungsvoll entgegenzuwirken. Die Arbeitsfluidströmung lässt sich somit wirkungsvoll auch bei bereits einsetzender Strömungsinstabilität stabilisieren. Der Verdichterdrehzahl-Grenzwert, bei dessen Unerschreiten die Zumischung gestartet wird, bzw. der Grenzdeltawert ist in Abhängigkeit des Verdichters sowie in Abhängigkeit weiterer, externer Randbedingungen, wie z.B. der Wahrscheinlichkeit des Auftretens weiterer Drehzahlverminderungen, festzulegen. Es empfiehlt sich, einen Drehzahl-Pumpgrenzabstand von etwa einem Drittel des nominellen Drehzahl- Pumpgrenzabstands nicht zu unterschreiten.Working fluid flow is then initiated as soon as the current compressor speed falls below the nominal compressor speed by the threshold delta value. It was found here that the introduction of the mass flow of water into the working fluid flow of the compressor, the speed-surge margin SSM sufficiently and quickly enough to effectively counteract the formation of instability of the working fluid flow in the compressor, in particular the formation of pumps. The working fluid flow can thus be stabilized effectively even with already starting flow instability. The compressor speed limit, at the end of which the admixing is started, or the limit delta value is to be determined as a function of the compressor and as a function of further, external boundary conditions, such as the probability of occurrence of further speed reductions. It is recommended not to fall below a speed-pumping limit of about one third of the nominal speed-pumping margin.

In vielen Anwendungsfällen wird es aber auch zweckmäßig sein, die kontinuierliche Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung dann zu beginnen, sobald eine aktuelle Umgebungstemperatur einen Umgebungstemperatur- Grenzwert überschreitet. Hierdurch lässt sich verhindern, dass sich infolge einer zu hohen Umgebungstemperatur eine instabile Strömung des Arbeitsfluids in dem Verdichter der Turbomaschine ausbildet.In many applications, however, it will also be expedient to then begin the continuous admixing of the first water mass flow to the working fluid flow as soon as an actual ambient temperature exceeds an ambient temperature limit value. This makes it possible to prevent an unstable flow of the working fluid from forming in the compressor of the turbomachine as a result of an excessively high ambient temperature.

Sind für eine Turbomaschine sowohl plötzliche Erhöhungen der Last als auch erhöhte Umgebungstemperaturen nicht auszuschließen, so ist eine Überwachung der Aero-Drehzahl besonders zweckmäßig. Hierbei werden die beiden oben angeführten Kriterien der maximal zulässigen Abweichung der Verdichterdrehzahl sowie der maximal zulässigen Abweichung der Umgebungstemperatur in Kombination miteinander als Startbedingung für das Starten der Zumischung des ersten Wassermassenstroms angewendet, wobei Verdichterdrehzahl undIf for a turbomachine both sudden increases in load and elevated ambient temperatures can not be ruled out, monitoring the aerodynamic speed is particularly expedient. Here, the two above-mentioned criteria of the maximum allowable deviation of the compressor speed and the maximum allowable deviation of the ambient temperature in combination with each other are used as a starting condition for starting the admixing of the first water mass flow, wherein compressor speed and

Umgebungstemperatur entsprechend der Definition der Aero-Drehzahl zueinander ins Verhältnis gesetzt werden. Die kontinuierliche Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung wird begonnen, sobald die aktuelle Aero-Drehzahl des Verdichters einen Aero-Drehzahl-Grenzwert unterschreitet.Ambient temperature according to the definition of the aero speed to each other in proportion. Continuous mixing of the first water mass flow to the working fluid flow is begun as soon as the current aero speed of the compressor falls below an aerodynamic speed limit.

Wird die Zumischung des ersten Wassermassenstroms nur im Bedarfsfall gestartet, so ist es zweckmäßig, die kontinuierliche Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung auch wieder zu beenden, sobald die aktuelle Verdichterdrehzahl den Verdichterdrehzahl-Grenzwert um einenIf the admixture of the first water mass flow is started only when required, it is expedient to terminate the continuous admixing of the first water mass flow to the working fluid flow again as soon as the current compressor speed limits the compressor speed limit by one

Drehzahldeltawert überscheitet und/oder die aktuelle Umgebungstemperatur den Umgebungstemperatur-Grenzwert um einen Temperaturdeltawert unterschreitet und/oder die aktuelle Aero-Drehzahl den Aero-Drehzahl-Grenzwert um einen Aero- Drehzahldeltawert überschreitet. Die jeweiligen Deltawerte sind abhängig von dem jeweiligen Verdichter und individuell festzulegen. Zur Vermeidung von Schwingungen der Regelung um den jeweiligen Grenzwert sollten die Deltawerte ungleich Null sein.The speed delta value is exceeded and / or the current ambient temperature falls below the ambient temperature limit value by a temperature delta value and / or the current aero speed exceeds the aero speed limit value by an aerodynamic speed delta value. The respective delta values are dependent on the respective compressor and individually set. To avoid oscillation of the control by the respective limit, the delta values should be nonzero.

So kann es für eine zur Stromerzeugung genutzten, stationär betriebenen Turbomaschine, bei der die Umgebungstemperatur üblicherweise zwischen 1O⁰C und 3O⁰C liegt, beispielsweise zweckmäßig sein, für den Temperaturgrenzwert, bei dem die Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung gestartet wird, einen Wert zwischen 4O⁰C und 45⁰C, bspw. 4O⁰C, zu wählen und für den Temperaturgrenzwert, bei dem die Zumischung wieder beendet wird, einen Wert zwischen 35⁰C und 40°C, bspw. 38⁰C.Thus, it can used for power generation, stationary powered turbo machine in which the ambient temperature is usually between 1O ⁰ C and 3O ⁰ C, for example, be useful where for the temperature limit, the admixing of the first water mass flow is started to the working fluid flow, a Value between 4O ⁰ C and 45 ⁰ C, for example. 4O ⁰ C, to choose and for the temperature limit at which the admixture is terminated again, a value between 35 ⁰ C and 40 ° C, for example 38 ⁰ C.

Zur Erhöhung der Effektivität des Verfahrens ist es des Weiteren von Vorteil, den ersten Wassermassenstrom in Abhängigkeit der Abweichung der aktuellen Verdichterdrehzahl von dem Verdichterdrehzahl-Grenzwert und/oder der Abweichung der aktuellen Umgebungstemperatur von dem Temperaturgrenzwert und/oder der Abweichung der aktuellen Aero-Drehzahl von dem unteren Aero- Drehzahl-Grenzwert zu bemessen. Der Wassermassenstrom kann hierbei bis zu mehreren Prozent des Massenstroms des Arbeitsfluids betragen, wobei der Effekt der Entlastung der vorderen Verdichterstufen - und somit der Zugewinn an Drehzahl- Pumpgrenzabstand SSM - bei gleichzeitig erhöhter Belastung der hinteren Verdichterstufe(n) - und somit Verlust an Druck-Pumpgrenzabstand PSM - mit zunehmendem Wassermassenstrom verstärkt wird.To increase the effectiveness of the method, it is further advantageous, the first water mass flow as a function of the deviation of the current compressor speed of the compressor speed limit and / or the deviation of the current ambient temperature of the temperature limit and / or the deviation of the current aero speed of the lower aero speed limit. The mass flow of water may be up to several percent of the mass flow of the working fluid, the effect of the discharge of the front compressor stages - and thus the gain at speed - surge margin SSM - at the same time increased load on the rear compressor stage (s) - and thus loss of pressure Surge margin PSM - is amplified with increasing water mass flow.

Alternativ zu einer bedarfsweisen Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung kann es aber auch zweckmäßig sein, den erstenAs an alternative to an admixing of the first water mass flow to the working fluid flow as required, it may also be expedient to use the first

Wassermassenstrom der Arbeitsfluidströmung während der gesamten Betriebsdauer der Turbomaschine kontinuierlich zuzumischen. Diese über die gesamte Betriebsdauer andauernde Zumischung eignet sich insbesondere für bereits länger im Betrieb befindliche Turbomaschinen bzw. Verdichter, die alterungsbedingt einen dauerhaft verschlechterten Pumpgrenzverlauf mit geringeren Druckverhältnissen und somit geringeren Stabilitätsreserven aufweisen. Durch die Zumischung von Wasser zu der Verdichterströmung läßt sich der für den Drehzahl- Pumpgrenzabstand SSM relevante Pumpgrenzverlauf wieder hin zu höheren Druckverhältnissen verschieben, so dass ein stabiler Betrieb des Verdichters mit hinreichender Stabilitätsreserve möglich ist, ohne die Turbomaschine bzw. den Verdichter überholen zu müssen. Auch hierbei kann die Menge an erstem Wassermassenstrom bedarfsabhängig über der Zeit variieren oder auch konstant gehalten werden. Es kann aber auch zweckmäßig sein, eine Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung des Verdichters während des Start- und Hochlaufvorgangs einer Turbomaschine vorzunehmen, um so die Arbeitsfluidströmung während des Startvorgangs zusätzlich aerodynamisch zu stabilisieren. Nach erfolgtem Hochlauf der Turbomaschine und/oder sobald ein hinreichender Drehzahl-Pumpgrenzabstand SSM erreicht ist, kann dann die Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung des Verdichters wieder beendet werden.Water mass flow of the working fluid flow continuously mix throughout the operating time of the turbomachine. This admixture, which continues over the entire service life, is particularly suitable for turbomachines or compressors which have already been in operation for a relatively long time and which, due to aging, have a permanently impaired surge boundary course with lower pressure ratios and thus lower stability reserves. By adding water to the compressor flow, the relevant for the speed-surge margin SSM pumping limit can be shifted back to higher pressure conditions, so that a stable operation of the compressor with sufficient stability reserve is possible without having to overtake the turbomachine or the compressor. Again, the amount of first mass flow of water may vary depending on demand over time or kept constant. However, it may also be expedient to carry out an admixing of the first water mass flow to the working fluid flow of the compressor during the startup and startup process of a turbomachine so as to additionally aerodynamically stabilize the working fluid flow during the starting process. After the start-up of the turbomachine and / or as soon as a sufficient speed-surge margin SSM is reached, then the mixing of the first water mass flow to the working fluid flow of the compressor can be stopped again.

Vorzugsweise wird der erste Wassermassenstrom gleichmäßig über den Umfang des Verdichters verteilt oder näherungsweise gleichmäßig über den Umfang des Verdichters verteilt der Arbeitsfluidströmung zugemischt. Eine über den Umfang des Verdichters ungleichmäßige Zumischung des ersten Wassermassenstroms würde zu einem über den Umfang des Verdichters ungleichmäßigen Strömungsprofil der Arbeitsfluidströmung stromab der Zumischstelle führen.Preferably, the first mass flow of water is distributed evenly over the circumference of the compressor or mixed approximately uniformly distributed over the circumference of the compressor of the working fluid flow. A non-uniform admixing of the first mass flow of water over the circumference of the compressor would lead to a non-uniform flow profile of the working fluid flow downstream of the admixing point over the circumference of the compressor.

Weiterhin ist es zweckmäßig, den ersten Wassermassenstrom der Arbeitsfluidströmung durch Verdüsung zuzumischen. Hierfür geeignete Düsen zur Verdüsung des ersten Wassermassenstroms sind dem Fachmann geläufig. Mittels der Verdüsung wird der Wassermassenstrom in feine und feinste Tröpfchen zerteilt und kann dadurch in der Arbeitsfluidströmung schnell verdampfen. Hierdurch wird eine unmittelbare Wirksamkeit der Wassereindüsung bereits an der Stelle erzielt, an der das Wasser in die Arbeitsfluidströmung eingedüst wird.Furthermore, it is expedient to mix in the first water mass flow of the working fluid flow by atomization. Suitable nozzles for atomizing the first mass flow of water are known to those skilled in the art. By means of the atomization, the water mass flow is divided into fine and very fine droplets and can thereby rapidly evaporate in the working fluid flow. As a result, an immediate effectiveness of the injection of water is already achieved at the point at which the water is injected into the working fluid flow.

Vorzugsweise wird wenigstens ein Teil des ersten Wassermassenstroms der Arbeitsfluidströmung stromauf des Eintritts der Arbeitsfluidströmung in den Verdichter zugemischt. In vielen Anwendungsfällen wird es zweckmäßig sein, den gesamten ersten Wassermassenstrom stromauf des Eintritts in den Verdichter der Arbeitsfluidströmung zuzumischen, um so die vorderen Stufen des Verdichters zu entlasten.Preferably, at least a portion of the first water mass flow is admixed with the working fluid flow upstream of the entrance of the working fluid flow into the compressor. In many applications, it will be desirable to mix the entire first mass flow of water upstream of the inlet into the compressor of the working fluid flow so as to relieve the front stages of the compressor.

Bei mehrstufigen Verdichter kann es aber auch von Vorteil sein, wenigstens einen Teil des ersten Wassermassenstroms der Arbeitsfluidströmung in einer Verdichterstufe stromab der ersten Verdichterstufe des Verdichters zuzumischen. Der Ort der Zumischung des Teils des ersten Wassermassenstroms hängt von der Stufenbelastung der Verdichters ab und sollte in einem Bereich unmittelbar stromauf der am höchsten belasteten Verdichterstufe bis etwa drei Verdichterstufen stromauf der am höchsten belasteten Verdichterstufe erfolgen, um so die am höchsten belastete Verdichterstufe wirksam zu entlasten („Deloading"). Die Bestimmung der Belastungsverteilung ist dem Fachmann bekannt. Zu beachten ist hierbei lediglich, dass die Zumischung des ersten Wassermassenstroms über etwa 6 - 8 Verdichterstufen wirksam ist. Stromab der etwa 6 - 8 Verdichterstufen ist der zugeführte Wassermassenstrom üblicherweise verdampft, so dass hier keine aerodynamische Entlastung der nachfolgenden Verdichterstufen mehr erfolgt.In the case of multistage compressors, however, it may also be advantageous to mix at least part of the first water mass flow of the working fluid flow in a compressor stage downstream of the first compressor stage of the compressor. The location of admixing the portion of the first mass flow of water is dependent on the step load of the compressor and should be in an area immediately upstream of the highest loaded compressor stage to about three compressor stages upstream of the highest loaded compressor stage so as to effectively unload the most heavily loaded compressor stage ("Deloading"). The provision of Load distribution is known in the art. It should be noted here that the admixing of the first mass flow of water is effective over approximately 6 to 8 compressor stages. Downstream of the approximately 6 to 8 compressor stages, the supplied water mass flow is usually vaporized, so that no aerodynamic relief of the subsequent compressor stages takes place here.

Dem Fachmann ist bekannt, zur temporären oder auch zur permanenten Erhöhung der Leistung einer Gasturbine der Arbeitsfluidströmung dieser Gasturbine Wasser in der Brennkammer zuzugeben. Im Rahmen der Erfindung kann es hier auch zweckmäßig sein, zur Erhöhung der Leistung der betrachteten Turbomaschine eine solche Zumischung eines zweiten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung der Turbomaschine im Bereich der Brennkammer mit der Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung zu koppeln. Diese Zumischungen der beiden Wassermassenströme können zeitgleich erfolgen. Üblicherweise wird die zur Erhöhung der Leistung der Turbomaschine dienende Zumischung des zweiten Wassermassenstroms in die Brennkammer dauerhaft oder zumindest über einen längeren Zeitraum betrieben, wohingegen die Zumischung des ersten Wassermassenstroms in den Bereich des Verdichters über einen kürzeren Zeitraum erfolgen kann. Eine solche gleichzeitige Zumischung beider Wassermassenströme führt jedoch zu einer sehr hohen Belastung der hinteren Stufe oder der hinteren Stufen des Verdichters. Diese Belastung der hinteren Stufe(n) des Verdichters sowie auch der sich hieraus ergebende Druck-Pumpgrenzabstand PSM sollte dann genau ermittelt werden, um einen Strömungsabriss aufgrund zu hoher Druckbelastung in den hinteren Stufe(n) des Verdichters zu vermeiden.The person skilled in the art is known to add water in the combustion chamber for temporary or permanent increase of the power of a gas turbine of the working fluid flow of this gas turbine. In the context of the invention, it may also be expedient here to couple such an admixture of a second water mass flow to the working fluid flow of the turbomachine in the region of the combustion chamber with the admixture of the first water mass flow to the working fluid flow to increase the performance of the considered turbomachine. These admixtures of the two water mass flows can take place at the same time. Usually, the mixing of the second mass flow of water into the combustion chamber serving to increase the power of the turbomachine is operated permanently or at least over a relatively long period of time, whereas the admixing of the first mass flow of water into the region of the compressor can take place over a shorter period of time. However, such a simultaneous admixture of both water mass flows leads to a very high load on the rear stage or the rear stages of the compressor. This load on the rear stage (s) of the compressor as well as the resulting pressure surge margin PSM should then be accurately determined to avoid stalling due to excessive pressure loading in the rear stage (s) of the compressor.

Daher wird es oftmals zweckmäßig sein, den zweiten Wassermassenstrom zeitgleich mit dem Beginn der Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung wenigstens um einen Anteil zu vermindern. Zweckmäßig wird hierzu der verminderte Anteil des zweiten Wassermassenstroms teilweise oder vollständig als erster Wassermassenstrom genutzt und der Arbeitsfluidströmung zugemischt, wodurch nur eine gemeinsame Bereitstellung von Wasser für beide Wassermassenströme erforderlich ist. Apparatetechnisch ist dies über eine geregelte Abzweigung in der Zuführleitung realisierbar. In vielen Anwendungsfällen wird jedoch die Zumischung der beiden Wassermassenströme zeitlich versetzt zueinander erfolgen.Therefore, it will often be expedient to reduce the second mass flow of water at least by a portion at the same time as the beginning of the admixing of the first mass flow of water with the working fluid flow. For this purpose, the reduced proportion of the second mass flow of water is expediently used, in part or in full, as the first mass flow of water and admixed with the working fluid flow, whereby only one joint supply of water is required for both mass flows of water. This is technically feasible via a regulated branch in the supply line. In many applications, however, the admixture of the two masses of water mass will take place offset in time.

In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine einer Kraftwerksanlage, mit einem Verdichter, einer Brennkammer und einer mit dem Verdichter antriebsverbundenen Turbine zur Verfügung. Im Betrieb der Turbomaschine durchströmt eine Arbeitsfluidströmung längs eines Strömungspfads nacheinander Verdichter, Brennkammer und Turbine. Weiterhin umfasst die Turbomaschine eine Zu misch Vorrichtung zur Zumischung eines ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung gemäß dem oben beschriebenen Verfahren, um so die aerodynamische Stabilität der durch den Verdichter strömenden Arbeitsfluidströmung zu erhöhen. Die hiermit erzielbaren Vorteile sowie weitere Ausgestaltungen entsprechen den oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren getätigten Ausführungen.In a further aspect, the invention provides a turbomachine, in particular a gas turbine of a power plant, with a compressor, a combustion chamber and a turbine drivingly connected to the compressor. in the Operation of the turbomachine flows through a flow of working fluid along a flow path successively compressor, combustion chamber and turbine. Furthermore, the turbomachine includes a mixing device for mixing a first water mass flow to the working fluid flow according to the method described above, so as to increase the aerodynamic stability of the flowing through the compressor working fluid flow. The achievable advantages and further refinements correspond to the statements made above in connection with the method according to the invention.

Zweckmäßig mündet die Zumischvorrichtung stromauf des Verdichters in den Strömungspfad ein, so dass die Arbeitsfluidströmung bereits beim Eintritt in den Verdichter mit Wasser durchsetzt ist. Durch eine solche Anordnung der Zumischvorrichtung stromauf des Verdichters lässt sich sicherstellen, dass die Arbeitsfluidströmung innerhalb der ersten Stufen des Verdichters infolge der Wasserzumischung aerodynamisch entlastet wird und dadurch eine erhöhte aerodynamische Stabilität aufweist.Suitably, the admixing device opens into the flow path upstream of the compressor, so that the working fluid flow is already permeated with water when it enters the compressor. Such an arrangement of the admixing device upstream of the compressor makes it possible to ensure that the working fluid flow within the first stages of the compressor is aerodynamically relieved as a result of the admixing of water and thus has an increased aerodynamic stability.

Im Falle eines mehrstufig ausgeführten Verdichters kann die Zumischvorrichtung aber auch in einem Bereich einer der ersten Verdichterstufe nachfolgenden Verdichterstufe in den Strömungspfad einmünden. Wird Wasser über die in dieser Weise angeordnete Zumischvorrichtung zugeführt, so wird hierüber eine Entlastung der stromab der Zumischvorrichtung angeordneten Verdichterstufen erzielt. Eine solche Anordnung der Zumischvorrichtung stromab der ersten Verdichterstufe spielt insbesondere bei Verdichtern mit einer Vielzahl von Verdichterstufen, beispielsweise 20 und mehr Verdichterstufen, eine Rolle, da ein vor der ersten Verdichterstufe zugeführter Wassermassenstrom nach etwa 8-10 Verdichterstufen verdampft ist und somit mittels einer Zuführung des Wassermassenstroms ausschließlich stromauf der ersten Verdichterstufe keine aerodynamische Entlastung der Verdichterstufen stromab etwa der 10-ten Verdichterstufe erzielbar wäre.In the case of a multistage compressor, however, the admixing device can also open into the flow path in a region of a compressor stage following the first compressor stage. If water is supplied via the admixing device arranged in this way, a relief of the compressor stages arranged downstream of the admixing device is achieved. Such an arrangement of the admixing device downstream of the first compressor stage plays a role in particular in compressors having a plurality of compressor stages, for example 20 and more compressor stages, since a water mass flow supplied before the first compressor stage is evaporated after about 8-10 compressor stages and thus by means of a supply of the Water mass flow only upstream of the first compressor stage no aerodynamic relief of the compressor stages could be achieved downstream of about the 10th compressor stage.

Die Zumischung des Wassermassenstroms erfolgt zweckmäßig durch Verdüsung. Zur Verdüsung von Wasser geeignete Düsen sind dem Fachmann bekannt. Zweckmäßig umfasst die Zumischvorrichtung wenigstens einen Düsenring und/oder wenigstens einen Düsenrechen, die jeweils eine Mehrzahl von Düsen umfassen.The admixing of the water mass flow is expediently carried out by atomization. Nozzles suitable for atomizing water are known to the person skilled in the art. Suitably, the admixing device comprises at least one nozzle ring and / or at least one nozzle rake, each of which comprises a plurality of nozzles.

Ferner umfasst die Turbomaschine zweckmäßig eine Regelungsvorrichtung, mittels der die Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung gemäß dem oben beschriebenen Verfahren geregelt wird. Insbesondere obliegt der Regelungsvorrichtung das Erkennen stabilitätskritischer Betriebszustände und aerodynamisch kritischer Belastungszustände des Verdichters anhand der oben aufgeführten Kriterien aerodynamische Belastung und/oder Umgebungstemperatur und/oder Aero-Drehzahl, das Zuregeln und Abregein des ersten Wassermassenstroms sowie gegebenenfalls die Mengenregulierung des ersten Wassermassenstroms.Furthermore, the turbomachine expediently comprises a control device by means of which the admixing of the first water mass flow to the working fluid flow is regulated in accordance with the method described above. In particular, the control device is responsible for recognizing stability-critical operating states and Aerodynamically critical load conditions of the compressor based on the criteria listed above aerodynamic load and / or ambient temperature and / or aerodynamic speed, the regulation and Abregein the first water mass flow and optionally the flow control of the first water mass flow.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren illustrierten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments illustrated in the figures. Show it:

Figur 1 eine Gasturbine in schematisierter Darstellung;Figure 1 shows a gas turbine in a schematic representation;

Figur 2 in einer Prinzipdarstellung ein Verdichterkennfeld; Figur 3 Leistungscharakteristiken eines neuen und eines altenFigure 2 is a schematic diagram of a compressor map; Figure 3 performance characteristics of a new and an old

Verdichters im Vergleich zueinander; Figur 4 eine erfindungsgemäß ausgeführte Gasturbine mit erfindungsgemäßer Zumischung eines erstenCompressor compared to each other; FIG. 4 shows a gas turbine according to the invention with admixing of a first according to the invention

Wassermassenstroms stromauf des Verdichtereintritts; Figur 5 den Verlauf des Druckaufbaus längs eines Verdichters beiWater mass flow upstream of the compressor inlet; FIG. 5 shows the course of the pressure build-up along a compressor

Zumischung verschiedener Mengen Wasser; Figur 6 das Verdichterkennfeld aus Figur 2 mit zusätzlich eingetragenerAdmixing different amounts of water; Figure 6 shows the compressor map of Figure 2 with additionally registered

Leistungscharakteristik des Verdichters bei erfindungsgemäßerPerformance characteristics of the compressor in inventive

Zumischung von Wasser; Figur 7 eine weitere erfindungsgemäß ausgeführte Gasturbine mit verteilter Zumischung des ersten Wassermassenstroms; Figuren 8-1 und 8-11 in einem Ablaufschema den Ablauf einerAdmixture of water; FIG. 7 shows a further gas turbine according to the invention with distributed admixture of the first water mass flow; Figures 8-1 and 8-11 in a flowchart the flow of a

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beiEmbodiment of the method according to the invention

Zumischung eines ersten Wassermassenstroms; Figur 9 in einem Ablaufschema den Ablauf einer weiterenAdmixture of a first water mass flow; Figure 9 in a flowchart the flow of another

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Zumischung eines ersten und eines zweitenEmbodiment of the method according to the invention with admixture of a first and a second

Wassermassenstroms.Water mass flow.

In den Figuren sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente und Bauteile dargestellt. Die dargestellten Ausführungsbeispiele sind rein instruktiv zu verstehen und sollen einem besseren Verständnis, aber nicht einer Einschränkung des Erfindungsgegenstandes dienen.In the figures, only the essential elements for understanding the invention elements and components are shown. The illustrated embodiments are to be understood purely instructive and should serve a better understanding, but not a limitation of the subject invention.

Wege zur Ausführung der Erfindung Figur 1 zeigt in schematisierter Darstellung eine aus dem Stand der Technik bekannte, als Gasturbine 1 ausgebildete Turbomaschine. Derartige Gasturbinen werden beispielsweise in Kraftwerksanlagen zur Stromerzeugung eingesetzt und dienen insbesondere zur Abdeckung von Spitzenlasten. Eine derartige, zur Stromerzeugung eingesetzte Gasturbine stellt ein typisches Anwendungsgebiet der Erfindung dar. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch auf andere Turbomaschinen angewendet werden.Ways to carry out the invention Figure 1 shows a schematic representation of a known from the prior art, designed as a gas turbine 1 turbomachine. Such gas turbines are used for example in power plants for power generation and are used in particular to cover peak loads. Such a gas turbine used for power generation is a typical field of application of the invention. However, the method according to the invention can also be applied to other turbomachines.

Die Gasturbine 1 umfasst als wesentliche, in Figur 1 dargestellte Komponenten einen Verdichter 2, eine Brennkammer 3 mit Brennstoffzuführleitung 3-B sowie eine Turbine 4. In stationären Gasturbinen, die zur Stromerzeugung eingesetzt werden, umfasst der Verdichter 2 üblicherweise eine Vielzahl von bis zu 20 und mehr Verdichterstufen. Die Turbine umfasst üblicherweise 4 bis ca. 8 Turbinenstufen. Die einzelnen Verdichter- und Turbinenstufen sind in Figur 1 nicht dargestellt. Der Gasturbine 1 ist des Weiteren zur Stromerzeugung ein Generator 5 beigeordnet, der mit einem Stromnetz 8, in das der erzeugte Strom abgegeben wird, elektrisch verbunden ist.The gas turbine 1 comprises, as essential components shown in FIG. 1, a compressor 2, a combustion chamber 3 with fuel supply line 3-B and a turbine 4. In stationary gas turbines used for power generation, the compressor 2 usually comprises a plurality of up to 20 and more compressor stages. The turbine typically includes 4 to about 8 turbine stages. The individual compressor and turbine stages are not shown in FIG. The gas turbine 1 is further assigned to generate electricity, a generator 5, which is electrically connected to a power grid 8, in which the generated power is delivered.

Im Betrieb der Gasturbine 1 wird sowohl der Verdichter 2 als auch der Generator 5 von der Turbine 4 angetrieben. Hierzu ist die Turbine 4 über eine erste Welle 6 mit dem Verdichter 2 und über eine zweite Welle 7 mit dem Generator 5 drehfest verbunden.During operation of the gas turbine 1, both the compressor 2 and the generator 5 are driven by the turbine 4. For this purpose, the turbine 4 is rotatably connected via a first shaft 6 to the compressor 2 and via a second shaft 7 with the generator 5.

Verdichter 2, Brennkammer 3 und Turbine 4 bilden einen Strömungspfad 9, der in Figur 1 mittels Strömungspfeilen angedeutet ist. Im Betrieb der Gasturbine 1 strömt Luft, die aus der Umgebung U über einen Einlaufkanal 10 angesaugt wird, entlang des Strömungspfads 9 durch die Gasturbine 1. Die aus der Umgebung angesaugte Luft bildet hier somit das Arbeitsfluid der Gasturbine. (In der Brennkammer kommt zu der Luft noch Brennstoff dazu, der in der Brennkammer zu einem Rauchgas verbrannt wird.) Nach der in dem Verdichter 2 erfolgten Verdichtung wird der verdichteten Luft in der Brennkammer 3 Brennstoff zugemischt und das Brennstoff- Luft-Gemisch anschließend verbrannt. Das der Brennkammer entströmende Rauchgas-Luft-Gemisch entspannt anschließend über die Turbine 4 und entströmt schließlich wieder in die Umgebung U. Das sich in der Turbine entspannende Rauchgas-Luft-Gemisch triebt hierbei zunächst die Turbine 4 und über die Wellen 6 und 7 auch den Verdichter 2 sowie den Generator 5 an.Compressor 2, combustion chamber 3 and turbine 4 form a flow path 9, which is indicated in Figure 1 by means of flow arrows. During operation of the gas turbine 1, air which is drawn in from the surroundings U via an inlet channel 10 flows along the flow path 9 through the gas turbine 1. The air drawn in from the surroundings thus forms the working fluid of the gas turbine. (In the combustion chamber, fuel is still added to the air, which is combusted into a flue gas in the combustion chamber.) After the compression in the compressor 2, fuel is added to the compressed air in the combustion chamber 3 and the fuel-air mixture is then burnt , The flue gas-air mixture flowing out of the combustion chamber then expands via the turbine 4 and finally flows back into the environment U. The flue gas / air mixture relaxing in the turbine drives first the turbine 4 and via the shafts 6 and 7 also the Compressor 2 and the generator 5 at.

Aufbau, Funktionsweise sowie technische Weiterbildungen solcher, wie in Figur 1 dargestellter Gasturbinen sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, weswegen an dieser Stelle auf eine weiterreichende Erläuterung verzichtet wird. Figur 2 zeigt in einer Prinzipdarstellung ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verdichterkennfeld 20. Auf der x-Achse ist der reduzierte Massendurchsatz m_red desStructure, operation and technical developments of such, as shown in Figure 1 gas turbines are well known to those skilled in the art, which is why at this point to a more extensive explanation is omitted. FIG. 2 shows a schematic illustration of a compressor map 20 known from the prior art. The reduced mass flow rate m _r ed of the x-axis is shown in FIG

Verdichters, auf der y-Achse das Druckverhältnis π aufgetragen. Für jeweils konstant gehaltene Aero-Drehzahlen des Verdichters ergeben sich mit zunehmender Drosselung die sichelförmig verlaufenden, sich jeweils nach links öffnenden Aero- Drehzahllinien 21a, 21 b und 21c des Verdichters. Der Arbeitsbereich, in dem das Arbeitsfluid des Verdichters stabil , d.h. weitgehend ohne Strömungsabriss, arbeitet, wird von größerem Massendurchsatz her kommend durch die Pumpgrenze 22 begrenzt. In dem Bereich jenseits der Pumpgrenze - im Kennfeld 20 der Bereich links oben - ist kein stabiler Verdichterbetrieb mehr möglich. Die Lage der Betriebslinie 23 des Verdichters, und hier insbesondere die Lage des Nennbetriebspunkts 24, wird in aller Regel so gewählt, dass alle auf der Betriebslinie 23 angeordneten Arbeitspunkte einen hinreichenden Abstand zur Pumpgrenze 22 aufweisen. Dieser Abstand zur Pumpgrenze wird üblicherweise entweder für konstant gehaltenen Massendurchsatz ermittelt, was zu dem sogenannte Druck-Pumpgrenzabstand PSM führt, oder es wird der horizontale Abstand von dem betreffenden Arbeitspunkt bis zum Schnittpunkt der Betriebslinie mit der Pumpgrenze 22 ermittelt, was zu dem sogenannten Drehzahl- Pumpgrenzabstand SSM führt. In Figur 2 sind der Druck-Pumpgrenzabstand PSM als auch der Drehzahl-Pumpgrenzabstand SSM jeweils für den Nennbetriebspunkt 24 dargestellt. Der Druck-Pumpgrenzabstand PSM ist hauptsächlich dann relevant, wenn die Gasturbine eine zunehmende Drosselung erfährt. Dies spielt für stationäre, zur Stromerzeugung eingesetzte Gasturbinen eine eher untergeordnete Rolle. Der Drehzahl-Pumpgrenzabstand SSM hingegen ist dann relevant, wenn die Aero- Drehzahl der Gasturbine abrupt vermindert wird, was beispielsweise bei einer abrupten Erhöhung der durch den Generator der Gasturbine aufgeprägten Last der Fall ist. Dies führt dann zu einer abrupten Verlagerung des Betriebspunktes hin zu kleineren Aero-Drehzahlen verbunden mit einer abrupten Verminderung des Drehzahl-Pumpgrenzabstands SSM. Die Regelung der Gasturbine ist im Falle einer abrupten Lasterhöhung üblicherweise nicht in der Lage, die Aero-Drehzahl derCompressor, plotted on the y-axis, the pressure ratio π. For each held constant aero speeds of the compressor arise with increasing throttling the sickle-shaped, each to the left opening aerodynamic speed lines 21a, 21b and 21c of the compressor. The work area in which the working fluid of the compressor is stable, i. largely without stall, works, is bounded by greater mass flow coming forth by the surge limit 22. In the area beyond the surge line - in the map on the top left in the area 20 - stable compressor operation is no longer possible. The position of the operating line 23 of the compressor, and here in particular the position of the nominal operating point 24, is usually chosen so that all arranged on the operating line 23 operating points have a sufficient distance from the surge limit 22. This distance to the pumping limit is usually determined either for a constant mass flow rate, which leads to the so-called pressure-surge limit distance PSM, or the horizontal distance from the relevant operating point to the intersection of the operating line with the pumping limit 22 is determined, which results in the so-called rotational speed. Surge margin SSM leads. In Figure 2, the pressure-surge limit distance PSM and the speed-surge margin SSM each for the rated operating point 24 are shown. The pressure-surge margin PSM is primarily relevant when the gas turbine is experiencing increasing throttling. This plays a rather subordinate role for stationary gas turbines used for power generation. By contrast, the speed-pumping limit distance SSM is relevant when the aero speed of the gas turbine is abruptly reduced, which is the case, for example, with an abrupt increase in the load impressed by the generator of the gas turbine. This then leads to an abrupt shift of the operating point to lower aerodynamic speeds associated with an abrupt reduction in the speed-surge margin SSM. The regulation of the gas turbine is in the event of an abrupt increase in load usually unable to aero speed of the

Gasturbine kurzfristig auf den Ausgangswert nachzuregeln. Ebenso führt auch eine Erhöhung der Umgebungstemperatur zu einer Verminderung des Drehzahl- Pumpgrenzabstands SSM.Gas turbine short-term to the initial value nachzuregeln. Likewise, an increase in the ambient temperature leads to a reduction of the speed-surge margin SSM.

In Figur 3 sind die Leistungscharakteristiken eines neuen sowie eines baugleichen älteren Verdichters im Vergleich zueinander dargestellt. Bei dem alten Verdichter handelt es sich um einen Verdichter, der bereits einige Zeit in Betrieb war und der daher übliche Gebrauchserscheinungen, wie beispielsweise vergrößerte Spitzenspalte oder anerodierte Schaufelblatthinterkanten, aufweist. In dem in Figur 3 dargestellten Verdichterkennfeld 20 machen sich diese Alterserscheinungen durch eine Verschiebung der für den neuen Verdichter geltenden Pumpgrenze 21-1 hin zu einem Pumpgrenzverlauf 21-2 mit geringeren Druckverhältnissen und größeren Massendurchsätzen bemerkbar (Pumpgrenze 21-1 gilt für den neuen Verdichter; Pumpgrenze 21-2 für den alten Verdichter). Aufgrund der Verschiebung derFIG. 3 shows the performance characteristics of a new and identical older compressor in comparison to one another. The old compressor is a compressor that has been in operation for some time and therefore has common usage phenomena, such as increased peak gaps or anodized blade trailing edges. In that in Figure 3 shown compressor map 20 make these signs of aging by a shift of the applicable for the new compressor pumping limit 21-1 towards a pumping boundary 21-2 with lower pressure ratios and higher mass flow rates noticeable (pumping limit 21-1 applies to the new compressor, surge limit 21-2 for the old compressor). Due to the shift of

Pumpgrenze 21-1 hin zu 21-2 schneidet die Betriebslinie 23-2 des alten Verdichters (die deckungsgleich zu der Betriebslinie 23-1 des neuen Verdichters verläuft) die Pumpgrenze 21-2 bereits bei einer höheren Aero-Drehzahl 21 b als im Falle des neuen Verdichters, wo der Schnittpunkt der Betriebslinie 23-1 mit der Pumpgrenze 21-1 erst bei einer Aero-Drehzahl 21a erfolgt. Die Aero-Drehzahl 21a entspricht 90% Aero-Drehzahl bezogen auf die Aero-Drehzahl im Nennbetriebspunkt bei Nominalumgebungsbedingungen, die Aero-Drehzahl 21 b hingegen 92,5%. Diese Verschlechterung der Pumpgrenze für den alten Verdichter führt zu einer Verschlechterung des Drehzahl-Pumpgrenzabstands SSM von SSM-1 zu SSM-2 im Nennbetriebspunkt. Im dargestellten Beispiel führt die Verschiebung desPumping limit 21-1 to 21-2 cuts the operating line 23-2 of the old compressor (which coincides with the operating line 23-1 of the new compressor runs) the surge line 21-2 already at a higher aerodynamic speed 21 b than in the case of new compressor, where the intersection of the operating line 23-1 with the surge line 21-1 takes place only at an aerodynamic speed 21a. The aero speed 21a corresponds to 90% aero speed with respect to the aero speed at nominal operating point at nominal ambient conditions, while the aero speed 21b is 92.5%. This deterioration of the surge limit for the old compressor results in a deterioration of the SSM-1 SSM-1 speed surge margin SSM-2 at the rated operating point. In the example shown, the displacement of the

Schnittpunkts der Betriebslinie 23-1 bzw. 23-2 mit der Pumpgrenze von 90% Aero- Drehzahl auf 92,5% Aero-Drehzahl dazu, dass die Strömung des alten Verdichters bei einer Umgebungstemperatur von 4O⁰C und einem Abfall einer 50Hz- Netzfrequenz des an den Generator angeschlossenen Stromnetzes um 2,2 Hz instabil würde. Im Falle des neuen Verdichters würde ein Frequenzabfall von 2,2 Hz erst bei 5O⁰C Umgebungstemperatur zu einer instabilen Verdichterströmung führen.Intersection of operating line 23-1 or 23-2 with the surge limit of 90% Aero speed to 92.5% Aero speed to the fact that the flow of the old compressor at an ambient temperature of 4O ⁰ C and a drop of a 50Hz grid frequency of the power grid connected to the generator would be unstable by 2.2 Hz. In the case of the new compressor, a drop in frequency of 2.2 Hz would only lead to an unstable compressor flow at 5O ⁰ C ambient temperature.

In Figur 4 ist eine erste erfindungsgemäß ausgeführte Gasturbine 1 dargestellt. Der Aufbau der Gasturbine 1 entspricht weitgehend dem Aufbau der in Figur 1 dargestellten Gasturbine. Jedoch kann hier zusätzlich zu der in Figur 1 dargestellten Gasturbine dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend der Arbeitsfluidströmung des Verdichters 2 ein erster Wassermassenstrom mwasser ₁ zugemischt werden. Als Arbeitsfluid dient hier, wie auch bereits bei der in Figur 1 dargestellten Gasturbine, Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Zumischung des ersten Wassermassenstroms mwasser ₁ erfolgt an einerFIG. 4 shows a first gas turbine 1 designed according to the invention. The structure of the gas turbine 1 largely corresponds to the structure of the gas turbine shown in FIG. However, here in addition to the gas turbine shown in FIG. 1, a first water mass flow m water ₁ can be added to the process according to the invention in accordance with the working fluid flow of the compressor 2. As working fluid serves here, as already in the gas turbine shown in Figure 1, air that is sucked from the environment. The admixture of the first water mass flow mwasser ₁ takes place at a

Zumischstelle 11-Z stromauf des Eintritts in den Verdichter 2, so dass die Arbeitsfluidströmung des Verdichters 2 bereits beim Eintritt in den Verdichter 2 mit Wasser durchsetzt ist. Um den ersten Wassermassenstrom mwasser ₁ feinverteilt in die Arbeitsfluidströmung des Verdichters 2 einzubringen, sind hierzu im Einlaufkanal 10 des Verdichters 2 mehrere Düsenringe mit jeweils einer Vielzahl von Düsen montiert. Der erste Wassermassenstrom mwasser ₁ wird über eine Zuführleitung 11 aus einem Reservoir (in Figur 4 nicht dargestellt) den Düsen zugeführt und über diese in die Arbeitsfluidströmung eingedüst. Düsenringe und Düsen sind in Figur 4 nicht dargestellt; diese sind dem Fachmann aber aus anderen Anwendungen bekannt. Anstelle von eigens vorzusehenden Düsenringen oder anderen Eindüsvorrichtungen kann auch eine vorhandene Waschvorrichtung, sofern diese für den erforderlichen Wassermassendurchsatz ausgelegt ist, zur Verdüsung des ersten Wassermassenstroms verwendet werden.Zumischstelle 11-Z upstream of the inlet into the compressor 2, so that the working fluid flow of the compressor 2 is already interspersed with water entering the compressor 2. In order to introduce the first water mass flow mwasser ₁ into the working fluid flow of the compressor 2 in a finely divided manner, several nozzle rings, each with a plurality of nozzles, are mounted in the inlet channel 10 of the compressor 2 for this purpose. The first water mass flow mwasser ₁ is supplied via a supply line 11 from a reservoir (not shown in Figure 4) to the nozzles and injected via this in the working fluid flow. Nozzle rings and nozzles are in FIG. 4 not shown; but these are known in the art from other applications. Instead of specially provided nozzle rings or other Eindüsvorrichtungen also an existing washing device, if it is designed for the required Wassermassendurchsatz be used for atomizing the first water mass flow.

Die Mengenregelung des ersten Wassermassenstroms mwasser ₁ erfolgt hier mittels eines in die Zuführleitung 11 integrierten Regelventils 12, das von einer Regelungsvorrichtung 13 angesteuert wird. Die Regelungsvorrichtung 13 kann als Teil einer zentralen Gasturbinenregelung ausgebildet sein.The flow control of the first water mass flow mwasser ₁ takes place here by means of an integrated into the supply line 11 control valve 12 which is controlled by a control device 13. The control device 13 may be formed as part of a central gas turbine control.

Figur 5 zeigt den Druckaufbau längs eines mehrstufigen Verdichters bei Zumischung verschiedener Mengen Wasser im Vergleich zu dem Druckaufbau einer trockenen Arbeitsfluidströmung ohne die Zumischung von Wasser. Die Zumischung des Wassermassenstroms erfolgt hierbei, wie in Figur 4 dargestellt, stromauf des Eintritts in den Verdichter.Figure 5 shows the pressure build-up along a multi-stage compressor with admixture of different amounts of water compared to the pressure build-up of a dry working fluid flow without the admixture of water. The admixing of the mass flow of water takes place here, as shown in Figure 4, upstream of the entry into the compressor.

Über der relativen Verdichterlänge ist hier der Druckaufbau Δp_s feucht - trocken des Verdichters in bar für eine trockene Arbeitsfluidströmung 30-0 sowie für drei feuchte Arbeitsfluidströmungen 30-1 , 30-2 und 30-3, denen in aufsteigender Reihenfolge jeweils eine zunehmende Menge Wasser zugemischt wurde, dargestellt. Je größer der in die Verdichterströmung eingebachte Wassermassenstrom mwasser ist, desto stärker ist der Effekt der Verminderung des Druckaufbaus in dem auf die Zumischstelle folgenden Bereich und somit der aerodynamischen Entlastung der in diesem Bereich befindlichen Verdichterstufen. Umgekehrt wird die letzte Verdichterstufe bzw. die letzten Verdichterstufen bei zunehmendem Wassermassenstrom zunehmend stärker belastet. Diese letzte(n) Verdichterstufe(n) weist/en aber bei Nennbetrieb üblicherweise die größte Stabilitätsreserve auf, so dass sich mit zunehmendem Wassermassenstrom insgesamt ein Zugewinn an aerodynamischer Stabilitätsreserve für den Verdichter ergibt.Above the relative compressor length, here the pressure build-up Δp _{s is} humid - dry the compressor in bar for a dry working fluid flow 30-0 and for three moist working fluid flows 30-1, 30-2 and 30-3, which in ascending order each an increasing amount of water was mixed, shown. The greater the mass flow of water injected into the compressor flow, the stronger the effect of reducing the pressure build-up in the area following the admixing point and thus the aerodynamic relief of the compressor stages located in this area. Conversely, the last compressor stage or the last compressor stages is increasingly burdened with increasing mass flow of water. However, this last compressor stage (s) normally has the greatest stability reserve during rated operation, with the result that, overall, an increase in the aerodynamic stability reserve for the compressor results with increasing water mass flow.

In Figur 6 ist dargestellt, wie sich die Zumischung eines erstenIn Figure 6 is shown how the admixture of a first

Wassermassenstroms auf die Betriebslinie sowie auf den Verlauf der Pumpgrenze in dem Verdichterkennfeld 20 aus Figur 2 auswirken. Die Zumischung erfolgt auch hier stromauf des Eintritts in den Verdichter, wobei die Aussagen grundsätzlich auch für eine Zumischung des Wassermassenstroms im Bereich einer der der ersten Verdichterstufe nachfolgenden Verdichterstufen gelten.Water mass flow on the operating line and on the course of the surge line in the compressor map 20 of Figure 2 impact. The admixing also takes place upstream of the entry into the compressor, wherein the statements basically also apply to an admixing of the water mass flow in the region of one of the compressor stages following the first compressor stage.

Zum Einen erfolgt durch die Zumischung von Wasser zu der Arbeitsfluidströmung des Verdichters eine Verlagerung der Betriebslinie 23 (23t_rOcken zu 23f_ΘUCht) hin zu höheren Druckverhältnissen. Dies ist bedingt durch die Drosselwirkung des zugemischten Wassers nach der Verdampfung. Zum Anderen aber verändert sich auch der Verlauf der Pumpgrenze 22 (22_trOc_ken zu 22_fΘUCht) dahingehend, dass sich die Pumpgrenze 22t_rOc_ken im unteren Massenstrombereich hin zu höheren Druckverhältnissen verlagert. Im oberen Massenstrombereich hingegen tritt eine Verminderung des erzielbaren Druckverhältnisses auf. Insgesamt ergibt sich bezogen auf den Nennbetriebspunkt 24 (24_trOc_ken zu 24_fΘUCht) durch die Zumischung von Wasser entsprechend den Auftragungen eine Verringerung des Druck- Pumpgrenzabstands PSM (Veränderung von PSM trocken zu PSM feucht), hingegen jedoch eine deutliche Erhöhung des Drehzahl-Pumpgrenzabstands SSM (Veränderung von SSM trocken zu SSM feucht)-On the one hand, the mixing of water with the working fluid flow of the _compressor results in a shift of the operating line 23 ( _23t back to _23ftUC ) to higher pressure ratios. This is due to the throttling action of the admixed water after evaporation. On the other hand, things are changing the course of the pumping limit 22 (22 _trO c _k en to 22 _fΘUCh t) is also such that the surge limit _{22t rO} c _k s shifts in the lower mass flow range towards higher pressure ratios. In contrast, in the upper mass flow range, a reduction of the achievable pressure ratio occurs. Overall, based on the nominal operating point 24 (24 _trO c _k en to 24 _fΘUCh t) by the addition of water according to the plots a reduction of the pressure-surge margin PSM (change from PSM dry to wet PSM), however, however, a significant increase in Speed-surge margin SSM (change from SSM dry to SSM wet) -

Figur 7 zeigt eine weitere, erfindungsgemäß ausgeführte Gasturbine 1 mit verteilter Zumischung des ersten Wassermassenstroms über eine erste Zumischstelle 11-1 -Z und eine zweite Zumischstelle 11-2-Z. Die Zumischung des ersten Wassermassenstroms mwasser ₁ kann hier sowohl stromauf der ersten Verdichterstufe als auch etwa in der Mitte des Verdichters innerhalb einer der ersten Verdichterstufe nachfolgend angeordneten Verdichterstufe erfolgen. Eine solche verteilte Zumischung ist besonders bei einem mehrstufigen Verdichter mit einer Stufenzahl größer etwa 10 Stufen zweckmäßig. Bei einem 15-stufigen Verdichter beispielsweise sollte die erste Zumischstelle stromauf des Verdichtereintritts und die zweite Verdichterstelle etwa bei im Bereich der 6-ten - 8-ten Verdichterstufe angeordnet sein. Einerseits kann so durch eine Wassereinbringung über die erste Zumischstelle oder die zweite Zumischstelle eine gezielte Beeinflussung der jeweils aktuell hoch belasteten Verdichterstufen erfolgen. Üblicherweise verlagert sich die Belastung mit steigender Drehzahl von den vorderen, stromauf angeordneten Verdichterstufen zu den hinteren, stromab angeordneten Verdichterstufen. Es kann aber auch über beide Zumischstellen gleichzeitig Wasser der Arbeitsfluidströmung des Verdichters 2 zugemischt werden, um so eine gleichzeitige aerodynamische Entlastung möglichst vieler Verdichterstufen zu erzielen. Beide Zumischstellen 11-1- Z und 11-2-Z umfassen hier jeweils mehrere Düsenringe mit jeweils einer Vielzahl von Düsen, die in den Einlaufkanal bzw. Strömungskanal des Verdichters 2 einmünden. Die Menge des zugemischten Wassermassenstroms kann hierbei auf beide Zumischstellen gleich verteilt erfolgen oder in ungleichen Teilen. Auch können mehr als zwei Zumischstellen angeordnet sein. Die Ansteuerung der Regelventile 12-1 und 12-2, über die die Massenströme des ersten und des zweiten Wassermassenstroms eingeregelt werden, erfolgt auch hier wieder mittels der Regelungsvorrichtung 13. Die Regelungsvorrichtung 13 kann auch hier wieder als Teil einer zentralen Gasturbinenregelung ausgebildet sein. Die Figuren 8-1 und 8-11 zeigen in einem Ablaufschema den Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Zumischung eines ersten Wassermassenstroms. Gemäß dem hier dargestellten Verfahrensablauf erfolgt die Zumischung des ersten Wassermassenstroms nicht dauerhaft während des Betriebs der Turbomaschine. Eine solche dauerhafte Betriebsweise ist insbesondere bei älteren, bereits seit längerem im Betrieb befindlichen Verdichtern zur Verbesserung der aufgrund Alterung verschlechterten Stabilitätsreserven durchaus sinnvoll. Eine solche dauerhafte Zumischung des ersten Wassermassenstroms stellt regelungstechnisch jedoch keine besonderen Anforderungen, sondern wird mit dem Hochfahren der Turbomaschine gestartet. Lediglich der zugemischteFIG. 7 shows a further gas turbine 1 designed according to the invention with distributed admixing of the first water mass flow via a first admixing point 11-1-Z and a second admixing point 11-2-Z. The admixture of the first water mass flow mwasser ₁ can take place here both upstream of the first compressor stage as well as approximately in the middle of the compressor within one of the first compressor stage subsequently arranged compressor stage. Such a distributed admixture is particularly useful in a multi-stage compressor with a number of steps greater than about 10 stages. In the case of a 15-stage compressor, for example, the first admixing point should be arranged upstream of the compressor inlet and the second compressor location approximately in the region of the 6th-8th compressor stage. On the one hand, a targeted influencing of the currently highly loaded compressor stages can take place by introducing water via the first admixing point or the second admixing point. Typically, the load shifts with increasing speed of the front, upstream compressor stages to the rear, downstream compressor stages. However, water can also be added to the working fluid flow of the compressor 2 via both admixing points at the same time, so as to achieve simultaneous aerodynamic relief of as many compressor stages as possible. Both Zumischstellen 11-1- Z and 11-2-Z here comprise a plurality of nozzle rings, each with a plurality of nozzles, which open into the inlet channel or flow channel of the compressor 2. The amount of the admixed mass flow of water can in this case take place equally distributed on both Zumischstellen or in unequal parts. Also, more than two Zumischstellen can be arranged. The control of the control valves 12-1 and 12-2, via which the mass flows of the first and the second mass flow of water are regulated, also takes place here again by means of the control device 13. The control device 13 may also be formed here again as part of a central gas turbine control. FIGS. 8-1 and 8-11 show, in a flow chart, the sequence of an embodiment of the method according to the invention with admixture of a first water mass flow. According to the method sequence shown here, the admixing of the first water mass flow does not take place permanently during the operation of the turbomachine. Such a permanent mode of operation is particularly useful for older compressors that have been in operation for some time to improve the deteriorated stability reserves due to aging. However, such a permanent admixture of the first mass flow of water is not technically special requirements, but is started with the startup of the turbomachine. Only the mixed

Wassermassenstrom kann je nach Betriebspunkt des Verdichters variiert werden. Regelungstechnisch aufwändiger gestaltet sich eine bedarfsweise Zumischung des ersten Wassermassenstroms mwasser i_> wie in den Figuren 8-I und 8-II dargestellt. Der Bedarfsfall liegt dann vor, wenn eine zu überwachende Startbedingung erfüllt ist. Hierzu wird in Fig. 8-1 in Verfahrensschritt 101 die Überwachung der Startbedingung gestartet.Water mass flow can be varied depending on the operating point of the compressor. In terms of control technology, a necessary admixing of the first water mass flow mwasser i _> as shown in Figures 8-I and 8-II. The case of need exists when a start condition to be monitored is met. For this purpose, the monitoring of the start condition is started in method step 101 in FIG. 8-1.

Eine Startbedingung kann beispielsweise ein sprunghafter Drehzahlabfall des Verdichters bzw. der Turbomaschine unter eine Minimaldrehzahl sein. Derartige, abrupt verlaufende Drehzahlsprünge treten bei stromerzeugenden Gasturbinen beispielsweise dann auf, wenn die Last des mit dem Generator verbundenenA starting condition may be, for example, a sudden drop in the speed of the compressor or of the turbomachine below a minimum speed. Such abruptly occurring speed jumps occur in electricity-generating gas turbines, for example, when the load of the generator connected to the generator

Stromnetzes schlagartig ansteigt. Ein solcher sprunghafter Anstieg der Last kann auf einen sprunghaft gestiegenen Strombedarf zurückzuführen sein. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn ein Großverbraucher schlagartig zugeschaltet wird. Ein weiterer Grund für einen sprunghaften Drehzahlabfall kann auch der Ausfall einer weiteren, der Stromerzeugung dienenden Turbomaschine oder eines ganzen Kraftwerks sein. Auch dies führt zu einer sprunghaften Erhöhung der an dem Generator anliegenden Last.Power grid increases suddenly. Such a sudden increase in load can be attributed to a sudden increase in electricity demand. This is the case, for example, when a large consumer is suddenly switched on. Another reason for a sudden drop in speed can also be the failure of another turbomachinery that serves to generate electricity or a whole power plant. This also leads to a sudden increase in the voltage applied to the generator load.

Eine weitere Startbedingung kann ein Überschreiten der Umgebungstemperatur über eine maximal zulässige Umgebungstemperatur sein.Another starting condition may be exceeding the ambient temperature over a maximum allowable ambient temperature.

Wie in Figur 8 dargestellt, können diese beiden Startbedingungen aber auch gemäß der Definition der Aero-Drehzahl n_aero = nmech / Tumgebung ' miteinander gekoppelt werden. In diesem Fall darf die jeweils aktuell vorliegende Aero-Drehzahl (Verfahrensschritte 102 und 103) einen für den Betriebspunkt geltenden Minimalwert (Verfahrensschritt 104) nicht unterschreiten (Verfahrensschritt 105). Bei Unterschreiten des Minimalwerts gemäß Ablaufschritt 105-N wird in Verfahrensschritt 106 die Menge an zuzumischendem erstem Wassermassenstrom auf Basis der aktuellen Aero-Drehzahl n_aθro_, a_ktuei_h der minimalen Aero-Drehzahl naero_, mimimai sowie dem aktuellen Verdichterbetriebspunkt bestimmt. Anschließend wird die Zumischung des ersten Wassermassenstroms mwasser ₁ gestartet (Verfahrensschritt 107), wodurch der Drehzahl-Pumpgrenzabstand SSM und somit die aerodynamische Stabilitätsreserve der Verdichterströmung ansteigt. Sinkt nun entweder die Umgebungstemperatur und/oder steigt die Drehzahl der Turbomaschine bzw. des Verdichters wieder an, so dass die dann aktuelle Aero- Drehzahl über dem Minimalwert liegt, so wird die Zumischung des ersten Wassermassenstroms wieder beendet (Verfahrensschritte 108-112). Für den Minimalwert, der für ein Beenden der Zumischung überschritten werden muss, sollte aber zweckmäßig ein um einen Deltawert höherer Wert gewählt werden als für den Minimalwert, bei dem die Zumischung gestartet wird, um so ein regelungstechnisches Schwingen um diesen Minimalwert zu vermeiden. In Figur 8 nicht dargestellt ist eine variable Zumessung des Massendurchsatzes an erstem Wassermassenstrom. Die Menge des zugemischten ersten Wassermassenstroms ist hierbei abhängig von der Abweichung der jeweils aktuellen Drehzahl und/oder Umgebungstemperatur und/oder Aero-Drehzahl von dem jeweils vorgegebenen Grenzwert.As shown in Figure 8, these two start conditions but the definition may be the Aero-speed n = _a ero nmech / Tambient 'coupled to each other also in accordance with. In this case, the currently present aero speed (method steps 102 and 103) must not fall below a minimum value (method step 104) that applies to the operating point (method step 104). When the minimum value according to step 105-N is undershot, in method step 106 the amount of first water mass flow to be mixed is calculated on the basis of the current _aerodynamic speed n _aθ ro _, a _k tuei _{h of} the minimum aerodynamic speed naero _, mimimai and the current compressor operating point. Subsequently, the admixing of the first water mass flow mwasser _{1 is} started (method step 107), whereby the speed-pumping limit distance SSM and thus the aerodynamic stability reserve of the compressor flow increases. If either the ambient temperature drops and / or the rotational speed of the turbomachine or of the compressor increases again, so that the then-current aerodynamic speed is above the minimum value, then the admixing of the first mass flow of water is terminated again (method steps 108-112). For the minimum value that must be exceeded for terminating the admixing, however, a value higher by one delta value should expediently be selected than for the minimum value at which the admixing is started so as to avoid a control-technical oscillation around this minimum value. Not shown in FIG. 8 is a variable metering of the mass flow rate at the first water mass flow. The amount of the admixed first water mass flow in this case depends on the deviation of the respective current rotational speed and / or ambient temperature and / or aerodynamic speed of the respective predetermined limit value.

Weiterhin ist in Figur 9 in einem Ablaufschema der Ablauf einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Zumischung eines ersten Wassermassenstroms mwasseM sowie eines zweiten Wassermassenstroms mwasser ₂ dargestellt. Während die Zumischung des ersten Wassermassenstroms mwasser ₁ zu der Arbeitsfluidströmung stromauf des Eintritts in den Verdichter erfolgt und mit dem Ziel erfolgt, die aerodynamische Stabilität der Arbeitsfluidströmung des Verdichters zu erhöhen, wird der zweite Wassermassenstrom mwasser ₂ zurFurthermore, FIG. 9 shows in a flow chart the sequence of a further embodiment of the method according to the invention in admixing a first water mass flow mwasseM and a second mass water flow mwasser ₂ . While the admixing of the first water mass flow mwasser ₁ to the working fluid flow takes place upstream of the entry into the compressor and takes place with the aim of increasing the aerodynamic stability of the working fluid flow of the compressor, the second mass flow of water mwasser ₂ to

Steigerung der abgegebenen Leistung der Turbomaschine der Arbeitsfluidströmung im Bereich der Brennkammer zugemischt. Grundsätzlich ist es möglich, beide Wassermassenströme der Arbeitsfluidströmung der Gasturbine zeitgleich zuzumischen. Jedoch wird dies oftmals nicht zweckmäßig oder auch nicht durchführbar sein, da hierdurch ein zu kleiner Druck-Pumpgrenzabstand PPM bewirkt würde oder die Pumpgrenze gar überschritten würde. Daher wird die Zumischung des zweiten Wassermassenstroms mwasser ₂ bei Starten der Zumischung des ersten Wassermassenstroms mwasser ₁ zumeist vermindert oder vollständig beendet. Zweckmäßig wird hierbei der Anteil des zweiten Wassermassenstroms mwasser _2> um den der zweite Wassermassenstrom mwasser ₂ vermindert wurde, umgeleitet und als erster Wassermassenstrom genutzt. Eine solche Umleitung kann mit Hilfe eines einfachen 3/2-Wege-Ventils, das in die Zuleitung integriert ist und von der Regelungsvorrichtung angesteuert wird, realisiert werden.Increase of the output power of the turbomachine of the working fluid flow in the combustion chamber admixed. In principle, it is possible to mix both water mass flows of the working fluid flow of the gas turbine at the same time. However, this will often not be appropriate or not feasible, as this would cause a too small pressure-surge limit distance PPM or the surge limit would be exceeded. Therefore, the admixing of the second mass flow of water mwasser ₂ at the start of the admixing of the first mass flow of water mwasser _{1 is} usually reduced or completely stopped. Appropriately, in this case, the proportion of the second water mass flow mwasser _2> by the second water mass flow mwasser _{2 was} reduced, diverted and used as the first water mass flow. Such a diversion can be done with the help of a simple 3/2-way valve inserted in the Supply line is integrated and is controlled by the control device can be realized.

Das in Figur 9 dargestellte Verfahren startet analog zu Figur 8-1 mit den Verfahrensschritten 101 - 104. Sobald die Startbedingung zur Zumischung des ersten Wassermassenstroms mwasseM gemäß Verfahrensschritt 105 erfüllt ist, wird die Menge des zuzumischenden ersten Wassermassenstroms mwasser ₁ bestimmtThe method illustrated in FIG. 9 starts, analogously to FIG. 8-1, with method steps 101-104. As soon as the start condition for admixing the first mass flow of water mwasseM according to method step 105 is satisfied, the quantity of first water mass flow mwater _{1 to be} admixed is determined

(Verfahrensschritt 120) und anschließend überprüft, ob aktuell ein zweiter Wassermassenstrom mwasser₂ in die Brennkammerströmung zugemischt wird (Verfahrensschritt 121 ). Bei positivem Ergebnis dieser Abfrage wird der maximal zulässige Gesamt-Wassermassenstrom mwasser gesamt, maximal gemäß(Step 120) and then checks whether currently a second mass flow of water mwasser _{2 is} mixed into the combustion chamber flow (step 121). If the result of this query is positive, the maximum permissible total mass flow of water is total, up to maximum

Verfahrensschritt 122 bestimmt, wobei ein minimaler Druck-Pumpgrenzabstand PSMmin nicht unterschritten werden darf. In den Verfahrensschritten 123 und 124-11 bzw. 124-111 (oder auch 124-1, sofern kein zweiter Wassermassenstrom zugemischt wird) wird anschließend die Menge an zweitem Wassermassenstrom, der imMethod step 122 determines, wherein a minimum pressure-surge limit distance PSMmin must not be fallen below. In process steps 123 and 124-11 or 124-111 (or also 124-1, if no second mass flow of water is admixed), the amount of second mass flow of water which is in the

Weiteren der Brennkammerströmung zugemischt wird, bestimmt. Abschließend wird in Verfahrensschritt 125 die zuzumischende Menge an erstem Wassermassenstrom mwasser ₁ sowie die zuzumischende Menge an zweitem Wassermassenstrom mwasser ₂ eingeregelt und die Zumischungen gestartet. Die hierauf folgenden Verfahrensschritte verlaufen analog zu den Verfahrensschritten 108 - 112 aus Figur 8-II.Further, the combustion chamber flow is mixed determined. Finally, in process step 125, the admixing amount of first mass flow of water mew ₁ and the admixed amount of second mass flow of water m _{2 are} adjusted and the admixtures are started. The subsequent method steps are analogous to the method steps 108-112 of FIG. 8-II.

Die hier beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Turbomaschine stellen nur beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar, die von einem Fachmann durchaus in vielfältiger Weise ergänzt und/oder modifiziert werden können, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.The embodiments of the method according to the invention and of the turbomachine according to the invention described here represent only exemplary embodiments of the invention which can be supplemented and / or modified by a person skilled in the art in many ways without departing from the inventive concept.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 Gasturbine1 gas turbine

2 Verdichter2 compressors

3 Brennkammer3 combustion chamber

3-B Brennstoffzuführung 4 Turbine3-B fuel supply 4 turbine

5 Generator5 generator

6 erste Welle6 first wave

7 zweite Welle 8 Stromnetz 9 Strömungspfad der Arbeitsfluidströmung7 second wave 8 power grid 9 flow path of the working fluid flow

10 Einlaufkanal des Verdichters10 inlet channel of the compressor

11 , 11-1 , 11-2 Zuführleitung 11-Z,11, 11-1, 11-2 supply line 11-Z,

11-1 -Z, 11-2-Z Zumischstelle11-1 -Z, 11-2-Z admixing point

12, 12-1 , 12-2 Regelventil 13 Regelungsvorrichtung12, 12-1, 12-2 control valve 13 control device

20 Verdichterkennfeld20 compressor map

21a - 21g,21a - 21g,

21 trocken i 21 feucht Aero-Drehzahllinien21 dry i 21 damp aero speed lines

22, 22-1 , 22-2 Pumpgrenze22, 22-1, 22-2 surge limit

23, 23-1 , 23-2, 23trockeriι 23f_eucht Betriebslinie23, 23-1, 23-2, 23trockeri 23 23f _e ucht operating line

24, 24trockenι 24f_θucnt Nennbetriebspunkt 25-1 , 25-2 Schnittpunkte der Betriebslinie und der Pumpgrenze24, 24trockenι 24f _θucn t nominal operating point 25-1, 25-2 points of intersection of the operating line and the surge line

30-0 Verdichterdruckverlauf für trockene Arbeitsfluidströmung 30-1 , 30-2, 30-3 Verdichterdruckverlauf für feuchte Arbeitsfluidströmungen30-0 Compressor Pressure Path for Dry Working Fluid Flow 30-1, 30-2, 30-3 Compressor Pressure Path for Wet Working Fluid Flows

101 - 112 Verfahrensschritte101 - 112 process steps

105-J, 105-N, 111 -J, 111 -N Sprunganweisungen105-J, 105-N, 111 -J, 111 -N jump instructions

112-R Sprunganweisung112-R jump instruction

120 - 125 Verfahrensschritte120 - 125 process steps

121 -J, 121 -N, 123-J, 123-N Sprunganweisungen121-J, 121 -N, 123-J, 123-N jump instructions

m _red reduzierte Massendurchsatz m Wasser 1 erster Wassermassenstrom m Wasser 2 zweiter Wassermassenstromm _r ed reduced mass flow rate m 1 water first water mass flow m water 2 second water mass flow

0,5_x n aero Aero-Drehzahl (n _aero = n mech / T Umgebung ^υ'°) ⁿ mech (mechanische) Drehzahl0.5 _x n aero aero speed (n _ae ro = n mech / T environment ^υ '°) ⁿ mech (mechanical) speed

PSM, PSMtrocken, PSMf_ΘUCht Druck-Pumpgrenzabstand SSM, SSM-1. SSM-2, SSMtrockeni SSMf_θucnt Drehzahl-Pumpgrenzabstand T Umgebung Umgebungstemperatur U UmgebungPSM, PSM dry, PSMf _ΘUC ht pressure-surge margin SSM, SSM-1. SSM-2, SSMtrockeni SSMf _θucn t Speed / surge margin T Ambient Ambient temperature U environment

Δp_s Druckdifferenz π Druckverhältnis Δp _s pressure difference π pressure ratio

Claims

Patentansprüche claims

1. Verfahren zur Erhöhung der aerodynamischen Stabilität einer Arbeitsfluidströmung eines Verdichters einer Turbomaschine, speziell eines Verdichters einer Gasturbine, insbesondere zur Erhöhung der aerodynamischen Stabilität der Arbeitsfluidströmung des Verdichters gegenüber schnell ändernden Aero-Drehzahlen des Verdichters, umfassend, der Arbeitsfluidströmung des Verdichters einen ersten Wassermassenstrom zuzumischen.A method for increasing the aerodynamic stability of a working fluid flow of a compressor of a turbomachine, especially a compressor of a gas turbine, in particular for increasing the aerodynamic stability of the working fluid flow of the compressor against rapidly changing aero speeds of the compressor comprising mixing a first mass flow of water to the working fluid flow of the compressor ,

2. Verfahren gemäss Anspruch 1 , weiterhin umfassend, den ersten Wassermassenstrom der Arbeitsfluidströmung des Verdichters während des Betriebs der Turbomaschine kontinuierlich zuzumischen.2. The method of claim 1, further comprising continuously mixing the first water mass flow of the working fluid flow of the compressor during operation of the turbomachine.

3. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend, die Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung des Verdichters während des fortlaufenden Betriebs der Turbomaschine zu beginnen.3. The method of claim 1, further comprising starting to mix the first mass flow of water with the working fluid flow of the compressor during continuous operation of the turbomachine.

4. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend, die kontinuierliche Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung zu beginnen, sobald eine aktuelle Verdichterdrehzahl einen Verdichterdrehzahl-Grenzwert unterschreitet.4. The method of claim 1, further comprising starting the continuous admixture of the first mass flow of water to the working fluid flow as soon as a current compressor speed falls below a compressor speed limit.

5. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend, die kontinuierliche Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung zu beginnen, sobald eine aktuelle Umgebungstemperatur einen Umgebungstemperatur-Grenzwert überschreitet.5. The method of claim 1, further comprising starting the continuous admixture of the first mass flow of water to the working fluid flow as soon as a current ambient temperature exceeds an ambient temperature limit.

6. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend, die kontinuierliche Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung zu beginnen, sobald eine aktuelle Aero-Drehzahl einen Aero-Drehzahl-Grenzwert unterschreitet.6. The method of claim 1, further comprising starting the continuous admixing of the first mass flow of water to the working fluid flow as soon as a current aero speed falls below an aero speed limit.

7. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend, den ersten Wassermassenstrom in Abhängigkeit der Abweichung der aktuellen Verdichterdrehzahl von dem Verdichterdrehzahl-Grenzwert und/oder der Abweichung der aktuellen Umgebungstemperatur von dem oberen Temperaturgrenzwert und/oder der Abweichung der aktuellen Aero- Drehzahl von dem unteren Aero-Drehzahl-Grenzwert zu bemessen.7. The method of claim 1, further comprising the first mass flow of water as a function of the deviation of the current compressor speed from the compressor speed limit and / or the deviation of the current ambient temperature from the compressor upper temperature limit and / or the deviation of the current aero speed from the lower aero speed limit.

8. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend, die kontinuierliche Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung wieder zu beenden, sobald die aktuelle Verdichterdrehzahl den Verdichterdrehzahl-Grenzwert um einen Drehzahldeltawert überscheitet und/oder die aktuelle Umgebungstemperatur den Umgebungstemperatur-Grenzwert um ein Temperaturdeltawert unterschreitet und/oder die aktuelle Aero-Drehzahl den Aero-Drehzahl-8. The method of claim 1, further comprising resuming the continuous admixture of the first mass flow of water to the working fluid flow as soon as the current compressor speed exceeds the compressor speed threshold by a speed delta value and / or the current ambient temperature exceeds the ambient temperature threshold by a temperature delta falls below and / or the current aerodynamic speed exceeds the aerodynamic

Grenzwert um einen Aero-Drehzahldeltawert überschreitet.Exceeds the limit by an aerodynamic speed delta value.

9. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, weiterhin umfassend, den ersten Wassermassenstrom der Arbeitsfluidströmung während der gesamten Betriebsdauer der Turbomaschine kontinuierlich zuzumischen.9. The method of claim 1, further comprising continuously mixing the first water mass flow of working fluid flow throughout the operating time of the turbomachine.

10. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend, den ersten Wassermassenstrom gleichmäßig über den Umfang des Verdichters verteilt oder näherungsweise gleichmäßig über den Umfang des Verdichters verteilt der Arbeitsfluidströmung zuzumischen.A method according to any one of the preceding claims, further comprising distributing the first mass flow of water uniformly over the circumference of the compressor or mixing it approximately evenly over the circumference of the compressor to distribute the working fluid flow.

11. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend, den ersten Wassermassenstrom der Arbeitsfluidströmung mittels Verdüsung zuzumischen.A method according to any one of the preceding claims, further comprising admixing the first mass flow of water to the working fluid flow by means of atomization.

12. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend, wenigstens einen Teil des ersten Wassermassenstroms der Arbeitsfluidströmung stromauf des Eintritts der Arbeitsfluidströmung in den Verdichter zuzumischen.12. The method of claim 1, further comprising mixing at least a portion of the first water mass flow of the working fluid flow upstream of the entrance of the working fluid flow into the compressor.

13. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verdichter ein mehrstufiger Verdichter ist, und das Verfahren umfasst, wenigstens einen Teil des ersten Wassermassenstroms der Arbeitsfluidströmung in einer Verdichterstufe stromab einer ersten Verdichterstufe des Verdichters zuzumischen.13. The method of claim 1, wherein the compressor is a multi-stage compressor, and the method comprises mixing at least a portion of the first water mass flow of working fluid flow in a compressor stage downstream of a first compressor stage of the compressor.

14. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend, zur Erhöhung der Leistung der Turbomaschine der Arbeitsfluidströmung stromab des Verdichters im Bereich der Brennkammer einen zweiten Wassermassenstrom zuzumischen.14. The method according to any one of the preceding claims, further comprising, for increasing the performance of the turbomachine of Working fluid flow downstream of the compressor in the combustion chamber to mix a second water mass flow.

15. Verfahren gemäss Anspruch 14, weiterhin umfassend, den zweiten Wassermassenstrom zeitgleich mit dem Beginn der Zumischung des ersten15. The method according to claim 14, further comprising, the second water mass flow at the same time as the beginning of the admixture of the first

Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung wenigstens um einen Anteil zu vermindern.Water mass flow to the working fluid flow at least by a proportion to reduce.

16. Verfahren gemäss Anspruch 15, weiterhin umfassend, den verminderten Anteil des zweiten Wassermassenstroms teilweise oder vollständig als ersten16. The method according to claim 15, further comprising, partially or completely, the reduced portion of the second mass flow of water as the first

Wassermassenstrom der Arbeitsfluidströmung zuzumischen.Mix water mass flow of the working fluid flow.

17. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Massendurchsatz des ersten Wassermassenstroms zwischen 0,2% und 1% der Arbeitsfluidströmung, insbesondere zwischen 0,3% und 0,6% der17. The method according to any one of the preceding claims, wherein the mass flow rate of the first water mass flow between 0.2% and 1% of the working fluid flow, in particular between 0.3% and 0.6% of

Arbeitsfluidströmung, ist.Working fluid flow is.

18. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der obere Temperaturgrenzwert für den Beginn der Zumischung zwischen 4O⁰C und 45⁰C liegt und/oder der untere Temperaturgrenzwert, bei dem die18. The method according to any one of the preceding claims, wherein the upper temperature limit for the start of mixing between 4O ⁰ C and 45 ⁰ C, and / or the lower temperature limit at which the

Zumischung wieder beendet wird, zwischen 35⁰C und 4O⁰C liegt.Added mixture is terminated, between 35 ⁰ C and 4O ⁰ C.

19. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren zur Rückgewinnung alterungsbedingt verminderter aerodynamischer Stabilitätsreserven eines Verdichters verwendet wird.19. The method according to any one of the preceding claims, wherein the method for recovering aging-related reduced aerodynamic stability reserves of a compressor is used.

20. Turbomaschine, insbesondere Gasturbine (1 ) einer Kraftwerksanlage, mit einem Verdichter (2), einer Brennkammer (3) und einer mit dem Verdichter (2) antriebsverbundenen Turbine (4), wobei im Betrieb der Turbomaschine eine Arbeitsfluidströmung längs eines Strömungspfads (9) nacheinander den20. Turbomachine, in particular gas turbine (1) of a power plant, with a compressor (2), a combustion chamber (3) and with the compressor (2) drive-connected turbine (4), wherein in operation of the turbomachine a working fluid flow along a flow path (9 ) successively the

Verdichter (2), die Brennkammer (3) und die Turbine (4) durchströmt, sowie mit einer Zumischvorrichtung (11 ,12) zur Zumischung eines ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, um so die aerodynamische Stabilität der durch den Verdichter strömenden Arbeitsfluidströmung zu erhöhen.Compressor (2), the combustion chamber (3) and the turbine (4) flows through, as well as with an admixing device (11, 12) for mixing a first water mass flow to the working fluid flow according to the method of any one of the preceding claims, so as to improve the aerodynamic stability of to increase by the compressor flowing working fluid flow.

21. Turbomaschine gemäss Anspruch 20, wobei die Zumischvorrichtung (11 ,12) stromauf des Verdichters (2) in den Strömungspfad (9) einmündet. 21. Turbomachine according to claim 20, wherein the admixing device (11, 12) opens upstream of the compressor (2) in the flow path (9).

22. Turbomaschine gemäss einem der Ansprüche 20 oder 21 , wobei der Verdichter (2) mehrstufig ausgeführt ist und die Zumischvorrichtung (11 , 12) im Bereich einer stromab der ersten Verdichterstufe angeordneten Verdichterstufe des Verdichters (2) in den Strömungspfad (9) einmündet.22. Turbomachine according to one of claims 20 or 21, wherein the compressor (2) is designed in several stages and the admixing device (11, 12) in the region of a downstream of the first compressor stage arranged compressor stage of the compressor (2) opens into the flow path (9).

23. Turbomaschine gemäss einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die Zumischvorrichtung (11 ) wenigstens einen Düsenring und/oder wenigstens einen Düsenrechen umfasst.23. Turbomachine according to one of claims 20 to 22, wherein the admixing device (11) comprises at least one nozzle ring and / or at least one nozzle rake.

24. Turbomaschine gemäss einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei die Turbomaschine des Weiteren eine Regelungsvorrichtung (13) umfasst, mittels der die Zumischung des ersten Wassermassenstroms zu der Arbeitsfluidströmung gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19 geregelt wird. 24. Turbomachine according to one of claims 20 to 23, wherein the turbomachine further comprises a control device (13) by means of which the mixing of the first water mass flow is controlled to the working fluid flow according to the method of one of claims 1 to 19.