Beschreibung Brennnstoffvorwärmung in einer Gasturbine Der Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Be- treiben einer Gasturbine mit einer Brennkammer, einer zumin- dest zwei Reihen von Schaufeln umfassenden Turbine und einem Luftverdichter, wobei der Brennkammer verdichtete Luft und Brennstoff und der Turbine Kühlluft zugeführt werden. Die Er- findung betrifft außerdem eine insbesondere nach diesem Ver- fahren arbeitende Gasturbine.

Die Erfindung bezieht sich dabei insbesondere auf eine Gasturbine, die im Verbund mit einer Dampfturbine arbeitet, derart, daß Abgas, welches der Gasturbine entströmt, zur Be- reitstellung von hochgespanntem Dampf genutzt wird, welcher in der Dampfturbine unter Leistung mechanischer Arbeit ent- spannt wird. Solche Verbunde aus Gasturbinen und Dampfturbi- nen werden beispielsweise in sogenannten Kombi-Kraftwerken realisiert ; sie erlauben die Erzeugung elektrischen Stroms mit Wirkungsgraden von 50% und mehr.

Eine Gasturbine ist generell ein Verbund aus einem Verdichter für Luft, zumindest einer Brennkammer zur Verbrennung eines Brennstoffes mit der vom Verdichter komprimierten Luft und einer Turbine im eigentlichen Sinn, worin das in der Brenn- kammer erzeugte heiße Rauchgas arbeitsleistend entspannt wird. In der Regel sind der Verdichter und die Turbine mit- einander mechanisch verkoppelt. Häufig ist der Luftverdichter ein Turboverdichter.

Üblicherweise werden beim Betrieb einer Gasturbine die Schau- feln der Turbine gekühlt. Dazu ist aus einer Vielzahl von Do- kumenten bekannt, ein offenes Kühlsystem zur Ausbildung einer Filmkühlung mit Kühlluft vorzusehen, welches die zur Kühlung verwendete Kühlluft durch die Schaufeln der Turbine führt.

Dabei wird ein Teil der verdichteten Luft als Kühlluft ver-

wendet, die dann in der Turbine aus offenen Schaufeln aus- tritt und dem Rauchgasstrom zugemischt wird. Infolge des Ab- strömens der Kühlluft aus Leit-und/oder Laufschaufeln führt die offene Luftkühlung der Schaufeln zu einem Absenken der Temperatur der Rauchgase innerhalb und abströmseitig hinter der Turbine. Dies vermindert den Wirkungsgrad der Gasturbine.

Der thermodynamische Wirkungsgrad eines Verbundes aus einer Gas-und einer Dampfturbine ist zudem nicht nur bestimmt durch den Wirkungsgrad von Gas-oder Dampfturbine, sondern in starkem Maße auch abhängig von der thermodynamischen Verkop- pelung der beiden Maschinen. Eine wesentliche Bestimmungs- größe ist dabei die Temperatur des der Gasturbine entströmen- den Abgases.

Zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades ist es bekannt, die verdichtete Luft durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Ab- gas aus der Turbine aufzuheizen.

Zur Erhöhung der Abgastemperatur ist in der DE 43 30 613 A1 ein Konzept für eine Leitschaufel einer Gasturbine beschrie- ben, das in einem offenen Kühlsystem mit der Kühlluft einen geringen Anteil an Brennstoff unmittelbar zur Turbine zu- führt, wodurch eine Zwischenerhitzung des Abgases ohne auf- wendige apparative Maßnahmen erreicht wird, was zu einer Steigerung des Wirkungsgrades führt.

Gleichfalls wirkungsgradsteigernd sind Kühlkonzepte, die statt in einem offenen System in einem geschlossenen System Kühlfluid führen.

Beispielsweise aus der DE 196 21 385 Al ist es bekannt, in einem geschlossenen Kühlsystem in einer Leitschaufel und ei- ner Laufschaufel einen ersten Stoff zur Kühlung der Leit- schaufeln zu führen, welcher mit einem zweiten Stoff endo- therm reagiert. Die für eine endotherme Reaktion benötigte Energie kann vorzugsweise durch Aufnahme von Wärme aus dem

heißen Rauchgasstrom erfolgen. Das Reaktionsprodukt wird an- schließend der Brennkammer zugeführt, wobei die chemisch ein- gebundene Reaktionsenergie sowie von den Stoffen aufgenommene Wärme in dem Verbrennungsprozeß freigesetzt werden. Dies be- wirkt eine Verminderung des Brennstoffverbrauchs und demzu- folge eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Gasturbine.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine anzugeben, mit dem bei guter Küh- lung der Schaufeln der Turbine ein gesteigerter Wirkungsgrad erzielt wird. Weiterhin soll eine, insbesondere zur Durchfüh- rung des Verfahrens, geeignete Gasturbine mit hohem Wirkungs- grad angegeben werden.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, indem wenigstens ein Teil des Brennstoffes vor seiner Einleitung in die Brenn- kammer im Innenraum der Schaufeln ausgebildete Hohlräume zu- mindest in einem Teilbereich der Schaufeln durchströmt und dabei gleichzeitig vorgewärmt wird. Die so von dem Brennstoff aufgenommene thermische Energie braucht in vorteilhafter Weise nicht mehr über ein Kühlfluid, beispielsweise Kühlluft, abgeführt zu werden. Die so eingesparte Kühlluft vermindert die Arbeit des Luftverdichters, die sonst von der Turbine aufgebracht werden müßte. Außerdem gelangt vorgewärmter Brennstoff in die Brennkammer. Demzufolge wird der Wirkungs- grad der Gasturbine erhöht.

Erfindungsgemäß bevorzugt bilden die in den Schaufeln ausge- bildeten Hohlräume, in denen der Bennstoff strömt, ein gegen- über dem Inneren der Gasturbine geschlossenes System. Dadurch ist gewährleistet, daß der Brennstoff nicht mit anderen Strö- mungsmedien in Berührung kommt wie beispielsweise einem Kühl- fluid oder dem Rauchgas (Aktionsfluid). Insbesondere sind durch das geschlossene System unkontrollierte Verbrennungen außerhalb der Brennkammer ausgeschlossen.

Eine einfachste Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß der Brennstoff nacheinander mehrere, insbesondere alle, Reihen von Schaufeln durchströmt und anschließend der Brenn- kammer zugeführt wird.

In einer alternativen Ausführungsform wird der Brennstoff se- parat, d. h. in getrennten Strömen durch mehrere Reihen von Schaufeln und anschließend jeweils getrennt oder als einheit- licher Strom der Brennkammer zugeführt. Eine solche Zuführung des Brennstoffs ermöglicht in vorteilhafter Weise eine lastabhängige Steuer-und Regelung der Gasturbine.

Erfindungsgemäß bevorzugt durchströmt die der Turbine zuge- führte Kühlluft andere, im Innenraum der Schaufeln ausgebil- dete Hohlräume in einem weiteren Teilbereich der Schaufeln und tritt wenigstens teilweise an den Schaufeln in bevorzug- ter Weise so aus, daß sich auf der Außenfläche der Schaufeln ein Luftfilm ausbildet.

Zur Temperaturerhöhung des aus der Turbine ausströmenden Ab- gases können vorzugsweise der Kühlluft geringe Anteile an Brennstoff beigemischt werden, die in der Turbine verbrennen.

Bezüglich der Gasturbine, die eine Brennkammer, eine zumin- dest zwei Reihen von Schaufeln umfassende Turbine und einen Luftverdichter sowie eine Brennluftleitung zum Zuführen von verdichteter Luft und wenigstens eine Brennstoffleitung zum Zuführen von Brennstoff in die Brennkammer sowie wenigstens eine Kühlluftleitung zum Zuführen von Kühlluft in die Turbine umfaßt, wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch ge- löst, daß wenigstens ein Teil des Brennstoffes von einer Ver- sorgungseinheit durch im Innenraum der Schaufeln ausgebildete Hohlräume, welche zumindest in einem Teilbereich der Schau- feln ein gegenüber dem Inneren der Gasturbine geschlossenes System bilden, zur Brennkammer geführt ist.

In einer einfachen Ausführungsform ist der Brennstoff vor- zugsweise nacheinander durch mehrere, insbesondere durch alle, Reihen von Schaufeln der Turbine der Brennkammer zuge- führt.

Alternativ ist der Brennstoff bevorzugt separat durch mehrere Reihen von Schaufeln und anschließend jeweils getrennt oder als einheitlicher Strom der Brennkammer zugeführt, was sich insbesondere vorteilhaft auf die Steuer-und Regelbarkeit der Gasturbine auswirkt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson- dere darin, daß durch Zuführen von Brennstoff durch im Innen- raum der Schaufeln ausgebildete Hohlräume, welche ein gegen- über dem Inneren der Gasturbine geschlossenes System bilden, der Brennstoff thermische Energie aufnimmt, die sonst mittels eines Kühlfluides abgeführt werden müßte. Während man so ei- nerseits durch Erwärmung des Brennstoffs eine Verminderung des Brennstoffverbrauches bewirkt, spart man andererseits Kühlluft für die Turbine und vermindert die Arbeit des Luft- verdichters, die sonst von der Turbine aufgebracht werden müßte. Demzufolge wird der Wirkungsgrad der Gasturbine er- höht. Zusätzlich werden Wirkungsgradverluste in der Turbine durch Mischung von heißem Aktionsfluid mit Kühlluft dadurch reduziert, daß nur noch vermindert Kühlluft an den Schaufeln austritt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiels einer Gasturbine erläutert.

Es zeigen : Fig. 1 schematisiert eine erfindungsgemäße Gasturbine ; und Fig. 2 schematisiert eine bevorzugt verwendete Schaufel einer Gasturbine nach Fig. 1 in einem Querschnitt.

Figur 1 zeigt schematisiert eine Gasturbine 31. Diese umfaßt eine Turbine 33 mit über eine Turbinenwelle 35 angekoppelten Luftverdichter 34 und Generator 36. Sie umfaßt weiter eine der Turbine 33 vorgeschaltete Brennkammer 32. Der Luftver- dichter 34 weist saugseitig eine Ansaugleitung 37 und druck- seitig wenigstens eine Kühlluftleitung 43 auf, die in die Turbine 33 mündet. Der Luftverdichter 34 weist außerdem druckseitig eine Brennluftleitung 38 auf, die in die Brenn- kammer 32 mündet.

Für den vorzuwärmenden Brennstoffanteil führt eine Brenn- stoffleitung 40 von einer Versorgungseinheit 39 zur Turbine 33. Desweiteren ist an die Turbine 33 eine Brennstoffleitung 41 für den vorgewärmten Brennstoff 6 angeschlossen. Die Tur- bine 33 weist außerdem eine Abgasleitung 44 auf. Eine Rauch- gasleitung 45 verbindet die Brennkammer 32 mit der Turbine 33. Darüber hinaus ist die Brennkammer 32 auch direkt über eine Brennstoffleitung 42 mit der Versorgungseinheit 39 ver- bunden.

Die Turbine 33 umfaßt zumindest zwei Reihen 46,47 von Schau- feln 1, insbesondere ein Leitrad 46 und ein Laufrad 47. Im Innenraum 21 der Schaufeln 1 sind Hohlräume 20,22,22a, 23, 23a ausgebildet. Diese im Innern der Schaufeln 1 ausgebilde- ten Hohlräume 20,22,22a, 23,23a bilden zumindest in einem Teilbereich der Schaufeln 1 ein gegenüber dem Inneren der Gasturbine 31 geschlossenes System. In einem weiteren Teilbe- reich der Schaufeln 1 bilden andere, im Inneren der Schaufeln 1 ausgebildete Hohlräume 25,25a ein offenes System.

Figur 2 zeigt schematisiert unter Darstellung der für die Er- läuterung verwendeten konstruktiven und funktionellen Merk- male eine bevorzugt verwendete Schaufel l einer Gasturbine 31 in einem Querschnitt, welche sich entlang einer Hauptachse 19 erstreckt. Die Schaufel 1 kann entlang der Hauptachse 19 ge- krümmt, verwunden sowie verdreht sein, so daß sich der in der

Figur 2 dargestellte Querschnitt der Schaufel 1 über der Hauptachse 19 verändern kann. Die Schaufel 1 weist an einem nicht dargestellten Ende einen Schaufelfuß zur Befestigung auf. Die Schaufel 1 weist eine Wandstruktur 2 auf mit einem Anströmbereich 8,-einem Abströmbereich 9 sowie einer Druck- seite 10 und einer Saugseite 11, die einander gegenüber ange- ordnet sind. Die Wandstruktur 2 weist zudem eine Außenwand 3 auf, die einen Innenraum 21 umschließt. In diesem Innenraum 21 sind strömungstechnisch voneinander getrennt liegende Hohlräume 20,22,22a, 23,23a, 25,25a, insbesondere Brenn- stoffzuführungen 22,22a, Brennstoffabführungen 23,23a sowie Kühlluftzuführungen 25,25a vorgesehen, die jeweils im we- sentlichen parallel zu der Hauptachse 19 gerichtet sind. Die genannten Zuführungen 22,22a, 25,25a und Abführungen 23, 23a erstrecken sich von dem nicht dargestellten Schaufelfuß bis zu einem dem ersten Ende der Schaufel 1 gegenüberliegen- den nicht dargestellten zweiten Ende, wo sie verschlossen sind. Die Schaufel 1 wird von einem Heißgas 18 (Aktionsfluid) umströmt, so daß eine Außenoberfläche 14 der Außenwand 3 von dem Heißgas 18 beaufschlagbar ist. Das Heißgas 18 strömt die Schaufel 1 an dem Anströmbereich 8 an und strömt entlang der Schaufel 1 bis zu dem Abströmbereich 9. In der Strömungsrich- tung des Heißgases 18 sind im Innenraum 21 nacheinander die Kühlluftzuführung 25 des Anströmbereichs 8, die Brennstoffab- führung 23, die Brennstoffzuführung 22, die Brennstoffabfüh- rung 23a, die Brennstoffzuführung 22a sowie die Kühlluftzu- führung 25a des Abströmbereiches 9 angeordnet. An der Saug- seite 11 sowie der Druckseite 10 weist die Wandstruktur 2 eine Mehrzahl hintereinander angeordneter Kammern 20 auf.

Weitere, nicht dargestellte, Kammern sind an der Saugseite 11 sowie an der Druckseite 10 in Richtung der Hauptachse 19 vor- gesehen. Die Kammern 20 sind zwischen einer dem Innenraum 21 zugewandten Innenwand 4 und der Außenwand 3 angeordnet. Jede Kammer 20 weist einen jeweiligen Einlaß 15 für Brennstoff 6 auf, der jeweils mit einer zugeordneten Brennstoffzuführung 22,22a verbunden ist. Der Einlaß 15 einer jeweiligen Kammer 20 erstreckt sich entlang einer Einlaßachse 24, die im we-

sentlichen senkrecht auf der Außenwand 3 steht. Hierdurch ist bei Einströmen des Brennstoffes 6 in die Kammer 20 eine zu- sätzliche Prallkühlung der Außenwand 3 erreichbar. Weiterhin weist jede Kammer 20 einen Auslaß 16 auf, der eine strömungs- technische Verbindung zwischen der Kammer 20 und einer zuge- ordneten Brennstoffabführung 23,23a herstellt. Die Kammern 20 sind jeweils von dem Brennstoff 6 in Richtung oder entge- gen der Strömungsrichtung des Heißgases 18 durchströmbar.

Vorzugsweise sind in Strömungsrichtung 12 des Brennstoffes 6 in jeder Kammer 20 eine Mehrzahl einander nachgeordneter Wär- meübertragungselemente 7 angeordnet. Weitere in den Kammern 20 entlang der Achse 19 angeordnete Wärmeübertragungselemente 7 sind nicht dargestellt. Diese können gegenüber den darge- stellten Wärmeübertragungselementen 7 in Strömungsrichtung 12 versetzt sein, wodurch eine hohe Wärmeübertragung in den Kam- mern 20 erreichbar ist.

Beim Betrieb der Gasturbine 31 wird der Brennkammer 32 über die Brennstoffleitung 42 ein erster Teilstrom, vorzugsweise fossilen, Brennstoffes 6, beispielsweise Erdgas oder Kohle- gas, zugeführt. Darüber hinaus wird der Brennkammer 32 über die Brennstoffleitung 41 ein zweiter Teilstrom von Brennstoff 6 zugeführt, welcher in der Turbine 33 vorgewärmt wurde. Die Vorwärmung des Brennstoffes 6 erfolgt bevorzugt dadurch, in- dem der über die Brennstoffleitung 40 der Turbine 33 zuge- führte Brennstoff 6 die im Innenraum 21 der Schaufeln 1 als ein gegenüber dem Inneren der Gasturbine 31 geschlossenes Sy- stem ausgebildeten Hohlräume 20,22,22a, 23,23a durchströmt und dabei thermische Energie aufnimmt. Dazu strömt der Brenn- stoff 6 an dem in Figur 2 nich-t dargestellten ersten Ende in die Schaufel 1 ein und durchströmt die Schaufel 1 bis zu dem zweiten, ebenfalls nicht dargestellten Ende. Von dem Brenn- stoff 6 wird jeweils ein Teil in jede axial übereinander an- geordnete Kammer 20 so abgeführt, daß er über einen Wärmeaus- tausch mit der Außenwand 3 sowie den Wärmeübertragungselemen- ten 7 Wärme aufnimmt, wodurch der Brennstoff 6 vorgewärmt und gleichzeitig die Außenwand 3 gekühlt wird. Nach Durchströmen

der Kammer 20 tritt der Brennstoff 6 in eine Brennstoffabfüh- rung 23,23a ein. Der in den Brennstoffabführungen 23,23a wieder vereinigte Brennstoffstrom gelangt durch das nicht dargestellte erste Ende wieder aus der Schaufel 1 heraus.

Der Brennstoff 6 wird entweder nacheinander, durch mehrere, insbesondere durch alle, Reihen 46,47 von Schaufeln 1 der Turbine 33 oder separat, d. h. in getrennten Strömen durch mehrere Reihen 46,47 von Schaufeln 1 der Turbine 33 und an- schließend jeweils getrennt oder als einheitlicher Strom der Brennkammer 32 zugeführt.

Die Aufteilung des Brennstoffes 6 in Teilströme ermöglicht in vorteilhafter Weise eine bessere lastabhängige Steuer-und Regelbarkeit der Turbine 33.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind Brennstofflei- tungen 40,41,42 und die im Innenraum 21 der Schaufeln 1 als ein gegenüber dem Inneren der Gasturbine 31 geschlossenes Sy- stem ausgebildeten Hohlräume 20,22,22a, 23,23a so ausge- legt, daß der Brennstoff 6 überwiegend, bestenfalls insge- samt, vorgewärmt der Brennkammer 32 zugeführt wird.

Der so vorgewärmte Brennstoff 6 wird zusammen mit dem ggf. über die Brennstoffleitung 42 direkt zugeführten Brennstoff und der verdichteten Brennluft oder mit Frischluft in der Brennkammer 32 verbrannt. Das bei der Verbrennung entstehende heiße Rauchgas 18 (Aktionsfluid) wird über die Rauchgaslei- tung 45 in die Turbine 33 geleitet. Dort entspannt sich das Rauchgas und treibt die Turbine 33 an. Diese wiederum treibt den Luftverdichter 34 und den Generator 36 an. Das Rauchgas 18 verläßt die Turbine 33 als Abgas über die Abgasleitung 44 in Richtung auf einen (nicht dargestellten) Kamin. Alternativ kann das Abgas vorzugsweise auch zur Erzeugung von Dampf in einem Abhitzedampferzeuger einer Gas-und Dampfturbinenanlage genutzt werden. Eine derartige Gas-und Dampfturbinenanlage ist z. B. aus der EP 0 410 111 B1 bekannt.

Das Rauchgas 18 weist bei Eintritt in die Turbine 33 eine hohe Temperatur von mehr als 1100°C auf. Daher müssen Teile der Turbine 33, insbesondere die Schaufeln 1, zusätzlich ge- kühlt werden. Ein-Großteil der abzuführenden thermischen Energie wird in den brennstoffdurchströmten Teilbereichen der Schaufeln 1 vom Brennstoff 6 aufgenommen und abgeführt. In den verbleibenden Teilbereichen der Schaufeln 1, insbesondere im Anströmbereich 8 und Abströmbereich 9, durchströmt Kühl- luft 6a andere, im Innenraum 21 der Schaufeln 1 als offenes System ausgebildete Hohlräume 25,25a, wobei die Kühlluftzu- führung 25, wie in Figur 2 dargestellt, im Anströmbereich 8 eine Mehrzahl von Auslässen 16 aufweist, durch die Kühlluft 6a an die Außenoberfläche 14 der Schaufel 1 gelangt. Hier- durch ist eine zusätzliche Filmkühlung der Schaufeln 1 durch die Kühlluft 6a gewährleistet. Die Kühlluftzuführung 25a des Abströmbereiches 9 weist ebenfalls einen Auslaß 16a zur Aus- strömung von Kühlluft 6a auf, wobei zwischen den Außenwänden der Saugseite 11 und der Druckseite 10 Wärmeübertragungsele- mente 7 angeordnet sind.

Alternativ oder kumulativ kann zur Temperaturerhöhung des aus der Turbine 33 ausströmenden Abgases der Kühlluft 6a geringe Anteile an Brennstoff 6 beigemischt werden, die in der Tur- bine 33 verbrennen.

Die in der Turbine 33 bevorzugt verwendeten Schaufeln 1 zeichnen sich dadurch aus, daß die Außenwand 3 der Schaufeln 1 an der Saugseite 11 und der Druckseite 10 ein gegenuber dem Inneren der Gasturbine 31 geschlossenes System aufweisen, durch das wenigstens ein Teil des Brennstoffes 6 vor seiner Einleitung in die Brennkammer 32 strömt, die Schaufeln 1 kühlt und dabei gleichzeitig vorgewärmt wird, ohne in die Strömung eines die Schaufel 1 umströmenden heißen Aktions- fluides 18 zu gelangen. Zusätzlich können Anströmbereich 8 und Abströmbereich 9 der Schaufeln 1 mit einem offenen System gekühlt werden, wobei vorzugsweise Kühlluft verwendet wird.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß durch Zuführen von Brennstoff 6 durch im Innenraum 21 der Schaufeln 1 ausge- bildete Hohlräume 20,22,22a, 23,23a, welche ein gegenüber dem Inneren der Gasturbine 31 geschlossenes System bilden, der Brennstoff 6 thermische Energie aufnimmt, die sonst mit- tels eines Kühlfluides abgeführt werden müßte. Während man so einerseits durch Erwärmung des Brennstoffs 6 eine Verminde- rung des Brennstoffverbrauches bewirkt, spart man anderer- seits Kühlluft 6a für die Turbine 33 und vermindert die Ar- beit des Luftverdichters 34, die sonst von der Turbine 33 aufgebracht werden müßte. Demzufolge wird der Wirkungsgrad der Gasturbine 31 erhöht. Zusätzlich werden Wirkungsgradver- luste in der Turbine 33 durch Mischung von heißem Aktions- fluid 18 mit Kühlluft 6a dadurch reduziert, daß nur noch ver- mindert Kühlluft 6a an den Schaufeln 1 austritt.