Technisches Gebiet Die Erfindung betrifft eine Gasturbogruppe gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik Parallel mit den Anforderungen an die Leistung und den Wirkungsgrad von Gasturbogruppen steigen die Anforderungen an die Kühlung der thermisch hochbelasteten Maschinenkomponenten einerseits und an die Auslegung des Kühlsystems andererseits. So muss eine ausreichende Kühlung im Interesse der Betriebssicherheit gewährleistet werden. Auf der anderen Seite ist der Kühlluftverbrauch soweit möglich einzuschränken. In der EP 62932 wurde vorgeschlagen, die Komponenten einer Gasturbine mit Dampf im geschlossenen Kreislauf zu kühlen. Dies erfordert eine vergleichsweise aufwändige Abdichtung der kühldampfführenden Komponenten. Gleichzeitig erfolgt eine rein konvektive Kühlung der Komponenten ; auf die Wirkung eines Kühlfilms zur Verminderung des Wärmeeintrags wird hierbei verzichtet. In einer Anzahl weiterer Schriften, wie EP 684 369 oder der EP 995 891 und der dazu korrespondierenden US 6,161, 385 wird vorgeschlagen, zur Kühlung von filmgekühlten Komponenten Dampf oder eine Dampf-Luft-Mischung zu verwenden. Solche Verfahren verbrauchen aber vergleichsweise grosse Dampfmengen, die hohe Anforderungen an die Reinheit und Überhitzung

erfüllen müssen, damit es nicht zu einem Verstopfen der oft nur wenige Zehntel Millimeter grossen Filmkühlungsbohrungen kommt. Selbst wenn die erforderliche Dampfmenge und-qualität zur Verfügung steht, ist die Kühlung der Gasturbogruppe mit Dampf, anders als die mit Verdichter-Anzapfluft, nicht inhärent sicher.

In der Folge weist die Kühlung mit Verdichter-Anzapfluft nach wie vor eine Reihe handfester Vorteile auf, wobei die entnommene Kühlluftmenge im Interesse der Effizienz des Arbeitsprozesses minimiert werden soll. In der Folge werden Kühlluftsysteme immer mehr an der Grenze ausgelegt, um im- aus kühlungstechnischer Sicht-ungünstigsten Betriebspunkt noch eine ausreichende Kühlung sicherzustellen, aber nicht zuviel Kühlluft zu verbrauchen. Das bedeutet einerseits eine hohe Empfindlichkeit auf Abweichungen des Arbeitsprozesses vom Auslegungspunkt, wenn beispielsweise aufgrund von Verschiebungen der Druckverhältnisse in einer Maschine die Kühlluftmengen variieren. Andererseits resultiert in einer Reihe anderer Betriebspunkte eine Überkühlung der thermisch belasteten Komponenten, wodurch die Leistungs-und Wirkungsgradpotentiale unerschlossen bleiben.

Es wurde daher verschiedentlich, beispielsweise in der EP 1 028 230, vorgeschlagen, im Kühlluftpfad variable Drosselstellen anzuordnen. DE 199 07 907 schlägt vor, durch verstellbare Verdichterlaufreihen, welche unmittelbar benachbart zu einer Anzapfstelle für Kühlluft angeordnet sind, unmittelbar den Vordruck der Kühlluft zu justieren. Wiewohl die Implementation dieser Massnahmen erfolgversprechend ist, sind sie natürlich sehr aufwändig und für eine Nachrüstung bestehender Gasturbogruppen kaum geeignet. Daneben birgt der Einbau beweglicher Teile in das Kühlluftsystem, wie in EP 1 028 230 offenbart, die latente Gefahr einer Verstopfung der Kühlluftleitungen bei mechanischem Bauteilversagen.

Darstellung der Erfindung Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Kühlung einer Gasturbogruppe der eingangs genannten Art die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.

Erreicht wird dies durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1.

Kern der Erfindung ist also, eine in den Kühlluftkanälen angeordnete Drosselstelle, wie sie nach dem Stand der Technik zur definierten Einstellung des Kühlluftmassenstroms dem Fachmann geläufig ist, durch einen Bypass zu umgehen, und den Bypassmassenstrom durch geeignete Mittel variabel zu gestalten, indem beispielsweise in einem als Bypass wirkenden zweiten Strömungskanal ein Stellorgan angeordnet wird ; alternativ zu einer variablen Drosselung des Bypasses können auch Mittel angeordnet werden, welche eine variable Antriebskraft auf den Bypassmassenstrom ausüben, wie beispielsweise Ejektoren. Diese Mittel sind so ausgeführt, dass sie externen Steuereingriffen zugänglich sind. Der zweite Strömungskanal ist zweckmässig kleiner dimensioniert als der Kühlluftkanal ; insbesondere ist der zweite Strömungskanal so dimensioniert, dass der durchgesetzte Massenstrom maximal 80% des Massenstroms des Hauptkühlluftkanals beträgt. Als günstig erweisen sich Werte im Bereich von 20% bis 50% ; wenn dies für den angestrebten Variationsbereich ausreicht, kann der Bypassmassenstrom auch auf Werte von 10% und weniger oder auch nur 5% des Hauptmassenstroms oder sogar darunter dimensioniert werden. Der Auslegungsmassenstrom im Bypass muss dabei mindestens der angestrebten Dynamik der Steuerung entsprechen. Insbesondere vorteilhaft ist bei der erfindungsgemässen Lösung, dass nicht der gesamte Kühlluftmassenstrom variabel zu gestalten ist, sondern nur ein Teilstrom durch geeignete Mittel variiert werden muss. Vorteilhaft ist dabei weiterhin, dass dieser Bypasskanal, insbesondere bei der Kühlung des Stators, an eine von aussen zugängliche Stelle der Gasturbogruppe geführt

werden kann, während das Hauptkühlsystem kompakt an der Maschine geführt werden kann. Dies ist ein wesentlicher Vorteil in Bezug auf die Wartung und die Einstellbarkeit ; zudem eignet sich eine solche Massnahme wesentlich besser zur Nachrüstung bestehender Anlagen als eine variable Drosselung des gesamten Haupt-Kühlluftmassenstroms.

Im Hinblick auf die Betriebssicherheit ist es vorteilhaft, die Bypassleitung stromauf der Vereinigung mit der Haupt-Kühlluftströmung mit einem Rückhaltesystem zu versehen, das verhindert, dass im Falle eines Bruches des im Bypass angeordneten Stellorganes Trümmer in die Kühlluftkanäle geraten und diese blockieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung illustrierten Beispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung, wobei für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht notwendige Details weggelassen worden sind.

Die Ausführungsbeispiele und die Figur sind nur instruktiv und in keinem Fall einschränkend zu verstehen.

Weg zur Ausführung der Erfindung Die Figur 1 zeigt eine Gasturbogruppe modernster Bauart mit sequentieller Verbrennung. Eine solche Gasturbogruppe ist aus der EP 620 362 bekanntgeworden. Ein Verdichter 1 verdichtet und fördert Luft auf einen hohen

Druck in eine erste Brennkammer 2a, in der eine erste Brennstoffmenge verbrannt wird. Das gespannte Rauchgas wird in einer ersten Turbine, Hochdruckturbine, 3a teilentspannt, wobei typischerweise ein Druckverhältnis von 1,5 bis 2 erreicht wird, und strömt mit immer noch hoher Temperatur und hohem Druck in eine zweite Brennkammer 2b ein. Der Sauerstoffgehaltes im Rauchgas nach der ersten Brennkammer ist immer noch vergleichsweise hoch, typischerweise bei 15% bis 17%. Daher kann in der zweiten Brennkammer 2b ohne weiteres zusätzlicher Brennstoff zugeführt und verbrannt werden. Das nacherhitzte Heissgas wird in einer Turbine 3b näherungsweise auf Umgebungsdruck entspannt, und strömt in den Abgastrakt 6 ab. Hier kann sich ohne weiteres auch ein Abhitzedampferzeuger befinden ; Gasturbogruppen mit sequentieller Verbrennung eignen sich prinzipbedingt ganz besonders gut für Anwendungen in Kombianlagen. Bei der Entspannung in den Turbinen 3a und 3b geben die Rauchgase eine Leistung ab, die zum Antrieb des Verdichters 1 und eines Generators 4 dient. Aufgrund des hohen, in einer solchen Gasturbogruppe realisierten Druckverhältnisses ist das Kühlsystem mit mindestens zwei unterschiedlichen Druckstufen ausgeführt, im vorliegenden Fall mit einem Hochdruckkühlsystem 20 und einem Niederdruckkühlsystem 21.

Das Hochdruckkühlsystem zweigt Luft vom Verdichteraustritt ab, und verwendet diese zur Kühlung der ersten Brennkammer 2a und der Hochdruckturbine 3a. Das Niederdruckkühlsystem 21 zweigt Luft von einer intermediären Verdichterstufe ab, und verwendet diese zur Kühlung der zweiten Brennkammer 2b und der Niederdruckturbine 3b. Diese Zweiteilung des Kühlsystems ermöglicht es, den Hochdruckteil des Heissgaspfades mit Kühlluft eines hohen Druckes zu versorgen, und andererseits eine verlustreiche starke Drosselung von Hochdruckkühlluft zur Kühlung der Niederdrucksektion des Heissgaspfades zu vermeiden. In den Kühlluftleitungen der Kühlsysteme 20,21 sind Drosselstellen, typischerweise Blenden 22,23, zur definierten Einstellung der Kühlluftmassenströme angeordnet. Der Verdichter 1 ist in einen ersten Teilverdichter 1a und einen zweiten Teilverdichter 1b unterteilt, zwischen denen ein Zwischenkühler 1c angeordnet ist. Durch den Betrieb des Zwischenkühlers 1 c wird die zum Antrieb des Verdichters notwendige Leistung

reduziert, wodurch der Wirkungsgrad und die Nutzarbeit der Gasturbogruppe steigen. Dieser Effekt lässt sich auch durch eine Wassereinspritzung in den Verdichter oder eine Übersättigung der Ansaugluft mit Feuchte erreichen, was aufgrund der Verdunstung dieser Feuchte eine intensive Innenkühlung des Verdichters bewirkt. Die Kühlung der Luft im Verdichter hat noch eine andere Wirkung : wie der Fachmann anhand einer einfachen Überlegung zur Stufenkinematik feststellt, wird beim Betrieb mit einer Zwischenkühlung im Verdichter der Druckaufbau in die hinteren Verdichterstufen verlagert. Während der relative Druckabbau über die Turbinenstufen in guter Näherung unverändert bleibt, verschiebt sich der Druckaufbau in den Verdichterstufen deutlich in den zweiten Teilverdichter 1 b. Daraus resultiert eine signifikante Verringerung der treibenden Druckdifferenz über das Niederdruckkühlsystem 21, und daraus eine Verminderung des Niederdruck-Kühlluftmassenstromes.

Wird umgekehrt die Drosselstelle 23 des Niederdruck-Kühlsystems 21 so dimensioniert, dass der Kühlluftmassenstrom beim Betrieb mit Kühlung im Verdichter ausreichend ist, führt dies beim Betrieb ohne Verdichterkühlung zur einer deutlichen Überkühlung des Niederdruck-Heissgaspfades, also der Baugruppen 2b und 3b, mit negativen Folgen für Leistung und Wirkungsgrad.

Daher ist erfindungsgemäss ein zweiter Strömungskanal 24 so angeordnet, dass er stromauf der Drosselstelle 23 vom Hauptkühlluftkanal abzweigt, und stromab der Drosselstelle wieder im Hauptströmungskanal mündet. Dieser Bypasskanal ist im Normalfall so dimensioniert, dass über ihn nur ein Bruchteil der gesamten Kühlluftmenge strömt, der aber ausreicht, um beim Betrieb mit Verdichterkühlung die aus der Verminderung des treibenden Druckgefälles resultierende Minderströmung im Hauptströmungskanal zu kompensieren. In dem Bypasskanal ist ein Stellorgan 25 angeordnet, um den Bypassstrom variieren zu können. Ein Sieb 26 fungiert als Rückhaltevorrichtung, und verhindert, dass im Falle eines Bruchs des Stellorgans 25 Trümmer in das Kühlsystem gelangen und es verstopfen.

Eine zweite Möglichkeit zur Variation des Bypassstromes ist in Figur 2 dargestellt. Anstelle einer variablen Drosselstelle findet sich in dem

Bypasskanal 24 ein Ejektor 27 als Mittel zum variablen Antrieb der Bypassströmung. Als Treibmittel für den Ejektor kommt insbesondere ein kleiner Teilstrom der Hochdruckkühlluft in Frage. Bei Kombianlagen und anderen Anlagenbauarten mit Dampferzeugern, insbesondere auch dann, wenn Kühlluftkühler oder Verdichter-Zwischenkühler als Dampferzeuger ausgeführt sind, wie es in der DE 100 41 413 respektive der EP 515 995 beschrieben ist, kann eine Dampfmenge als Treibmittel für den Ejektor 27 Verwendung finden. Auch die Versorgung von beliebigen externen Quellen ist prinzipiell möglich, meist aber nicht zweckmässig. In der Zeichnung ist die Treibmittelversorgung nicht festgelegt. Der Treibmittelmassenstrom, damit die vom Ejektor ausgeübte Antriebskraft und der Bypassmassenstrom, sind über das Stellorgan 28 einstellbar.

Ähnlich wie eine Zwischenkühlung kann auch die Verstellung mehrerer Leitreihen eine Verschiebung des Druckaufbaus im Verdichter bewirken, was in Bezug auf die Kühlluftmassenströme ebenfalls durch die Erfindung kompensiert werden kann.

Weiterhin ermöglicht es die Erfindung auch, die Kühlluftmenge beispielsweise in Abhängigkeit von der Heissgastemperatur im Bereich der zu kühlenden Komponenten, oder in Abhängigkeit von einer Materialtemperatur, Druckverlusten, und dergleichen mehr, auf ein zur Betriebssicherheit notwendiges Minimum zu reduzieren, und bei hoher Gasturbinenlast entsprechend anzuheben. Insofern ist eine Vielzahl von Möglichkeiten vorstellbar, die Erfindung sinnvoll in das Steuer-und Regelsystem einer Gasturbogruppe zu integrieren.

Selbstverständlich ist die Erfindung auf die Ausführungsbeispiele beschränkt ; im Lichte der vorstehenden Ausführungen eröffnet sich dem Fachmann eine Vielzahl möglicher Ausführungsformen der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung. Die Erfindung wäre ohne weiteres auch im Hochdruckkühlsystem 20 einsetzbar. Ebenso kann die Erfindung Anwendung finden, wenn nur ein Kühlsystem einer Druckstufe vorhanden ist, oder auch bei mehr als zwei Druckstufen des Kühlsystems.

Bezugszeichenliste 1 Verdichter 1 a Teilverdichter, Niederdruckverdichter 1 b Teilverdichter, Hochdruckverdichter 1 c Zwischenkühler 2a erste Brennkammer, Hochdruckbrennkammer 2b zweite Brennkammer, Niederdruckbrennkammer 3a erste Turbine, Hochdruckturbine 3b zweite Turbine, Niederdruckturbine 4 Generator 6 Abgastrakt, Kamin 20 Hochdruckkühisystem 21 Niederdruckkühlsystem 22 Drosselstelle 23 Drosselstelle 24 zweiter Strömungskanal, Bypassleitung 25 Stellorgan 26 Rückhaltevorrichtung 27 Ejektor 28 Stellorgan