Gasturbine und ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine.

Es wird eine Gasturbine (1) vorgestellt, umfassend einen

Niederdruckkompressor (2), eine

Niederdruck-Entspannungsturbine (4) und, zwischen

Niederdruckkompressor und Niederdruck-Entspannungs=

turbine angeordnet, mehrere Hochdruckgasturbinen

(20a/30a/40a), (20b/30 b/40b), (20c/30/c/40c), usw.

Die Luftströme (31 a, 31 b, 31c), etc. die vom Niederdruck^

kompressor zu den Hochdruckgasturbinen führen werden im

Kapitel Patentansprüche zusammenfassend als„erste

Teilmassenströme" bezeichnet.

Die Gasturbine (1) umfasst ferner die Luft-Bypass-Ströme

(32a, 32b, 32c), etc., die, unter Umgehung der Hochdruck=

gasturbinen, vom Niederdruckkompressor direkt zur

Niederdruck-Entspannungsturbine führen, und deren

Durchflussmengen von einem Regelsystem geregelt werden.

Die Luft-Bypass-Ströme (32a, 32b, 32c), etc. werden im

Kapitel Patentansprüche zusammenfassend als

„zweite Teilmassenströme ' bezeichnet

Beschreibung:

Gebiet der Erfindung:

Die hierin offenbarte Erfindung betrifft eine Gasturbine und ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine. Beschreibung des relevanten Standes der Technik und Aufgabe der Erfindung:

Gasturbinen werden verwendet, um elektrische Energie für Elektrizitätsversorgungsunternehmen und Industrie zu erzeugen. Es ist wichtig, dass Gasturbinen mit hohem Wirkungsgrad arbeiten.

Das Prinzip der Wirkungsgraderhöhung von stationären Gasturbinen mittels Erhöhung des Druckverhältnisses in einer Oberstufe ist bekannt. Schon vor vielen Jahrzehnten wurde dieses angewendet. Beispielsweise von BBC Brown Boveri in den 1950er Jahren bei den Gasturbinen Typ 12/8 mit sequenzieller Verbrennung.

Die Parallelschaltung mehrerer Obergruppen, für Flugtriebwerke, wurde bereits 1945 wurde von Frank Whittle beschrieben. Siehe Patent US 2,601 ,194.

Bei der Entwicklung neuer stationärer Gasturbinenmodelle strebt man ein hohes Druckverhältnis an. Dabei stellt sich das Problem, dass die sehr kleinen Schaufelspiele, die zur Erreichung hoher Kompressordrücke und damit hoher Kompressor- und Turbinenwirkungsgrade nötig sind, schwierig zu realisieren sind. Dies, weil Kompressor und Turbine normalerweise koaxial angeordnet und daher die physischen Dimensionen und die Drehzahlen vorgegeben sind. Benötigt wird also eine Gasturbine, deren Hochdruckkompressorstufen und

Hochdruckturbinenstufen Dimensionen, Drehzahlen und Schaufelspiele erlauben, die für hohe Drücke optimal sind. Die hier vorgestellte Erfindung präsentiert eine solche Gasturbine.

Des Weiteren ist bisher keine Nachrüstungs-Methode bekannt, mittels welcher es möglich wäre, das

Druckverhältnis an bestehenden stationären Gasturbinen wesentlich zu erhöhen, ohne Änderungen am bestehenden Kompressor bzw. an der Turbine vornehmen zu müssen. Die vorliegende Erfindung macht dies möglich.

Kurzbeschreibung der Erfindung:

Stationäre Gasturbinen bestehen üblicherweise aus drei Komponenten, dem Kompressor, dem Gaserwärmer beispielsweise in Form einer oder mehrerer Brennkammern, und der Turbine. Kompressor und Turbine sind normalerweise koaxial bzw. auf derselben Welle angeordnet und treiben üblicherweise einen Generator an. Üblicherweise - und in dieser Patentschrift beispielhaft verwendet - ist das Prozessfluid Luft. Anstelle von Luft können aber auch andere Prozessfluide eingesetzt werden.

Ziel der hier beschriebenen Erfindung ist, einen hohen Wirkungsgrad der Gasturbine zu erreichen, bzw. deren Wirkungsgrad und Nutzleistung zu erhöhen. Die hier vorgestellte Gasturbine 1 löst diese Aufgabe, indem der Massenstrom zwischen Kompressoraustritt und Turbineneintritt in zwei oder mehrere parallele Teilströme aufgeteilt und der thermodynamische Prozess dieser Teilströme gegen einen höheren Druck angehoben wird. Dazu werden zwischen Niederdruckkompressor 2 und Niederdruck-Entspannungsturbine 4, welche nun als Unterstufe bezeichnet werden, weitere Gasturbinen angeordnet, welche für den Betrieb auf hohem Druckniveau ausgelegt sind. Mit der Druckerhöhung geht nach den Gesetzen der Thermodynamik eine Erhöhung des Wirkungsgrades einher.

Im Folgenden werden diese Hochdruck-Gasturbinen, jede bestehend aus Kompressor, Verbrennungsraum und Entspannungsturbine, einzeln als Oberstufe bezeichnet, obwohl alle zusammen wie eine gemeinsame Oberstufe wirken.

Die Achsen der Oberstufen können im Raum frei positioniert werden (müssen also nicht parallel zu oder identisch mit der Achse der Unterstufe sein) und können demzufolge optimal an die physischen Gegebenheiten der Unterstufe angepasst werden.

Neben den Teilströmen, die, wie oben beschrieben, durch die Oberstufen geführt werden, sind - als integraler Teil der Erfindung - Bypass-Ströme vorgesehen, welche die Oberstufen umgehen und den Austritt des

Niederdruckkompressors 2 mit dem Eintritt der Niederdruck-Entspannungsturbine 4 in direkter Fluidverbindung verbinden. Die Durchflussmengen durch diese Bypässe werden durch entsprechende Regelsysteme und Stellorgane (Ventile, Schieber oder ähnliches) so geregelt, dass die Summe der Luft-Massenströme durch Oberstufen und Bypässen immer dem erforderlichen Wert entspricht, der durch die Kennlinie des

Niederdruckkompressors 2 vorgegeben ist. Dies stellt sicher, dass der Niederdruckkompressor immer im stabilen Strömungsbereich läuft, auch wenn die Summe der Luft-Massenströme, die durch die Oberstufen gehen, reduziert ist, beispielsweise im Leerlauf, bei Teillast, beim Starten oder beim Abstellen der Anlage.

Gegensand des Hauptpatentanspruchs (Patentanspruch 1) umfasst eine Kombination von zwei oder mehreren im Raum frei positionierten Oberstufen mit einem oder mehreren geregelten Luft-Bypass-Teilströmen, wie oben beschrieben.

Diese neue Kombination kann für die Entwicklung und Konstruktion neuer stationärer Gasturbinen angewendet werden. In diesen Fällen ist eine Leistungsauskoppelung aus den Oberstufen nicht unbedingt erforderlich, weil die Verdichtungsverhältnisse auf Unterstufe und Oberstufe passend verteilt werden können.

Diese neue Kombination kann auch angewendet werden für die Nachrüstung bestehender stationärer

Gasturbinen, wobei in diesen Fällen - sofern Niederdruckkompressor und Niederdruck-Entspannungsturbine unverändert bleiben - eine Auskoppelung von mechanischer Leistung aus den Oberstufen vorgesehen ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung:

Die vorstehend genannten sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.

Die Zeichnungen sind stark schematisiert. Nicht für das Verständnis der beschriebenen Gegenstände notwendige Einzelheiten sind weggelassen worden, Weiterhin zeigen die Zeichnungen nur ausgewählte Ausführungsbeispiele und dürfen nicht zur Einschränkung der in den Ansprüchen beschriebenen Gegenstände herangezogen werden. Nicht gezeichnete Ausführungsformen können durchaus von den Ansprüchen abgedeckt sein.

Weitere, nicht spezifisch offenbarte Ausführungsformen der Lehre dieses Dokuments erschliessen sich dem Fachmann ohne weiteres.

„Ein“ oder„eine" sind im Rahmen der vorliegenden Beschreibung als unbestimmte Artikel und nicht als Zahlwort zu verstehen, sofern nicht explizit auf eine andere Bedeutung, beispielsweise durch die Verwendung von„genau ein" oder„genau eine" hingewiesen wird.

FIG. 1

Die hier vorgestellte Erfindung wird an stationären Gasturbinen angewendet, wie sie FIG. 1 darstellt. FIG. 1 veranschaulicht ein Beispiel eines thermischen Schemas einer klassischen stationären Gasturbine, bestehend aus drei Komponenten: dem Kompressor 2, dem Gaserwärmer 3 und der Niederdruck-Entspannungsturbine 4. Als Gaserwärmer sind beispielsweise eine oder mehrere Brennkammern zu verstehen. Kompressor und Niederdruck-Entspannungsturbine sind koaxial angeordnet und treiben über eine Kupplung üblicherweise einen Generator an. Der Generator kann auf der Kompressoreintrittsseite oder auf der Gasturbinenabgasseite angeordnet werden. Klassische Gasturbinen dieser Art werden nicht nur für direkten Generatorantrieb verwendet, sondern auch im Industriebetrieb beispielsweise für den Antrieb von Pumpen oder Kompressoren eingesetzt. Dafür werden sie auch als sogenannte Split-Shaft-Maschinen ausgeführt. Die üblicherweise koaxial angeordnete freie Powerturbine 41 (strich-punktiert gezeichnet) ist dabei nicht mit dem Kompressor 2 und der Niederdruck- Entspannungsturbine 4 fest gekuppelt, sondern über eine separate Kupplung mit der angetriebenen Maschine, beispielsweise einem Generator, einer Pumpe oder einem Gebläse. Die separate Kupplung und die angetriebene Maschine sind der Einfachheit halber in FIG. 1 nicht gezeichnet.

FIG. 2

Für die Realisierung der in dieser Patentanmeldung dargestellten Gasturbine 1 wird, wie in FIG. 2 schematisch dargestellt, zwischen Niederdruckkompressor 2 und Niederdruck-Entspannungsturbine 4, welche nun als

Unterstufe bezeichnet werden, eine weitere Gasturbinenanordnung, umfassend zwei oder mehrere kleinere Hochdruck-Gasturbinen an geordnet. Jede einzelne dieser Hochdruck-Gasturbinen wird im Folgenden als

Oberstufe bezeichnet, jede Oberstufe bestehend aus Kompressor, Gaserwärmer und Hochdruck- Entspannungsturbine. Die Oberstufen sind für den Betrieb auf hohem Druckniveau ausgelegt.

Der thermische Wirkungsgrad des Joule Kreisprozesses (idealer Gasturbinen-Vergleichsprozess) ist vom Druckverhältnis p (Pi) abhängig. Gemäss folgender Formel:

Nach den Gesetzen der Thermodynamik geht also mit einer Erhöhung des Druckverhältnisses eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Gasturbine einher _»

In F1G. 2 sind, als Beispiel, drei Oberstufen zeichnerisch erfasst. (20a/30a/40a, 20b/30b/40b und 20c/30c/40c.)

Die einzelnen Oberstufen können gleich gross oder unterschiedlich gross sein. Die Anzahl Oberstufen ist zwei oder mehr. Die Anzahl Oberstufen wird optimal gewählt je nach den thermodynamischen Bedingungen der Anlage und deren physischen Gegebenheiten.

Neben den Luft-Teilströmen die durch die Oberstufen geführt werden, sind - als integraler Teil der hier vorgestellten Erfindung - Bypass-Ströme 32a, 32b, 32c vorgesehen, welche die Oberstufen umgehen und den Austritt des Niederdruckkompressors 2 mit dem Eintritt der Niederdruck-Entspannungsturbine 4 in direkter Fluidverbindung verbinden. Diese Teilströme werden durch entsprechende Regelsysteme und Stellorgane (Ventile, Schieber oder ähnliches) jeweils so geregelt, dass der gesamte Luft-Massenstrom, der durch Oberstufen und Bypässe strömt, immer dem erforderlichen Wert entspricht, der durch die Kennlinie des

Niederdruckkompressors 2 vorgegeben ist. In FIG 2 sind die Stellorgane beispielhaft als Details 322a, 322b,

322c gezeichnet. Die geregelten Bypass-Ströme stellen also sicher, dass der Niederdruckkompressor immer im stabilen Strömungsbereich läuft, auch wenn die Summe der Luft-Massenströme, die durch die Oberstufen gehen reduziert ist, beispielsweise im Leerlauf, bei Teillast, beim Starten oder beim Abstellen der Anlage. Die Anzahl Bypassströme muss mit der Anzahl Oberstufen nicht identisch sein. Möglich ist auch eine Ausführung mit nur genau einem Bypass. Der Luft-Massenstrom der Unterstufe wird auf die einzelnen Oberstufen und die Bypassströme verteilt. Die Summe der Luft-Massenströme, die durch die Oberstufen und die Bypässe strömen, ist immer gleich gross wie der Luft-Massenstrom, der durch den Kompressor der Unterstufe strömt. Die Oberstufen können so ausgelegt werden, dass bei einem gewählten Betriebspunkt, z.B. bei Volllastbetrieb, die Bypass-Stellorgane geschlossen sind. Die Verteilung der Massenströme auf die einzelnen Oberstufen kann in gleichem Verhältnis, oder auch in unterschiedlichem Verhältnis, je nach Gestaltung der Gesamtanlage festgelegt werden. Auch die Belastung der Oberstufen kann im Betrieb durch das Regelsystem je Oberstufe unterschiedlich eingestellt werden, falls aus betrieblichen Gründen erwünscht.

Die Beschaufelung der Oberstufen kann konstruktiv in der Art gestaltet werden, dass - zwecks Anpassung der Druckverhältnisse - eine oder mehrere Stufen einfach herausgenommen, ausgewechselt oder hinzugefügt werden können. Dies ermöglicht Oberstufen im Baukastensystem, d.h. dass ein Modell der Oberstufe einen weiten Anwendungsbereich abdecken kann.

Die Oberstufen können mit verstellbaren Leitreihen an ihren Kompressoreintritten ausgeführt werden. Dies kann auch dann empfehlenswert sein, wenn die Unterstufe mit verstellbaren Leitreihen am Kompressoreintritt ausgerüstet ist, und daher der Luftmassenstrom am Austritt des Niederdruckkompressors variiert.

Die Oberstufen können mit Axiaibeschaufelung, Radialbeschaufelung oder mit kombinierten Radial- Axialbeschaufelungen ausgeführt werden.

Die Oberstufen können mit oder ohne integrierter sequentieller Verbrennung ausgeführt werden. Integrierte sequentieller Verbrennung bedeutet hier, dass die sekundäre Verbrennung unmittelbar nach dem Austrittsbereich der Oberstufenturbine stattfindet und der sekundäre Verbrennungsraum konstruktiv in die Oberstufe integriert ist.

Die sequentielle Verbrennung kann auch in der Form realisiert werden, dass die sekundäre Verbrennung nicht direkt am Austritt jeder Oberstufe stattfindet, sondern in einem separaten Verbrennungsraum, zum Beispiel mit einem oder mehreren Brennern in einer oder mehreren Brennkammern, die zwischen den Oberstufen und der Niederdruck-Entspannungsturbine angeordnet sind.

Die Lage der Achsen der Oberstufen im Raum ist beliebig, sodass sie so platziert werden können, dass eine physisch optimale Anpassung an die Konstruktion der Unterstufe möglich ist. Die Achsen müssen also nicht horizontal und / oder parallel zur Achse der Unterstufe angeordnet sein.

Durch die Wahl der Anzahl Oberstufen und deren kleinen physischen Dimensionen, eignet sich die hier vorgestellte Erfindung auch bestens für die Nachrüstung bestehender Gasturbinen, weil an der bestehenden Untergruppe nicht viel geändert werden muss und die Oberstufen nicht viel Platz benötigen, sodass diese in die bestehenden Brennkammergehäuse eingebaut werden können, bzw. an diesen angebracht werden können.

Bei Nachrüstung bestehender Anlagen kann die Auslegung der Oberstufen so gewählt werden, mit oder ohne sequentielle Verbrennung, dass die Eintritts- und Austrittstemperaturen an der Niederdruck-Entspannungsturbine nicht geändert werden. Dadurch - und weil auch die gesamte Durchflussmenge gleich bleibt - kann bei Kombianlagen die nachgerüstete Gasturbinenanlage weiterhin mit dem bestehenden Abhitzekessel betrieben werden, ohne Änderungen an diesem.

Die hier vorgestellte Erfindung bringt folgende Vorteile:

- Erhöhung des Wirkungsgrades der gesamten Gasturbinenanlage bzw. Kombianlage. - Erhöhung der Nutzleistung der gesamten Gasturbinenanlage bzw. Kombianlage.

- Die Drehzahl der Oberstufen und die Umfangsgeschwindigkeiten in der Beschaufelung der Oberstufen können so festgelegt werden, dass sie optimal den thermodynamischen Erfordernissen entsprechen.

- Die Oberstufen können so gestaltet werden, dass sie an bestehende Gasturbinen - ohne grössere Änderungen an denselben - angebaut werden können.

- Die Nachrüstung bestehender Gasturbinen mit den Oberstufen erfordert nicht zwingend Änderungen an den Beschaufelungen der Unterstufe.

- Die Lebensdauer der Niederdruck-Entspannungsturbine bleibt unverändert, da die Temperaturerhöhung nur in der Oberstufe stattfindet.

- Die Oberstufen können mit einfachen und physisch sehr kleinen Kompressor- bzw. Turbinenbeschaufelungen realisiert werden, dadurch fallen die Wartungskosten bzw. Kosten für den Ersatz der Beschaufelungen niedrig aus.

- Die Oberstufen können mit einfachen und physisch kleinen Kompressor- bzw. Turbinenbeschaufelungen realisiert werden, dadurch sind sehr kleine Schaufelspiele möglich mit entsprechend geringen Verlusten.

- Die Standzeiten der Beschaufelung der Oberstufen-Entspannungsturbine können kurz gewählt werden - was höhere Temperaturen am Eintritt der Oberstufen-Entspannungsturbine erlaubt - weil die Kosten für den Schaufelersatz wegen der kleinen Dimensionen sehr gering ausfailen.

- Die Oberstufen können in der Art an die Maschine angebaut werden, dass sie innert kürzester Zeit herausgenommen und durch neue bzw. neu revidierte ersetzt werden können. Für diesen Austausch kann eine Anzahl Oberstufen an Lager gehalten werden.

- Aufgrund der kleinen Dimensionen ist ein Auswechseln der Beschaufelung der Oberstufen-Entspannungsturbine in kürzester Zeit möglich.

- Die Wartungsintervalle der Unterstufe, die hauptsächlich von der Temperaturbeanspruchung der ersten Stufe der Niederdruck-Entspannungsturbine definiert werden, können, wenn gewünscht, verlängert werden. Grund: Die wesentliche Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades erlaubt, wenn gewünscht, eine Verringerung der

Eintrittstemperatur an der Niederdruck-Entspannungsturbine, bei immer noch beträchtiich höherem

Gesamtwirkungsgrad .

- Bei neu zu entwickelnden Gasturbinentypen kann der grösste Teil der Entwicklungsarbeit sich auf die physisch kleinen und daher günstigen Oberstufen konzentrieren,

- Weitere Wirkungen und Vorteile der hier beschriebenen Gegenstände, ob explizit angegeben oder nicht, ergeben sich im Lichte der vorliegenden Beschreibung.

Auf zeichnungen FIG 3 bis FIG 12 dargestellte Ausführungsbeispiele: FIG. 3

Diese Schnittzeichnung zeigt beispielhaft eine mögliche Ausführung der Oberstufe, hier beispielweise mit axialer Beschaufelung.

Details

20a Hochdruck-Kompressor

30a Brennkammer(n)

40a Hochdruck-Entspannungsturbine

200 Kühlmittelzufuhr- und -Kühlmittelabfuhrleitung für Hochdruck-Kompressor

300 Brennstoffzuleitung

400 Kühlmittelzufuhr- und -Kühlmittelabfuhrleitung für Hochdruck-Entspannungsturbine

Der Eintritt des Hochdruck-Kompressors 20a - in FIG 3 links gezeichnet - steht mit dem Austritt des

Niederdruckkompressors in direkter Fluidverbindung. Der Austritt der Hochdruck-Entspannungsturbine 40a - in FIG 3 rechts gezeichnet - steht mit dem Eintritt der Niederdruck-Entspannungsturbine in direkter Fluidverbindung.

FIG. 4

Dieses Bild zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Nachrüstung einer Gasturbine mit Silo-Brennkammer, d.h. die Silo-Brennkammer wird in diesem Beispiel durch einen Nachrüstsatz ersetzt.

Das Bild zeigt eine Gasturbine mit seitlich angebrachter Silobrennkammer, die mit der Gasturbine über eine Gas- Luftleitung 353 verbunden ist. Anstelle der Silobrennkammer ist der Nachrüstsatz 354 montiert, in dem die Oberstufen eingebaut sind. Linie 350 deutet die Silobrennkammer an, die entfernt wurde.

Schematisch gezeigt ist auch die Variante, bei welcher der Nachrüstsatz oben auf der Gasturbine montiert ist. Linie 351 deutet beispielhaft einen oben auf der Gasturbine montierten Nachrüstsatz an, Linie 352 deutet die Silobrennkammer an, die hierfür entfernt wurde.)

FIG. 5

Dieses Bild zeigt ein Beispiel eines Nachrüstungs-Satzes für eine Gasturbine mit Siio-Brennkammer (wie FIG. 4) im Detail. FIG. 5 zeigt oben den Schnitt B-B, unten den Schnitt A-A. Es sind folgende Details erkennbar:

23 Oberstufengehäuse (in diesem Beispiel insgesamt sechs Oberstufen)

20a/30a/40a Oberstufe im Schnitt

22 Luftströmung vom Niederdruckkompressor

35 Gasströmung zur Niederdruck-Entspannungsturbine

322a, 322b Luft-Bypassventile

Die Luft-Bypassventile - hier schematisch gezeichnet - erfüllen den Zweck, die Luftmenge, die durch den Kompressor der Unterstufe strömt, stets auf dem optimalen Wert zu halten, auch bei Teillastbetrieb und beim Anfahren bzw. Abstellen. Das Regelsystem der Gasturbine misst und regelt die Verteilung der Luftmengen auf die einzelnen Oberstufen und die Bypass-Ströme. Das Regelsystem der Anlage wirkt hierfür einerseits auf die Oberstufen ein, über deren jeweiliges Regelsystem, andererseits auf die Bypass-Ströme über Ventile (hier beispielhaft 322a, 322b), Schieber oder dergleichen.

Des Weiteren besteht die Möglichkeit, bei Teillast nur einen Teil der Oberstufen zu betreiben. Die Bypass- Ströme können entsprechend eingestellt werden.

FIG. 6

Dieses Bild zeigt eine Gasturbine mit multiplen Brennkammern: In die multiplen Brennkammern sind Oberstufen eingebaut.

Folgende Details sind erkennbar:

231 Oberstufengehäuse (Anzahl Oberstufen zum Beispiel wie vorher die Anzahl

Brennkammern. Die Oberstufen gemäss der hier vorgestellten Erfindung sind

auch an Ringbrennkammern einsetzbar).

20a/30a/40a Oberstufe

322a Luft-Bypassvorrichtung (verstellbares Drosselorgan), hier schematisch als

Schieber gezeichnet

100 Hier wird beispielhaft eine Oberstufe gezeigt, die mit dem Unterstufengehäuse

über eine neue Gas-Luftleitung verbunden ist. (Das ist eine mögliche Option.

Es kann auch je eine Oberstufe an zwei oder mehreren Brennkammergehäusen

angeschlossen werden.)

FIG. 7

Dieses Bild zeigt schematisch eine Oberstufe, wie beispielsweise für Nachrüstung einer Gasturbine mit Silo- Brennkammer (wie FIG. 5), mit Bypass-Schiebern anstelle von Bypassventilen.

Folgende Details sind erkennbar:

23 Oberstufen-Gehäuse

3220 Verschiebeantrieb der Luft-Bypass-Schieber

322a(1) Luft-Bypass-Schieber in Position geschlossen

322a(2) Luft-Bypass-Schieber in Position offen

FIG. 8

Dieses Bild zeigt schematisch eine Oberstufe, wie beispielsweise für die Nachrüstung einer Gasturbine mit Silo- Brennkammer (wie FIG. 5), mit direkt gekoppeltem Nutzleistungsgenerator.

Folgende Details sind erkennbar: 23 Oberstufen-Gehäuse

511a Abtriebswelle der Oberstufe

51 a direkt angetriebener Generator

FIG. 9

Dieses Bild zeigt schematisch eine Oberstufe, wie beispielsweise für Nachrüstung einer Gasturbine mit Silo- Brennkammer (wie FIG. 5) mit über ein Getriebe gekoppeltem Nutzleistungsgenerator. Der Generator selbst ist nicht gezeichnet.

Folgende Details sind erkennbar;

23 Oberstufen-Gehäuse

512a Abtriebswelle der Oberstufe

513a von der Abtriebswelle 512a angetriebenes Ritzel

514a Rad des Zwischengetriebes (nicht komplett gezeichnet)

FIG 10

Dieses Bild zeigt beispielhaft das thermische Schema einer Nachrüstung einer Gasturbine. Die Beschaufelungen des Niederdruckkompressors und der Niederdruck-Entspannungsturbine bleiben unverändert. Der Einfachheit halber ist nur eine von mehreren Oberstufen gezeichnet. Dies ist eine Variante mit mechanischer

Leistungsauskopplung aus der Oberstufe via Luftexpanderturbine 42 und davon angetriebenem Generator 52. Die Kompressoren 20a, etc. der Oberstufe sind um die Mehrmenge, die die Luftexpanderturbine 42 benötigt, grösser ausgeführt. Die Luftexpanderturbine kann in der Art angeschlossen werden, dass alle oder mehrere Zuleitungen von den Oberstufenkompressoren zusammengefasst werden, und so an die Luftexpanderturbine 42 angeschlossen werden. Möglich ist auch eine Schaltung mit mehreren Luftexpanderturbinen.

Folgende Details sind erkennbar:

2 Niederdruckkompressor

20a, 30a, 40a Oberstufe (der Einfachheit halber nur eine einzige Oberstufe gezeichnet)

4 Niederdruck-Entspannungsturbine

32a Bypass (der Einfachheit halber ist nur ein einziger gezeichnet)

322a verstellbares Drosselorgan

42 Luftexpanderturbine

52 Generator

5 Generator

FIG. 11

Dieses Bild zeigt beispielhaft das thermische Schema einer Nachrüstung einer bestehenden Gasturbine. Die Beschaufelung der Niederdruck-Entspannungsturbine bleibt unverändert. Der Einfachheit halber ist nur eine von mehreren Oberstufen gezeichnet. Dies ist eine Variante mit mechanischer Leistungsauskopplung aus der Oberstufe via Luftexpanderturbine 43 und davon angetriebenem zusätzlichem Kompressor 44, der einen Teil der Verdichtungsarbeit des Niederdruckkompressors 2 übernimmt. Die Kompressoren 20a, etc. der Oberstufe sind um die Mehrmenge, die die Luftexpanderturbine 44 benötigt, grösser ausgeführt. Die Luftexpanderturbine kann in der Art angeschlossen werden, dass alle Zuleitungen von den Oberstufen zusammengefasst werden, und so an die Luftexpanderturbine angeschlossen werden. Möglich ist auch eine Schaltung mit mehreren

Luftexpanderturbinen. Die Beschaufelung des Niederdruckkompressors wird so abgeändert, dass ein Teil der Kompressorleistung vom zusätzlichen Kompressor 44, der seine Leistung von den Oberstufen bezieht, übernommen werden kann. In dem gezeichneten Beispiel wird ein Teil der Luft des Niederdruckkompressors durch dessen Ausblaseschlitz entnommen, dafür wird die Durchflussmenge im verbleibenden Teil des

Niederdruckkompressors reduziert. Bei Anordnungen dieser Art, d.h. bei gezielter Anpassung des

Niederdruckkompressors, ist auch bei Nachrüstungen keine separat angeordnete Leistungsauskopplung nach aussen erforderlich. Die mechanische Mehrleistung wirkt in diesen Fällen auf die Welle der Untergruppe und wird über den bestehenden Generator nach aussen abgegeben.

Folgende Details sind erkennbar:

2 Niederdruckkompressor

20a, 30a, 40a Oberstufe (der Einfachheit halber ist nur eine einzige Oberstufe gezeichnet)

4 Niederdruck-Entspannungsturbine

32a Luft-Bypass (der Einfachheit halber ist nur ein einziger gezeichnet)

322a verstellbares Drosselorgan

43 Luftexpanderturbine

44 Kompressor

5 Generator

FIG. 12

Dieses Bild zeigt beispielhaft das thermische Schema einer Kombianlage, mit einer Anwendung einer Gasturbine 1 nach der hier vorgestellten Erfindung (gemäss Patentanspruch 1).

Folgende Details sind in FIG 12 erkennbar:

10 Ansaugfilter mit Kühlsystem

2 Niederdruckkompressor

4 Niederdruck-Entspannungsturbine

5 Generator

6 Abhitzekessel mit Rauchgasbehandlung

7 Dampfturbine

56 Generator

8 Kondensator

9 Speisewasserpumpe

21a, 21b, 21c Zwischenkühler vor Kompressor Oberstufe

20a, 20b, 20c Kompressor-Oberstufe (als Beispiel sind hier drei gezeichnet)

30a, 30b, 30c Gaserwärmer Oberstufe

40a, 40b, 40c Hochdruck-Entspannungsturbine

51a, 51 b, 51c Nutzleistungsgenerator an Oberstufe (als Beispiel: drei gezeichnet) 322a verstellbares Drosselorgan(der Einfachheit halber ist nur ein einzelner

Bypass gezeichnet)

33a, 33b, 33c Gaserwärmer nach Oberstufe, für sequentielle Verbrennung

42 Luftexpanderturbine (Anschlusspunkte mit * gekennzeichnet)

52 Generator

323 Entlastungsventil nach Niederdruckkompressor

324 Entlastungsventil nach Niederdruckkompressor für Pumpverhütung

34 Gaserwärmer nach Entlastungsventil

45 Niederdruck-Entspannungsturbine

55 Generator

Kommentare zu diversen Details, die in FIG 12 erkennbar sind:

Zu Details 21a, 21b, 21c:

Hier erkennbar sind Zwischenkühler, die vor dem Kompressor der Oberstufe positioniert sind. Diese können zur möglichen weiteren Optimierung des gesamten thermischen Prozesses dienen. Die Anzahl Zwischenkühler muss nicht gleich sein wie die Anzahl Oberstufen. Anstelle von separaten Zwischenkühlem pro Oberstufe kann beispielsweise auch ein einzelner Zwischenkühler, angeordnet nach dem Niederdruckkompressor, verwendet werden.

Zu Details 33a, 33b, 33c:

Hier erkennbar sind Brennkammern, die zwischen der Oberstufenturbine und der Niederdruck- Entspannungsturbine positioniert sind. Diese können, als zweite Stufe der sequentiellen Verbrennung, zur Optimierung des gesamten thermischen Prozesses dienen.

Zu Detail 323:

Hier schematisch gezeichnet ist ein regelbares Entlastungsventil, das es ermöglicht, die Luft nach dem Kompressor der Unterstufe in eine nachgeschaltete Brennkammer und weiter in eine Niederdruck- Entspannungsturbine auszublasen. Anstelle der einfachen Expander-Turbine, wie hier gezeichnet, kann auch eine Hochdruckgasturbine vorgesehen werden, d.h. im Prinzip eine zusätzliche Oberstufe, aber mit Abgasleitung in den Kamin, mit Nutzleistungsabgabe.

Zu Detail 324:

Das hier schematisch gezeichnete Entlastungsventil 324 dient zur Pumpverhütung. Es wird gesteuert von der Pumpverhütungsregelung und dem Pumpschutz. Es verhindert erforderlichenfalls, dass der

Niederdruckkompressor in einen instabilen Betriebsbereich gerät, d.h. an die Pumpgrenze stösst.

Allgemeine Bemerkung: Obschon der Gegenstand der vorliegenden Beschreibung anhand ausgewählter Ausführungsbeispiele erläutert wurde, sollen diese nicht einer Einschränkung der beanspruchten Erfindung dienen. Die Ansprüche umfassen Ausführungsformen, die nicht explizit dargestellt sind, und Ausführungsformen, die von den gezeigten Beispielen abweichen, sind dennoch von den Ansprüchen gedeckt. Liste der Zeichnungen:

Auf welchen Zeichnungen, sind welche Details, ersichtlich?