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Title:
GAS TURBINE WITH A SECONDARY AIR SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING SUCH A GAS TURBINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/007341
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a gas turbine (10) and to a method for operating such a gas turbine (10), by means of which method the partial load operating mode of the gas turbine (10) can be increased while low (CO) emissions are maintained, by virtue of the fact that the individual cooling air sections (S) of the secondary air system (24) are switched down by one stage in a cascaded fashion for said low partial load mode, with the result that cooling air is made available at the cooling air mouth (M) of the respective cooling air section (S) at a higher pressure than the pressure of that cooling air which is made available when there is relatively high partial load or in the case of rated operation of the gas turbine (10) at the respective cooling air mouth (M).

Inventors:
ACKENHAUSEN HARALD (DE)
BENKLER FRANCOIS (DE)
BRANDENBURG THOMAS (DE)
BRAUN STEFAN (DE)
BUCHAL TOBIAS (DE)
LINK MARCO (DE)
PEREZ RATMIROFF OMAR ENRIQUE (DE)
SAVILIUS NICOLAS (DE)
SCHNEIDER OLIVER (DE)
SIEBER UWE (DE)
SIMON GERHARD (DE)
TERTILT MARC (DE)
TIETZ KLAUS (DE)
VOELKER STEFAN (DE)
WAGNER MICHAEL (DE)
Application Number:
PCT/EP2011/061492
Publication Date:
January 19, 2012
Filing Date:
July 07, 2011
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
ACKENHAUSEN HARALD (DE)
BENKLER FRANCOIS (DE)
BRANDENBURG THOMAS (DE)
BRAUN STEFAN (DE)
BUCHAL TOBIAS (DE)
LINK MARCO (DE)
PEREZ RATMIROFF OMAR ENRIQUE (DE)
SAVILIUS NICOLAS (DE)
SCHNEIDER OLIVER (DE)
SIEBER UWE (DE)
SIMON GERHARD (DE)
TERTILT MARC (DE)
TIETZ KLAUS (DE)
VOELKER STEFAN (DE)
WAGNER MICHAEL (DE)
International Classes:
F02C7/18; F02C9/18; F02C9/52
Domestic Patent References:
WO2008123904A22008-10-16
Foreign References:
US20100154434A12010-06-24
EP1967717A12008-09-10
EP1528238A22005-05-04
DE102008044436A12009-02-26
DE102008044442A12009-02-26
US20100154434A12010-06-24
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Gasturbine (10) mit einem Verdichter (12), zumindest einer Brennkammer (14) zur Erzeugung eines Heißgases, einer mehrere Turbinenschaufelkränze aufweisenden Turbine (16) und einem Sekundärluftsystem (24), welches umfasst:

eine erste Kühlluftpassage (Si) , die eine am Verdichter (12) angeordnete erste Kühlluftentnahme (Ei) mit einer an einem ersten Bauteil (Di) angeordneten ersten Kühlluftmündung (Mi) zur Zuführung von Kühlluft zu dem von Heißgas beaufschlagbaren ersten Bauteil (Di) verbindet,

eine am oder stromab des Verdichters (12) angeordnete zweite Kühlluftentnahme (E2) ,

dadurch gekennzeichnet, dass

ein erstes Stellorgan (V2i) in der ersten Kühlmittelpassage (Si) vorgesehen ist, mittels dem anstelle der ersten Kühlmittelentnahme (Ei) die zweite Kühlluftentnahme (E2) mit der ersten Kühlluftmündung (Mi) verbindbar ist.

2. Gasturbine (10) nach Anspruch 1,

bei der die zweite Kühlluftentnahme (E2) Teil einer zweiten Kühlluftpassage ist (S2) , die eine die zweite Kühlluftent- nähme (E2) mit einer an einem zweiten Bauteil (D2) angeord¬ neten zweiten Kühlluftmündung (M2) zur Zuführung von Kühlluft zu dem von Heißgas beaufschlagbaren zweiten Bauteil (D2) verbindet,

wobei die ersten und zweiten Bauteile (Di,D2) unterschied- liehen Turbinenschaufelkränzen zugeordnet sind.

3. Gasturbine (10) nach Anspruch 1 oder 2,

umfassend,

eine dritte Kühlluftpassage (S3) , die eine am oder stromab des Verdichters (12) angeordnete dritte Kühlluftentnahme (E3) mit einer an einem dritten Bauteil (D3) angeordneten dritten Kühlluftmündung (M3) zur Zuführung von Kühlluft zu dem von Heißgas beaufschlagbaren dritten Bauteil (D3) ver¬ bindet, wobei ein zweites Stellorgan (V32) in der zweiten Kühlmittelpassage (S2) vorgesehen ist, mittels dem anstelle der zweiten Kühlluftentnahme (E2) die dritte Kühlluftentnahme (E3) mit der zweiten Kühlluftmündung (M2) verbindbar ist .

4. Gasturbine (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,

umfassend

eine vierte Kühlluftpassage (S4) , die eine am oder stromab des Verdichters (12) angeordnete vierte Kühlluftentnahme (E4) mit einer an einem vierten Bauteil (D4) angeordneten vierten Kühlluftmündung (M4) zur Zuführung von Kühlluft zu dem von Heißgas beaufschlagbaren vierten Bauteil (D4) ver¬ bindet,

wobei ein drittes Stellorgan (V43) in der dritten Kühlmit¬ telpassage (S3) vorgesehen ist, mittels dem anstelle der dritten Kühlluftentnahme (E3) die vierte Kühlluftentnahme (E4) mit der dritten Kühlluftmündung (M3) verbindbar ist.

5. Gasturbine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

bei dem die erste Kühlluftentnahme (Ei) mit einer in einem Abgaskanal der Gasturbine (10) mündenden Bypassmündung (Mo) verbindbar ist.

6. Gasturbine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der in der betreffenden Kühlluftpassage (Si, S2, S3, S4) stromab des jeweiligen Stellorgans (V2i, V32, V43) ein Regel¬ ventil (30) vorgesehen ist.

7. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,

bei dem im Nennbetrieb ein in einer ersten Kühlluftpassage (Sl) eines Sekundärluftsystems (24) angeordnetes Stellorgan

(V21) eine erste Kühlluftentnahme (Ei) mit einer ersten Kühlluftmündung (Mi) verbindet,

dadurch gekennzeichnet, dass

bei einer betreffenden Kühlluftmündung (Mi, M2, M3, M4) eine andere Kühlluftentnahme (Ei, E2, E3, E4) zugeschaltet wird, welche andere Kühlluftentnahme (Ei, E2, E3, E4) Kühlluft mit einem höheren Kühlluftdruck bereitstellt als diejenige Kühlluftentnahme (Ei, E2, E3, E4) , welche zuvor mit der betref¬ fenden Kühlluftmündung (Mi, M2, M3, M4) verbunden war.

8. Verfahren nach Anspruch 7,

bei dem im Teillastbetrieb das Stellorgan (V2i) die erste Kühlluftentnahme (Ei) von der ersten Kühlluftmündung (Mi) trennt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,

bei der erst bei vergleichsweise niedriger Teillast das Stellorgan (V2i) so geschaltet wird, dass dieses eine zweite Kühlluftentnahme (E2) mit der ersten Kühlluftmündung (Mi) zur Zuführung von Kühlluft mit einem höheren Kühlluft¬ druck als von der ersten Kühlluftentnahme (Ei) bereitge¬ stellt, verbindet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem bei Unterschreiten einer vorbestimmten Teillast das Stellorgan (V2i) so geschaltet wird, dass dieses eine zweite Kühlluftentnahme (E2) mit der ersten Kühlluftmündung (Mi) zur Zuführung von Kühlluft mit einem höheren Kühlluftdruck als von der ersten Kühlluftentnahme (Ei) bereitge¬ stellt verbindet.

Description:
Beschreibung

Gasturbine mit einem Sekundärluftsystem und Verfahren zum Betreiben einer solchen Gasturbine

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des An- spruchs 7.

Eine Gasturbine mit einem Sekundärluftsystem ist beispiels ¬ weise aus der EP 1 528 238 A2 bekannt. Das bekannte Sekundär ¬ luftsystem weist eine stromab des Gasturbinenverdichters an- geordnete Kühlluft-Entnahme auf. Mit Hilfe der entnommenen Kühlluft werden die Leitschaufeln der Turbine gekühlt. Dazu verzweigt sich das Sekundärluftsystem stromab der Entnahme in vier parallele Kühlluftstränge. Jedem dieser Kühlluftstränge ist eine zusätzliche gekühlte, angefeuchtete Kühlluft höheren Drucks über einen Kühlluftmischer zuführbar, um für die Tur- binenleitschaufein unterschiedlicher Turbinenstufen jeweils individuell angepasstes, bedarfsgerechtes Kühlmittel zur Ver ¬ fügung stellen zu können, ohne dass ein ungebührender Verbrauch an vom Verdichter erzeugter Kühlluft eintritt.

Daneben ist aus der DE 10 2008 044 436 AI ein weiteres Sekun- därluftsystem einer Gasturbine bekannt, bei dem mit Hilfe eines externen Verdichters den einzelnen Kühlluftsträngen zusätzlich einen Teil der benötigten Kühlluft zugeführt werden kann. Der Einsatz eines externen Verdichters ist jedoch aufgrund des erhöhten Ausfallrisikos nachteilig.

Weiter ist bekannt, dass beim Betrieb der Gasturbine unter ¬ halb ihres Auslegungspunkts, d. h. unterhalb der Nennlast, ein Luftüberschuss bei der Verbrennung des Brennstoffs auf ¬ treten kann. Je niedriger die von der Gasturbine zu erbringende Last ist, umso größer kann der Überschuss an vom ange ¬ schlossenen Verdichter zur Verbrennung bereitgestellter Luft sein. Dies führt dazu, dass in der Brennkammer die für die CO-Emissionen relevante Primärzonentemperatur (TPZ) der

Flamme unter einen Minimalwert fallen kann. Dadurch werden verstärkt CO-Emissionen freigesetzt, was bei Vorhandensein von vorgegebenen Emissions-Grenzwerten den nutzbaren Betriebsbereich der Gasturbine bei Teillast begrenzen kann. Um diesem Problem zu begegnen, ist aus der DE 10 2008 044 442 AI ein Gasturbinensystem und eine darin beschriebene Betriebs ¬ weise bekannt. Das aus der DE 10 2008 044 442 AI bekannte Be- triebsverfahren ist insbesondere für einen Betrieb bei Nied ¬ riglasten geeignet. Das Gasturbinensystem enthält eine Anzahl von Einlassschaufeln, einen Verdichter, eine Turbine und ein Luftbewegungssystem. Um die Emission aus dem Gasturbinensystem unter einem vorbestimmten Pegel zu halten, wird die von dem Verdichter zur Verbrennung üblicherweise bereitgestellte verdichtete Luft mit Hilfe eines Bypass umgeleitet. Der By ¬ pass mündet dabei entweder stromauf der Entnahmestelle, d. h. in oder vor dem Verdichter oder auch stromab, d. h. in der Turbine. Es hat sich doch herausgestellt, dass das in der DE 10 2008 044 442 AI gezeigte Gasturbinensystem und das be ¬ schriebene Betriebsverfahren den Wirkungsgrad der Gasturbine unnötig weit verringert.

Weiter ist aus der US 2010/0154434 AI bekannt, bei Niedrig- lastbetrieb eine Umschaltung im Kühlluftversorgungssystem vorzunehmen, derart, dass Kühlluftentnahmen höheren Drucks auf Kühlluftversorgungsstränge geschaltet werden, die im Volllastbetrieb mit geringen Kühlluftdrücken versorgt werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass insbesondere die Umschaltvorgänge Verbrennungsinstabilitäten und unnormales Maschinenverhalten hervorrufen können.

Aufgabe der Erfindung ist neben der Überwindung der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile die Bereitstellung einer eingangs genannten Gasturbine, die trotz eines

Teillastbetriebs einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad aufweist, ohne dass unnötig hohe Emissionen erzeugt werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine anzugeben, bei dem im Teillastbetrieb eine unzulässig hohe Konzentration an

ungewünschten Emissionen weitestgehend vermieden werden kann. Die auf die Gasturbine gerichtete Aufgabe wird mit einer sol ¬ chen gelöst, welche gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 aus ¬ gestaltet ist. Die erfindungsgemäße Gasturbine weist einen Verdichter, zumindest eine Brennkammer zur Erzeugung eines Heißgases, eine mehrere Turbinenschaufelkränze aufweisende Turbine und ein Sekundärluftsystem auf. Das Sekundärluftsys ¬ tem umfasst zumindest eine erste Kühlluftpassage, die eine am Verdichter angeordnete Kühlluftentnahme mit einer an einem ersten Bauteil angeordneten ersten Kühlluftmündung zur Zuführung von Kühlluft zu dem von Heißgas beaufschlagbaren ersten Bauteil verbindet sowie eine am oder stromab des Verdichters angeordnete zweite Kühlluftentnahme. Erfindungsgemäß ist vor ¬ gesehen, dass ein erstes Stellorgan in der ersten Kühlmittelpassage vorgesehen ist, mittels dem anstelle der ersten Kühlluftentnahme die zweite Kühlluftentnahme mit der ersten Kühl- luftmündung verbindbar ist.

Ähnlich wie beim Stand der Technik liegt der Lösung zugrunde, dass zur Reduzierung von CO-Emissionen im Teillastbetrieb Verdichterluft um die Brennkammer herumgeleitet werden soll, damit diese nicht an der Verbrennung teilnimmt. Dadurch kann die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer zumindest so hoch gehalten werden, dass die für CO-Emissionen relevante Primärzonentemperatur einen gewünschten Minimalwert nicht unterschreitet. Die vor der Verbrennung entnommene Verdich- terluft soll dabei jedoch nicht einfach in den Abgaskanal der Gasturbine abgeblasen werden, sondern erfindungsgemäß der Turbine möglichst zugeführt werden. Dadurch kann der um die Verbrennung geleitete Anteil an Kühlluft noch arbeitsleistend in der Turbine entspannt werden. So kann der Wirkungsgradver- lust vergleichsweise klein gehalten werden.

Dies wird erreicht, indem die Erfindung den Kühlluftverbrauch der Turbine absichtlich erhöht. Hierzu ist vorgesehen, dass durch Umschaltung der Kühlluftkonfiguration die einzelnen Kühlluftverbraucher, sprich Heißgasbauteile, mit Kühlluft eines höheren Druckniveaus versorgt und gekühlt werden, als es normalerweise, d. h. im Nennbetrieb, der Fall ist. Dadurch durchströmt mehr Luftmasse die Kühlluftverbraucher und weniger Luftmasse in die bzw. durch die Gasturbinen-Brenner.

Somit steigt bei gleichem Brennstoffmassenstrom, also ungefähr gleicher Gasturbinen-Leistung, die zentrale Flammentemperatur und die Primärzonentemperatur, wodurch die CO-Emissi- onen sinken. Erfindungsgemäß wird die umgeleitete Kühlluft der Turbine wieder zugesetzt und geht dem Prozess dadurch nicht verloren. Nur eine vergleichsweise geringe Menge wird in den Abgaskanal abgeblasen. Würde die umgeleitete, dem Verbrennungsprozess auch vorenthaltene Luftmenge vollständig in den Abgaskanal - also hinter die Turbinenstufen - abgeblasen - wie im Stand der Technik beispielsweise vorgeschla ¬ gen -, ergäbe sich im Vergleich zu der erfindungsgemäßen Umschaltung ein höherer Wirkungsgradverlust, da auch die umge ¬ leitete Luftmenge vor dem Abblasen mit hohem Energieaufwand verdichtet wurde.

Dabei werden nicht gleichzeitig zwei Kühlluftentnahmen einer Kühlluftmündung zugeschaltet, sondern es wird stets nur eine der beiden betroffenen Kühlluftentnahmen mit der betreffenden Kühlluftmündung verbunden. Dadurch wird eine Zirkulation von Kühlluft zwischen den beiden betroffenen Kühlluftentnahmen wirksam unterbunden, was ansonsten aerodynamische Verluste im Verdichter im Bereich derjenigen Kühlluftentnahme verursacht hätte, an welcher ein geringerer statischer Druck im Verdich- ter vorherrscht.

Im Stand der Technik ist es insbesondere nachteilig, dass Rückschlagventile zum Verschluss der Entnahmen mit geringem Druck eingesetzt werden. Diese Rückschlagventile schließen erst dann, wenn eine im Kühlluftstrang rückwärts gerichtete

Durchströmung auftritt. Diese Rückströmung tritt anschließend durch die Entnahmen in den Verdichterströmungspfad ein und stört dort die Verdichtung der Luft. Dies kann zu einem ungewünschten Verdichterphänomen führen. Dieses Problem tritt dagegen bei der vorliegenden Erfindung nicht auf, da anstelle von Rückschlagventilen entsprechend geeignete Regelventile eingesetzt werden, bei der die jeweiligen Entnahmen

wechselweise mit der Kühlluftmündung verschaltet werden. Eine Rückströmung von verdichteter Luft in eine Entnahme mit geringerem Entnahmedruck wird bei der Erfindung somit auch zum UmschaltZeitpunkt sicher vermieden. Die auf das Verfahren gerichtet Aufgabe wird mit einem sol ¬ chen gelöst, bei dem im Nennbetrieb ein in einer ersten Kühlluftpassage eines Sekundärluftsystems angeordnetes Stellorgan eine erste Kühlluftentnahme mit einer ersten Kühlluftmündung verbindet, wobei erfindungsgemäß bei Unterschreiten einer vorbestimmten Teillast das Stellorgan so geschaltet wird, dass dieses eine zweite Kühlluftentnahme mit der ersten Kühl ¬ luftmündung zur Zuführung von Kühlluft mit einem höheren Kühlluftdruck als von der ersten Kühlluftentnahme bereitge ¬ stellt verbindet. Die bei der Durchführung des Verfahrens auftretenden Vorteile entsprechen den (die Vorrichtung betreffenden) Vorteilen, welche mit der Vorrichtung eintreten .

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen an- gegeben.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die zweite Kühlluftentnahme Teil einer zweiten Kühlluftpassage, die die zweite Kühlluftentnahme mit einer an einem zweiten Bauteil angeordneten Kühlluftmündung zur Zuführung von Kühlluft zu dem von Heißgas beaufschlagbaren zweiten Bauteil verbindet, wobei die ersten und zweiten Bauteile unterschiedli ¬ chen Turbinenschaufelkränzen zugeordnet sind. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Gasturbine eine dritte Kühlluftpassage, die eine am oder stromab des Verdich ¬ ters angeordnete dritte Kühlluftentnahme mit einer an einem dritten Bauteil angeordneten dritten Kühlluftmündung zur Zuführung von Kühlluft zu dem von Heißgas beaufschlagbaren dritten Bauteil verbindet, wobei ein zweites Stellorgan in der zweiten Kühlmittelpassage vorgesehen ist, mittels dem an ¬ stelle der zweiten Kühlluftentnahme die dritte Kühlluftent ¬ nahme mit der zweiten Kühlluftmündung verbindbar ist.

Selbstverständlich kann vorteilhafterweise eine dritte Kühl- luftpassage und ggf. dieser entsprechend eine vierte Kühl ¬ luftpassage sowie noch weitere Kühlluftpassagen vorgesehen sein, die entsprechend der oben genannten Kühlluftpassagen ausgestaltet sind, um den betreffende Kühlluftmündung wech ¬ selweise mit einer von zwei Kühlluftentnahmen zu verbinden.

Allen vorteilhaften Ausgestaltungen ist gemein, dass insbesondere bei geringem Teillastbetrieb der Gasturbine die dem Verdichter entnommene Kühlluft mit einem höheren Kühlluft ¬ druck demjenigen Bauteil zugeführt wird, das ansonsten, bei ¬ spielsweise im Nennbetrieb, mit einer Kühlluft niedrigeren Kühlluftdrucks und Kühllufttemperatur versorgt wird. Durch die Umschaltung im Sekundärluftsystem werden kaskadisch alle beteiligten Kühlluftentnahmen und Kühlluftmündungen derartig umgeschaltet, dass die den Kühlluftmündungen zugeordneten Bauteile, insbesondere während des niedrigen Teillastbe ¬ triebs, mit einer Kühlluft versorgt werden, deren Druck einen vergleichsweise großen Abstand zu dem an der Stelle der Bau- teile auftretenden Heißgasdruck aufweisen. Durch die vergrößerte Druckdifferenz werden die Bauteile zwar übermäßig ge ¬ kühlt, jedoch werden die bei der Verbrennung auftretenden Emissionen aufgrund einer verringerten, zur Erzeugung des Heißgases beitragenden Luftmenge gering gehalten.

Um die Umschaltung zu bewerkstelligen, ist vorzugsweise das betreffende Stellorgan als ein 3/2-Wege-Ventil ausgestaltet. Zusätzlich kann in der betreffenden Kühlluftpassage stromab des jeweiligen Stellorgans ein Regelventil vorgesehen sein. Bei Vorhandensein mehrerer Kühlluftpassagen ist es auch von Vorteil, wenn die erste Kühlluftentnahme mit einer in einem Abgaskanal der Gasturbine mündenden Bypassmündung verbindbar ist . Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in der folgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur: in schematischer Darstellung eine Gasturbine mit einem vier Kühlluftstränge aufweisenden Sekundär luftsystem.

Die einzige Figur zeigt schematisch eine Gasturbine 10 umfas ¬ send einen Verdichter 12, eine Brennkammer 14 sowie eine Turbine 16. An einem Rotor 18 der Gasturbine 10 ist eine elekt- rische Maschine in Form eines Generators 20 zur Erzeugung von elektrischer Energie angekoppelt. Bei der Gasturbine 10 han ¬ delt es sich um eine stationäre Gasturbine mit axialer Durch ¬ strömung. Dementsprechend ist der Verdichter 12 als axial durchströmbarer Verdichter ausgebildet mit einer Vielzahl von aufeinander folgenden Verdichterstufen, meist zehn oder mehr Verdichterstufen, die sich jeweils aus einem Laufschaufel- kranz und einem stromab davon unmittelbar benachbarten Leitschaufelkranz zusammensetzen. In dazu analoger Weise umfasst die Turbine 16 vier Turbinenstufen. Jede Turbinenstufe setzt sich aus einem Leitschaufelkranz und einem unmittelbar stromab benachbarten Laufschaufelkranz zusammen, so dass die Kränze von Leitschaufeln und Laufschaufein sich auch im Strömungspfad der Turbine 16 abwechseln. Die zwischen dem Verdichter 12 und der Turbine 16 angeordnete Brennkammer 14 ist ebenso lediglich schematisch dargestellt. In der Brennkammer 14 wird ein Brennstoff F zu einem Heißgas verbrannt. Bei der Brennkammer 14 kann es sich um eine ringförmige Brennkammer handeln. Es ist jedoch auch möglich, dass die Brennkammer 14 eine Vielzahl von, beispielsweise zwölf Rohrbrennkammern um- fasst, die jeweils gleichmäßig um den Rotor 18 der Gasturbine verteilt sind. Im letztgenannten Fall münden alle Rohrbrennkammern in einem ringförmigen Strömungspfad der Turbine 16, in welchem die feststehenden Leitschaufeln und die am Rotor befestigten Laufschaufeln strahlenförmig hineinragen.

Das Sekundärluftsystem 24 umfasst im dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel insgesamt vier Kühlluftpassagen Si, S 2 , S3, S 4 . Die Kühlluftpassagen Si, S 2 , S3, S4 werden auch als Kühlluft ¬ stränge bezeichnet. Selbstverständlich ist es möglich, dass die Gasturbine mehr als vier oder weniger als vier Kühlluft ¬ passagen aufweist. Jede Kühlluftpassage S umfasst eine äußere, also gehäuseseitige Kühlluftentnahme E und eine Kühl ¬ luftmündung M. Insgesamt weist somit das gezeigte Sekundär ¬ luftsystem 24 vier Kühlluftentnahmen Ei, E 2 , E3, E 4 auf, die über die betreffende Kühlluftpassage Si, S 2 , S3, S4 mit der ihr jeweils zugeordneten Kühlluftmündung Mi, M 2 , M 3 , M 4 ver- bunden sind. Jede Kühlluftmündung Mi, M 2 , M 3 , M 4 mündet dazu an einem Kühlluftanschluss eines entsprechenden Bauteils Di, D 2 , D 3 , D 4 . Jedes dieser Bauteile Di, D 2 , D 3 , D 4 ist dem von der Brennkammer 14 erzeugten Heißgas ausgesetzt und ist zum Erreichen einer vorbestimmten Lebensdauer mit Kühlluft in be- kannter Art und Weise zu kühlen.

Anstelle oder zusätzlich der Kühlung der Bauteile Di, D 2 , D 3 , D 4 kann auch vorgesehen sein, dass die durch das Sekundärluftsystem 24 bereitgestellte Kühlluft auch zur Sperrung von Spalten eingesetzt werden kann, welche zwischen den Bauteilen Di, D 2 , D 3 , D 4 vorhanden sind. Durch die Sperrung kann das Eindringen von Heißgas in den Spalt vermieden werden, was ansonsten zur Beschädigung der Bauteile Di, D 2 , D 3 , D 4 führen kann. Unabhängig davon, ob die über die Kühlluftmündungen Mi, M 2 , M 3 , M 4 bereitgestellte Kühlluft nun zur Kühlung von Bau ¬ teilen Di, D 2 , D 3 , D 4 oder zur Sperrung von Spalten verwendet wird, ist erforderlich, dass diese Kühlluft zum Zeitpunkt ihres Eintretens in den Heißgaspfad der Turbine einen Druck aufweist, welcher zumindest geringfügig größer ist als der Druck des Heißgases an der entsprechenden Stelle.

Um eine geringe Druckdifferenz zu erreichen, verfügt jede Kühlluftpassage Si, S2, S3, S 4 über Regelventile 30. Dieser Differenzdruck wird auch „back flow margin" genannt und be- trägt in der Regel in etwa nur 1 bar. Prinzipiell wird jedoch der Kühlluftdruck stets so geregelt, dass nur ein vergleichs ¬ weise geringer Differenzdruck vorhanden ist, um einen beson ¬ ders geringen Verbrauch an Kühlluft zu gewährleisten.

Die Bauteile Di, D 2 , D 3 , D 4 können einerseits als Leitschau ¬ feln und/oder Laufschaufeln der entsprechenden Turbinenkränze ausgebildet sein. Andererseits können sie auch als sogenannte Führungsringsegmente ausgebildet sein, welche den Spitzen der Laufschaufeln gegenüber liegen und dabei die äußere Begren ¬ zungswand des Heißgaskanals im Bereich der Laufschaufeln dar ¬ stellen. Ferner können die Bauteile Di, D 2 , D3, D 4 auch als Brennkammer-Wandelemente ausgebildet sein. Die Kühlluftentnahmen Ei, E 2 , E 3 sind entlang des Verdichters 12 axial verteilt. Die Kühlluftentnahme Ei ist im vorderen, bezogen auf die Verdichterluft einströmseitigen Abschnitt des Verdichters 12 angeordnet. Die Kühlluftentnahme E 2 ist in etwa im mittleren Abschnitt des Verdichters 12 angeordnet und die Kühlluftentnahme E 3 ist im hinteren Teil des Verdichters 12 platziert. Die Kühlluftentnahme E 4 ist stromab des Ver ¬ dichters 12 angeordnet. Die an der Kühlluftentnahme Ei ent ¬ nommene Kühlluft weist somit von allen Kühllüften den ge ¬ ringsten Kühlluftdruck und die geringste Kühllufttemperatur auf. Die an der Kühlluftentnahme E 2 entnommene Kühlluft weist einen Druck auf, welcher höher ist als der Druck der an der Kühlluftentnahme Ei entnommenen Kühlluft, jedoch ist dieser Druck geringer als der Druck derjenigen Kühlluft, welche an der Kühlluftentnahme E 3 entnommen wird. Die an der Kühlluft- entnähme E 4 entnommene Kühlluft weist bekanntermaßen den höchsten Kühlluftdruck auf und wird an derjenigen Stelle der Turbine eingesetzt, an welcher das Heißgas ebenso den höchs ¬ ten Druck aufweist, jedoch unter Berücksichtigung des ge ¬ wünschten Differenzdrucks „back flow margin". Bekanntermaßen wird die an der Kühlluftentnahme E 4 entnommene Kühlluft, auch Verdichterendluft genannt, zur Kühlung der Leitschaufeln der ersten Turbinenstufe verwendet und ggf. auch zur Kühlung der Führungsringsegmente der ersten Turbinenstufe. In analoger Weise kann die an der Kühlluftentnahmestelle E 3 entnommene Kühlluft über die Kühlluftpassage S3 beispielsweise den Leit ¬ schaufeln der zweiten Turbinenstufe zugeführt werden. Dies gilt in analoger Weise auch für die an der Kühlluftentnahme- stelle E2 bzw. Kühlluftentnahmestelle Ei entnommene Kühlluft, welche dementsprechend den Turbinenschaufeln oder Führungs ¬ ringen der dritten Turbinenstufe bzw. der vierten Turbinenstufe somit zuführbar ist. Die erfindungsgemäße Gasturbine weist im dargestellten Aus ¬ führungsbeispiel zumindest drei Kühlluftbrücken B 43 , B 3 2, B2 1 sowie einen Bypass Bio auf. Einströmseitig ist jede Kühlluft ¬ brücke B 43 , B 3 2, B2 1 mit der ihr zugeordneten Kühlluftpassage S4, S3 bzw. S2 verbunden, was auch aus der Indizierung des Be- zugszeichens hervorgeht. Ausströmseitig sind die Kühlluftbrü ¬ cken B 43 , B 3 2, B2 1 jeweils mit einem 3/2-Wege-Ventil verbunden, die in den anderen Kühlluftpassagen S3, S 2 , Si angeordnet sind. Die Ventile V 43 , V 3 2, V 2 i sind als Stellorgane so ausge ¬ staltet, dass sie jeweils der ihr zugeordneten Kühlluftmün- dung M 3 , M 2 , Mi eine von zwei Kühlluftentnahmen E 4 bzw. E 3 ; E 3 bzw. E2; E2 bzw. Ei; zuschalten können. Ferner ist ein Ventil V 10 im Bypass Bio vorgesehen mittels dem die Kühlluftpassage Si einer Bypassmündung Mo zugeschaltet werden kann. Im Nennbetrieb der Gasturbine und ggf. auch im Teillastbe ¬ trieb, insbesondere bei größerer Teillast, sind die Ventile V 4 3, V 32 , V 2 i und V 1 0 so geschaltet, dass die Kühlluftpassage S 4 die Kühlluftentnahme E 4 mit der Kühlluftmündung M 4 verbindet, die Kühlluftpassage S3 die Kühlluftentnahme E 3 mit der Kühl- luftmündung M 3 , die Kühlluftpassage S2 die Kühlluftentnahme E2 mit der Kühlluftmündung M2 und die Kühlluftpassage Si die Kühlluftentnahme Ei mit der Kühlluftmündung Mi. Sinkt jedoch die vom Generator 20 zu erbringende bzw. vom Netz abgefragte elektrische Leistung unter ein bestimmtes Niveau, sodass von einem niedrigen Teillastbetrieb gesprochen werden kann, so sinkt auch die von der Gasturbine zur Verfügung gestellte bzw. an der Welle abgetriebene Leistung. Um dabei die durch die Verbrennung des Brennstoffs F erzeugten CO-Emission auf einem vergleichsweise niedrigen Pegel zu halten, ist es be ¬ kannt, die am einströmseitigen Ende des Verdichters 12 vorge ¬ sehenen verstellbaren Verdichtereinlassleitschaufein zu schließen. Für den Fall, dass eine derartig niedrige Leis- tung, beispielsweise 40 % der Nennlast der Gasturbine, abge ¬ fragt wird, dass ein weiteres Verschließen der verstellbaren Leitschaufeln nicht möglich ist, ohne den Pegel erlaubter CO- Emissionen zu überschreiten, soll die vom Verdichter in einem zu großen Maßstab angesaugte und verdichtete Luft mit Hilfe des erfindungsgemäßen Sekundärluftsystems 24 in vermehrtem

Maße um die Brennkammer 14 geleitet werden. Dazu ist vorgese ¬ hen, die Ventile V 43 , V 3 2, V2 1 und V 10 synchron umzuschalten, so dass die Kühlluftentnahme E 4 über die Brücke B43 mit der Kühlluftmündung M3 strömungstechnisch verbunden ist, die Kühlluftentnahme E 3 über die Brücke B32 mit der Kühlluftmün ¬ dung M2 und die Kühlluftentnahme E2 über die Brücke B 2 i mit der Kühlluftmündung Mi und die Kühlluftentnahme Ei über die Brücke Bio mit der Bypassmündung Mo. Mit anderen Worten: jede betreffende Kühlluftentnahme E 4 , E 3 , E 2 , Ei wird kaskadisch um eine Stufe der nächst niedrigeren Kühlluftmündung M 3 , M 2 , Mi, Mo aufgeschaltet . Dies hat zur Folge, dass die an den Kühl- luftmündungen M 3 , M 2 , Mi angeordneten Bauteile D3, D 2 , Di dann mit einer Kühlluft versorgt werden, die einen höheren Druck aufweist als diejenige Kühlluft, welche im Nennbetrieb der Gasturbine 10 für diese bereitgestellt wird. Dadurch erhöht sich der Differenzdruck, was gleichzeitig den Kühlluftverbrauch in der Turbine 16 signifikant erhöht. Da aber der Ver ¬ dichter 12 in diesem Fall eine unveränderte Luftmenge bereit ¬ stellt, sinkt durch den erhöhten Kühlluftverbrauch die der Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmenge. Dies hat zur Folge, dass die relevante Primärzonentemperatur der Flamme nicht unter einen minimalen Wert gesenkt wird. Folglich kann die in der Brennkammer stattfindende Verbrennung bei einer Temperatur ablaufen, bei der ein vergleichsweise geringer An- teil an CO-Emissionen entsteht. Dadurch wird erreicht, dass die Gasturbine über einen größeren Teillastbereich mit vergleichsweise geringen CO-Emissionen betrieben werden kann. Außerdem führt dies zu einem Wirkungsgradvorteil gegenüber anderen Methoden, bei dem über einen in den Abgaskanal mündenden Bypass Verdichterendluft abgeführt wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die vorgeschlagenen Änderungen ohne größeren konstruktiven Aufwand auch für bereits bestehende Gasturbinen anwendbar sind. Dementsprechend kann vergleichs ¬ weise preiswert der Teillastbereich einer bestehenden Gasturbine vergrößert werden. Dazu sind lediglich die in den Kühlluftpassagen Si, S 2 , S3, S 4 vorgesehenen 3/2-Wege-Ventile V 43 , 32, V21 , V10 und die Kühlluftbrücken B43 , B32 , B 2 i nachzurüsten .

De facto wird das Sekundärluftsystem 24 somit in zwei unterschiedlichen Zuständen betrieben. In einem Standardbetriebs- Zustand ist die jeweilige Kühlluftentnahme Ei, E 2 , E3, E 4 über die Kühlluftpassage Si, S 2 , S3, S4 mit der ihr üblicherweise zugeordneten Kühlluftmündung Mi, M 2 , M3, M 4 strömungstechnisch gekoppelt ist. In diesem Zustand befindet sich das Sekundär ¬ luftsystem 24 bei Nennlastbetrieb und auch bei größerem Teil ¬ lastbetrieb. In einem CO-Reduktions-Zustand, in welchen bei niedriger Teillast umgeschaltet wird, werden die Kühlluftent- nahmen Ei, E 2 , E 3 , E 4 einer Kühlluftmündung M 0 , Mi, M 2 , M 3 mit niedriger Ordnungsnummer (Indizierung) zugeschaltet. Vorzugsweise erfolgt die Umschaltung stets durch synchrones Umschal ¬ ten aller 3/2-Wege-Ventile V43 , V32 , V 2 i und V10. Im CO-Reduk ¬ tions-Zustand weisen die entsprechenden Bauteile Di, D 2 , D3, D 4 einen wesentlich erhöhten Differenzdruck auf, was zu dem gewünschten überhöhten Kühlluftverbrauch führt. Im CO-Reduktions-Zustand sind die Regelventile 30 stets voll geöffnet.

Kern der Erfindung ist demnach eine Gasturbine 10 und ein Verfahren zum Betreiben dieser, bei dem einer betreffenden

Kühlluftmündung M eine andere Kühlluftentnahme E zugeschaltet werden kann, welche andere Kühlluftentnahme E Kühlluft mit einem höheren Druck bereitstellt als diejenige Kühlluftent ¬ nahme E, welche zuvor mit der betreffenden Kühlluftmündung M verbunden war. Die Umschaltung im Sekundärluftsystem 24 erfolgt vorzugsweise erst so spät wie möglich, also bei niedri ¬ ger oder sehr niedriger Teillast der Gasturbine 10. Selbstverständlich ist es auch möglich, nicht alle Ventile V43 , V32 , V21, V10 gleichzeitig zu schalten, sondern nur eins oder einige dieser Ventile V43 , V32 , V21 , V10. Dann existieren für das Sekundärluftsystem 24 mehrere Betriebszustände.

Insgesamt wird mit der Erfindung eine Gasturbine 10 und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen angegeben, mittels welchem der Teillastbetrieb der Gasturbine 10 unter Einhaltung niedriger CO-Emissions-Grenzwerte vergrößert werden kann, indem die einzelnen Kühlluftstränge S des Sekundärluftsystems 24 für den besagten niedrigen Teillastbetrieb kaskadisch um eine Stufe herabgeschaltet werden, so dass an der Kühlluft ¬ mündung M des betreffenden Kühlluftstrangs S Kühlluft mit einem höheren Druck bereitgestellt wird als der Druck derje ¬ nigen Kühlluft, welche bei höherer Teillast oder bei Nennbe ¬ trieb der Gasturbine 10 an der betreffenden Kühlluftmündung M bereitgestellt wird.