Bestimmungsverfahren und Gasturbine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbine sowie ein Bestimmungsverfahren zur Bestimmung eines Endwinkels von zwischen einem Anfangswinkel und dem Endwinkel verstellbaren Leitschaufeln einer Leitschaufelreihe eines Verdichters der Gasturbine zur Verhinderung einer Eisbildung in dem Verdichter .

Es ist im Stand der Technik bekannt, bei Gasturbinen im Teil ^¬ lastbetrieb den vom Verdichter angesaugten Luftmassenstrom durch eine variable Anstellung der Verdichtervorleitschaufein anzupassen. Dadurch kann bei einer gegebenen maximalen Abgastemperatur ein größtmöglicher Wirkungsgrad erzielt werden. Der zulässige Endwinkel der variablen Verdichtervorleit- schaufeln ist dabei unter anderem durch eine Abkühlung der Ansaugluft im Bereich der Vorleitschaufelreihe und/oder der ersten Verdichterlaufschaufelreihe und der damit verbundenen Vereisungsgefahr limitiert. In Abhängigkeit der Feuchte der Ansaugluft kann es durch die Beschleunigung der Strömung stromabwärts der Vorleitschaufelreihe, was zur Abkühlung der Strömung führt, zu einer Vereisung im Verdichter und damit zu einer Beeinträchtigung der Maschinenintegrität und gegebenenfalls zu Maschinenschäden kommen.

Im Stand der Technik ist es üblich den Endwinkel für angenom- mene Werte der Prozessparameter vorab starr festzulegen. Der Fahrbereich der Gasturbine ist dadurch nicht in jeder Situation voll ausgeschöpft.

Eine variable Einstellung schlägt die JP 2011032869 A vor, welche lehrt, die Einstellung anhand der aktuellen

Verdichter-Eintrittstemperatur und der Luftfeuchte

vorzunehmen. Die Einstellung auf dieser Grundlage erfordert jedoch die berechnungstechnische Bestimmung eine eigenen Kennfelds, welches mitunter unerwünscht großen technischen Aufwand darstellt und möglicherweise zusätzliche

Betriebsmessstätten erfordert. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beheben und ein einfaches Bestimmungsverfahren zur variablen Bestimmung des Endwinkels sowie eine Gasturbine zur Ausübung dieses Bestimmungsverfahrens bereitzustellen. Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Bestimmungsverfahren nach Anspruch 1 sowie einer Gasturbine nach Anspruch 8. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben. Bei dem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren wird zur Bestimmung eines Endwinkels von zwischen einem Anfangswinkel und dem Endwinkel verstellbaren Leitschaufeln einer stromaufwärts einer hinteren Lauf- oder Leitschaufelreihe angeordne ^¬ ten vorderen Leitschaufelreihe eines Verdichters einer Gas- turbine zur Verhinderung einer Eisbildung in dem Verdichter während des Betriebs der Gasturbine in einer Parameterermitt ^¬ lung ein aktueller Wert zumindest eines Prozessparameters er ^¬ mittelt und anschließend in einer Endwinkelfestlegung der Endwinkel in Abhängigkeit des Wertes festgelegt , wobei als Prozessparameter eine aerodynamische Drehzahl ermittelt wird.

Mit dieser Anordnung ist es vorteilhaft ermöglicht, den Fahr ^¬ bereich der Gasturbine zu erweitern und damit deren Einsatzmöglichkeiten und Effizienz zu vergrößern. Statt wie, etwa aus dem Stand der Technik bekannt, einen starr festgelegten Endwinkel zu verwenden, kann der Endwinkel auf die aktuell herrschenden Bedingungen angepasst werden.

Die aerodynamische Drehzahl wird zudem während des Betriebs der Gasturbine zu deren Steuerung beziehungsweise Regelung ohnehin ermittelt. Die Verwendung dieser Größe zur variablen Festlegung des Endwinkels kann dadurch leicht vorgenommen werden, indem etwa einem Satz an erreichbaren aerodynamischen Drehzahlen ein entsprechender Satz an geeigneten Endwinkeln zugeordnet wurde und je nach vorherrschender aerodynamischer Drehzahl ein geeigneter, aktueller Wert eines Endwinkels ausgewählt wird. Zudem sind keine zusätzlichen Betriebsmess- Stätten nötig. Die aerodynamische Drehzahl, welche auch als reduzierte Drehzahl bekannt ist, ergibt sich aus der

mechanischen Drehzahl des Rotors durch Korrektur mit der Eintrittstemperatur . Eine Veränderung der mechanischen Drehzahl, und folglich auch der aerodynamischen Drehzahl führt bei einer Gasturbine mitunter auch zu einer Änderung des angesaugten und

geförderten Massenstromes. Dieser wiederum hat Einfluss auf die Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des Verdichters im Bereich der Beschaufelung. Je nach Strömungsgeschwindigkeiten bildet sich eine Temperaturverteilung in dem Verdichter aus, welche aufgrund der örtlich resultierenden statischen

Temperaturen eine Eisbildung ermöglichen kann oder nicht. Insbesondere für Startvorgänge bei gewöhnlichen Gasturbinen, oder bei Netzstörungen von netzsynchronen Verdichtern und bei drehzahlvariablen Verdichtern ist eine Einbeziehung der tatsächlichen Drehzahl vorteilhaft.

In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Be- Stimmungsverfahrens wird der Wert einer Temperatur ermittelt. Dabei kann als Temperatur eine Lufttemperatur einer Umgebung der Gasturbine ermittelt oder auch eine Oberflächentemperatur an der hinteren Lauf- oder Leitschaufelreihe ermittelt wer ^¬ den .

Die Temperatur ist ein wesentlicher Parameter, der Einfluss auf die Eisbildung hat. Durch die Abhängigkeit des Endwinkels von der Temperatur lässt sich eine Eisbildung leicht vermeiden. Temperaturen sind einfach und kostengünstig zu messen. Das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren ist dadurch einfach zu implementieren. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens wird der Endwinkel in der Weise festgelegt, dass die Oberflächentemperatur oberhalb von 0°C bleibt .

Damit ist eine Eisbildung verhindert und der Verdichter wird vor Beschädigungen durch Eis geschützt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsge- mäßen Bestimmungsverfahrens wird der Wert einer Luftfeuchtig ^¬ keit beziehungsweise einer relativen Luftfeuchtigkeit ermit ^¬ telt .

Die Luftfeuchtigkeit beziehungsweise die relative Luftfeuch- tigkeit ist ein wesentlicher Parameter, der Einfluss auf die Eisbildung hat. Durch die Abhängigkeit des Endwinkels von der Luftfeuchtigkeit beziehungsweise der relativen Luftfeuchtig ^¬ keit lässt sich eine Eisbildung leicht vermeiden. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens wird die relative Luftfeuchtig ^¬ keit stromabwärts der vorderen Leitschaufelreihe und strom ^¬ aufwärts der hinteren Leitschaufelreihe ermittelt. Dieses ist, durch die starke Beschleunigung der Luftströmung, der kälteste Ort innerhalb des Verdichters während des Be ^¬ triebs der Gasturbine. Das Potenzial der Luft, Feuchtigkeit aufzunehmen, ist an diesem Ort am geringsten und die relative Luftfeuchtigkeit am größten. Durch die Ermittlung am

kältesten Ort ist sichergestellt, dass die kälteste Tempera ^¬ tur in der Maschine berücksichtigt wird.

Die erfindungsgemäße Gasturbine umfasst einen Verdichter. Dieser weist eine vordere Leitschaufelreihe und stromabwärts der vorderen Leitschaufelreihe angeordnet eine hintere Lauf ^¬ oder Leitschaufelreihe auf. Die vordere Leitschaufelreihe um ^¬ fasst Leitschaufeln, die zwischen einem Anfangswinkel und einem Endwinkel verstellbar sind. Die erfindungsgemäße Gas- turbine verfügt zudem über zumindest eine Betriebsmessstelle und eine mit der Betriebsmessstelle datenleitend verbundene Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit ist ausgebildet, das er ^¬ findungsgemäße Bestimmungsverfahren durchzuführen.

Die Gasturbine kann somit die Vorteile des erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens nutzen und weist einen vergrößerten Fahrbereich auf. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeich ^¬ nungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen: Figur 1 eine erfindungsgemäße Gasturbine,

Figur 2 ein erfindungsgemäßes Bestimmungsverfahren,

Figur 3 eine Parameterermittlung des Bestimmungsverfahrens und

Figur 4 ein Diagramm beispielhafter Endwinkel.

In der Figur 1 ist beispielhaft eine erfindungsgemäße Gastur- bine 10 in einer Schnittdarstellung skizziert. Die Gasturbine

10 umfasst einen Verdichter 11, in dem ein angesaugter Luftmassenstrom 14 verdichtet wird. Der Verdichter 11 weist, wie im Stand der Technik üblich, Laufschaufelreihen und Leitschaufelreihen auf.

In der erfindungsgemäßen Gasturbine 10 umfasst der Verdichter

11 eine vordere Leitschaufelreihe 12 und eine hintere Leit ^¬ schaufelreihe 13. Die vordere Leitschaufelreihe 12 ist strom ^¬ aufwärts der hinteren Leitschaufelreihe 13 angeordnet und die hintere Leitschaufelreihe 13 ist stromabwärts der vorderen

Leitschaufelreihe 12 angeordnet. Dabei ist die vordere Leit ^¬ schaufelreihe 12 bevorzugt eine sogenannte Vorleitschaufel ^¬ reihe 12 und die hintere Leitschaufelreihe 13 ist die ström- abwärts nächst folgende sogenannte Erste Leitschaufelreihe

13. In der Weise ist es in der Figur 1 dargestellt. Dazwi ^¬ schen ist eine Laufschaufelreihe dargestellt. Die vordere Leitschaufelreihe 12 weist verstellbare Leit ^¬ schaufeln auf, so wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Die Leitschaufeln der hinteren Leitschaufelreihe 13 können ebenfalls verstellbar sein. Die Leitschaufeln der vorderen Leitschaufelreihe 12 sind in einem Bereich zwischen einem Anfangswinkel und einem Endwinkel E verstellbar. Mit einer Verstellung der Leitschaufeln wird der Luftmassenstrom

14, der durch die Gasturbine 10 strömt, reguliert. Der An ^¬ fangswinkel markiert die Grundstellung der Leitschaufeln, in der der größtmögliche Luftmassenstrom strömen kann. Mit Ver- stellen der Leitschaufeln verringert sich der Luftmassenstrom, bis mit Erreichen des Endwinkels E der Luftmassenstrom 14 minimiert ist. Je weiter entfernt der Endwinkel E vom An ^¬ fangswinkel ist, umso größer ist der Verstellbereich der Leitschaufein .

Der Endwinkel E ist bei der erfindungsgemäßen Gasturbine 10 variabel bestimmbar. Dazu weist die Gasturbine 10 eine Aus ^¬ werteeinheit 16 und eine mit der Auswerteeinheit 16 datenlei ^¬ tend verbundene Betriebsmessstelle 15 auf. Die Betriebsmess- stelle 15 ist ausgebildet, aktuelle Werte zumindest eines Prozessparameters zu messen. Es ist auch denkbar, dass die Gasturbine 10 mehrere Betriebsmessstellen 15 zur Messung unterschiedlicher Prozessparameter aufweist. Die Betriebsmessstelle 15 ist eine Messstelle für eine Temperatur T und/oder für eine absolute Luftfeuchtigkeit H beziehungsweise für eine relative Luftfeuchtigkeit h. Zudem kann die Be ^¬ triebsmessstelle 15 eine Messstelle für eine mechanische Drehzahl der Gasturbine 10 sein. Die zumindest eine Betriebs ^¬ messstelle 15 kann innerhalb der Gasturbine 10 oder außerhalb in der Umgebung der Gasturbine 10 angeordnet sein.

In der gezeigten Ausgestaltung ist die Betriebsmessstelle 15 innerhalb der Gasturbine 10 an der hinteren Leitschaufelreihe 13 angeordnet und dazu ausgebildet, die Temperatur T der Oberfläche der Leitschaufeln der hinteren Leitschaufelreihe 13 zu messen. Die mit der Betriebsmessstelle 15 verbundene Auswerteeinheit 16 bestimmt in dem erfindungsgemäßen Bestim- mungsverfahren 20 den Endwinkel E.

Das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren 20 ist beispielhaft in der Figur 2 in einem Diagramm von einem Start 21 bis zu einem Ende 24 dargestellt. Um eine Eisbildung im Verdichter 11 zu verhindern, wird erfindungsgemäß während des Betriebs der Gasturbine 10 in einer Parameterermittlung 22 ein aktueller Wert zumindest eines Prozessparameters ermittelt. An ^¬ schließend wird in einer Endwinkelfestlegung 23 der Endwinkel E in Abhängigkeit dieses Wertes festgelegt.

In der Parameterermittlung 22 kann der aktuelle Wert innerhalb oder auch außerhalb der Gasturbine detektiert werden.

Die Endwinkelfestlegung 23 kann entweder rechnerisch durch Verwendung einer hinterlegten Formel, bei der der Endwinkel E eine Funktion des ermittelten Parameters ist, oder durch Zuweisung eines Endwinkels aus einer hinterlegten Tabelle, bei der für verschiedene Werte des Parameters verschiedene End ^¬ winkel E vordefiniert sind, erfolgen. Der Endwinkel E ist bei identischen Prozessparametern bei verschiedenen Gasturbinentypen unterschiedlich. So muss die Endwinkelfestlegung 23 für jeden Gasturbinentyp individuell erfolgen.

In der Figur 3 ist die Parameterermittlung 22 in einer bei- spielhaften Ausführung in einem Diagramm dargestellt. In der gezeigten Variante werden von vier verschiedenen Parametern Werte ermittelt. Erfindungsgemäß ist es zumindest einer.

In einer Temperaturermittlung 25 wird der Wert der Temperatur T ermittelt. In einer Luftfeuchtigkeitsermittlung 26 wird der Wert der Luftfeuchtigkeit H ermittelt. In einer Relative- Luftfeuchtigkeitsermittlung 27 wird der Wert der relativen Luftfeuchtigkeit h ermittelt. Und in einer Aerodynamische- Drehzahlermittlung 28 wird der Wert einer aerodynamischen Drehzahl n* ermittelt.

Die Temperaturermittlung 25 kann innerhalb oder außerhalb der Gasturbine 10 erfolgen. Als Temperatur T kann eine Lufttempe ^¬ ratur einer Umgebung der Gasturbine 10 und/oder eine Lufttemperatur des Luftmassenstroms 14 oder auch eine Oberflächentemperatur an einer Materialoberfläche im Inneren der Gasturbine, insbesondere eine Oberflächentemperatur der hinteren Leitschaufelreihe 13 ermittelt werden. Im Inneren der Gastur ^¬ bine 10 wird die Lufttemperatur insbesondere stromabwärts der vorderen Leitschaufelreihe 12 und stromaufwärts der hinteren Leitschaufelreihe 13 ermittelt, weil dort der kälteste Ort ist. Der Endwinkel E wird insbesondere in der Weise abhängig von der Temperatur T gewählt, dass die Temperatur T, insbesondere die Oberflächentemperatur der hinteren Leitschaufelreihe 13, oberhalb von 0°C bleibt.

Der Ort, an dem die Oberflächentemperatur der Leitschaufel ermittelt wird, liegt insbesondere an einer Schaufelvorder ^¬ kante, insbesondere an einem äußeren Bereich der Schaufelvorderkante, insbesondere auf etwa einem Viertel der Höhe der Leitschaufel radial in Richtung der Rotationsachse betrach ^¬ tet. An dieser Stelle wird der kälteste Punkt der Oberfläche Leitschaufel erwartet. Idealerweise wird der Ort, an dem die Oberflächentemperatur der Leitschaufel ermittelt wird, für jede Gasturbine und insbesondere jede Betriebsweise individu ^¬ ell ermittelt. Die Oberflächentemperatur kann dabei auch berührungslos ermittelt werden.

Die Luftfeuchtigkeitsermittlung 26 sowie auch die Relative- Luftfeuchtigkeitsermittlung 27 können ebenfalls innerhalb oder außerhalb der Gasturbine 10 erfolgen. Die Luftfeuchtig ^¬ keit H oder die relative Luftfeuchtigkeit h wird insbesondere innerhalb des Luftmassenstroms 14 ermittelt. Insbesondere wird die relative Luftfeuchtigkeit h stromabwärts der vorde ^¬ ren Leitschaufelreihe 12 und stromaufwärts der hinteren Leit ^¬ schaufelreihe 13 ermittelt, weil dort der kälteste Ort ist und bei konstanter Luftfeuchte H somit auch der Ort mit der höchsten relativen Luftfeuchtigkeit h. Der Endwinkel E wird insbesondere in der Weise festgelegt, dass die relative Luft ^¬ feuchtigkeit h kleiner als 100% bleibt.

Die Aerodynamische-Drehzahlermittlung 28 erfolgt durch Messung der mechanischen Drehzahl der Gasturbine 10 sowie der Temperatur T. Der Endwinkel E kann dann als Funktion von der aerodynamischen Drehzahl n* gebildet werden, welche durch Korrektur mit einer Eintrittstemperatur aus der mechanischen Drehzahl abgeleitet werden kann. Details hierzu sind im Buch „Stationäre Gasturbinen" (1. Auflage) vom Herausgeber Jörg Seume auf Seite 346 beschrieben. Die Figur 4 zeigt zur Veranschaulichung beispielhaft die End ^¬ winkel E in Abhängigkeit von der Temperatur T und der relati ^¬ ven Luftfeuchtigkeit h für einen bestimmten Gasturbinentyp. Die Werte für die Luftfeuchtigkeit H sind hier beispielhaft auf Konstanten abgetragen. Die Endwinkel E reichen hier von 35°C bis 55°C. Zudem zeigt die Figur 4 die Grenzlinie für ein im Stand der Technik als „Anti Icing" bekanntes Eisschutzverfahren AI. Beim dem Eisschutzverfahren AI wird der Luftmassenstrom 14 insbesondere mit einem weiter stromabwärts ent ^¬ nommenem wärmeren Luftstrom erwärmt. Das erfindungsgemäße Be- stimmungsverfahren 20 kann auch während des Eisschutzverfahrens AI oder einer anderen Luftvorwärmung ausgeführt werden.

Die Eisbildung entsteht, wenn sowohl die Temperatur unter 0°C liegt als auch die relative Feuchte auf der betroffenen

Schaufel größer als 100% ist. Dies trifft für die Lauf- und die Leitschaufeln zu. Das Einfrieren der Laufschaufel ist aufgrund der Fliehkräfte im Betrieb jedoch unwahrscheinlicher und wird deshalb in der Praxis weniger betrachtet, auch wenn die kälteste Temperatur an der Laufschaufel erwartet wird. Die Messung der tiefsten Temperatur an der Laufschaufel ist grundsätzlich möglich, allerdings schwieriger als an der Leitschaufel durchzuführen. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so is die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge ^¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .