Eine Gasturbinenanlage wird üblicherweise zur Erzeugung elek- trischer Energie eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt ei- nes Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt, die wiederum einen Generator oder eine Arbeitsmaschine antreibt. Beim Betrieb der Gasturbinenanlage wird üblicherweise Umgebungsluft angesaugt und in einem der Gasturbine zugeordneten Verdichter auf einen hohen Druck ver- dichtet. Der grö te Anteil der verdichteten Luft gelangt in eine oder mehrere Brennkammern und wird dort mit dem Brenn- stoff, üblicherweise Gas, vermischt.

Das Gas-Luft-Gemisch wird verbrannt, wobei die hei en Brenn- gase bei ihrer Entspannung die Turbinenwelle antreiben. Die Gasturbine umfa t dazu eine Anzahl von Turbinenschaufeln, die in mehreren Stufen in fest stehenden Leitschaufelreihen und in sich mit der Turbinenwelle drehenden Laufschaufelreihen angeordnet sind. Über die in der Gasturbine erzeugte Drehbe- wegung der Turbinenwelle wird dann zusätzlich zu dem Genera- tor auch der Verdichter der Gasturbine angetrieben.

Zur Steigerung der Leistungsfähigkeit der Gasturbine und da- mit zur Erzielung eines möglichst hohen Wirkungsgrades bei der Verbrennung des Brennstoffs wird eine besonders hohe Tem- peratur des Treibgases am Eintritt der Gasturbine von bei- spielsweise 1000 bis 1300 "C angestrebt. Eine Grenze für diese Eintrittstemperatur ergibt sich allerdings aus der thermischen Belastbarkeit der Turbinenschaufeln.

Eine Steigerung der Turbineneintrittstemperatur kann dann zu--- gelassen werden, wenn die Turbinenschaufeln soweit gekühlt werden, da sie stets eine unterhalb der zulässigen Werk- stofftemperatur liegende Temperatur aufweisen. Zur Kühlung der Turbinenschaufeln werden üblicherweise am Verdichter Teilluftströme entnommen und verschiedenen Schaufelreihen über Kühlluftleitungen oder durch die Turbinenwelle hindurch als Kühlluft zugeführt. Innerhalb der Turbinenschaufeln ist die Kühlluft dann derart zu verteilen, da sich eine ausrei- chende Kühlung für alle Bereiche der zu kühlenden Schaufeln ergibt.

Die den Turbinenschaufeln zugeführte Kühlluft gelangt übli- cherweise über eine Anzahl von in oder an den Turbinenschau- feln befindlichen Öffnungen in den Gaskanal der Gasturbine und wird dort mit dem Treibgas vermischt. Besonders problema- tisch kann dabei die zuverlässige Kühlung der thermisch am höchsten belasteten, in Strömungsrichtung des Treibgases ge- sehen ersten Turbinenleitschaufelreihe sein. Bei einer Ver- stopfung der in oder an diesen Turbinenschaufeln befindlichen Durchströmöffnungen für die Kühlluft kann nämlich ein örtli- cher Ausfall der Kühlung und eine nachfolgende Überhitzung der Turbinenschaufeln zu ernsthaften Schäden bis hin zum Aus- fall der Gasturbine führen. Eine derartige Gasturbinenanlage ist somit besonders empfindlich gegenüber Verunreinigungen in der diesen Turbinenschaufeln zugeführten Kühlluft.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gastur- binenanlage der obengenannten Art anzugeben, bei der eine be- sonders zuverlässige Reinhaltung der Kühlluft, insbesondere für die erste Turbinenleitschaufelreihe, auch bei verschiede- nen Betriebszuständen gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird für eine Gasturbinenanlage der obengenann--- ten Art erfindungsgemä gelöst, indem in die Kühlluftleitung ein Zyklonabscheider geschaltet ist.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, da für eine zu- verlässige Reinhaltung der Kühlluft auch bei verschiedenen Betriebszuständen der Gasturbine ein Reinigungssystem für die Kühlluft vorgesehen sein sollte, dessen Wirksamkeit auch bei einer Variation der Menge, der Grö e und der Beschaffenheit der in der Kühlluft mitgeführten Fremdstoffe unverändert hoch ist. Wie sich herausgestellt hat, ist dazu ein Zyklonabschei- der, der beispielsweise in der Druckschrift "Zyklone zur Ab- scheidung von Feststoffen aus Gasen", E. Muschelknautz, V.

Greif, M. Trefz, VDI Wärmeatlas, 7. Auflage, Düsseldorf (1994), Abschnitt Lja, oder in der Druckschrift "Reduzierung des Druckverlustes von Zyklonabscheidern durch Rückgewinnung der Drallenergie sowie Abscheidung bei kleinen und kleinsten Staubbeladungen", V. Greif, Fortsch.-Ber. VDI, Reihe 3 Nr.

470, Düsseldorf (1997), beschrieben ist, besonders geeignet.

In einem Zyklonabscheider wird nämlich ein Drall in einer eintretenden Gasströmung erzeugt. Aufgrund der wirkenden Zen- trifugalkräfte werden Verunreinigungen im einströmenden Gas nach au en geschleudert und an einer Innenwand des Zyklonab- scheiders abgeschieden. Diese Verunreinigungen werden somit aus einem aus dem Innenbereich des entstehenden Luftwirbels entnommenen Gasstrom entfernt. Aufgrund dieses physikalischen Abscheideprinzips ist ein Zyklonabscheider somit besonders unempfindlich gegen variierende Grö e oder Form von im Gas- strom mitgeführten Fremdstoffen.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist dem Zyklonabscheider in der Kühlluftleitung eine Filterstufe, die insbesondere eine Anzahl von Partikelfiltern umfassen kann, nachgeschaltet. Je- des Partikelfilter kann dabei in bekannter Weise mechanische

Filterkomponenten, wie beispielsweise eine metallische Fil- terpatrone mit einer gro en Anzahl feinster Bohrungen, umfas- sen. Bei einer derartigen Anordnung ist eine besonders hohe Abscheidewirkung durch eine Kombination zweier unterschiedli- cher Prinzipien zur Abscheidung von Fremdstoffen gewährlei- stet. Das dem Zyklonabscheider nachgeschaltete Partikelfilter wirkt dabei als zuverlässige Barriere für solche Fremdstoff- partikel, die den Zyklonabscheider passieren konnten.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist die Kühlluftlei- tung ausgangsseitig an die in Strömungsrichtung des Arbeits- mediums gesehen erste Leitschaufelreihe der Gasturbine ange- schlossen.

Um einen möglicherweise infolge des Zyklonabscheiders und/oder infolge des ihm nachgeschalteten Partikelfilters auftretenden Druckverlust in der Kühlmittelleitung auf beson- ders günstige Weise zu kompensieren, ist in die Kühlluftlei- tung zweckmä igerweise ein Kühlluftverdichter geschaltet.

Für einen besonders niedrigen Druckverlust ist der Zyklonab- scheider zweckmä igerweise mit einem äu eren, ersten Leitap- parat zur Drallerzeugung und/oder mit einem inneren, in einem Tauchrohr angeordneten zweiten Leitapparat zur Druckrückge- winnung versehen. Der erste und der zweite Leitapparat können dabei jeweils eine Anzahl von Leitschaufeln umfassen.

Im Zyklonabscheider wird durch den äu eren, vorzugsweise fest stehenden Leitapparat ein Drall in der eintretenden Kühlluft erzeugt. Die dabei auftretenden hohen Umfangsgeschwindigkei- ten wirken sich günstig auf die Abscheideleistung des Zyklons aus. Der vorteilhafterweise ebenfalls fest stehend angeord- nete zweite Leitapparat im Tauchrohr wandelt die Umfangsge- schwindigkeitskomponente in der aus dem Abscheideraum des Zy- klonabscheiders austretenden Strömung in einen axialen Ge-

schwindigkeitsanteil um. Anschlie end wird diese axiale Strö--- mung im Tauchrohr verzögert. Durch beide Vorgänge lä t sich kinetische Energie der Gasströmung zurückgewinnen, so da der Druckverlust des Zyklonabscheiders besonders gering ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde- re darin, da eine zuverlässige Reinhaltung der Kühlluft auch bei verschiedenen Betriebszuständen und unabhängig von der Form oder Grö e von Fremdstoffpartikeln gewährleistet ist.

Der Strömungswiderstand für die strömende Kühlluft ist da- rüber hinaus besonders gering, so da Wirkungsgradeinbu en weitgehend vermieden sind. Der Strömungswiderstand in der Kühlluftzufuhr ist dabei nahezu konstant, da eine Verstopfung des dem Zyklonabscheider nachgeschalteten Partikelfilters auch bei langer Betriebsdauer weitgehend vermieden ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen Figur 1 eine Gasturbinenanlage mit einer Gasturbine, und Figur 2 einen Zyklonabscheider.

Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugs- zeichen versehen.

Die Gasturbinenanlage 1 gemä Figur 1 ist Teil einer nicht näher dargestellten Kraftwerksanlage. Die Gasturbinenanlage 1 weist eine mehrstufige Turbine 2 auf, die im Ausführungsbei- spiel vier Turbinenstufen 2a, 2b, 2c, 2d umfa t. Jede Turbi- nenstufe 2a, 2b, 2c, 2d umfa t jeweils eine Laufschaufelreihe und eine Leitschaufelreihe. Der Turbine 2 sind ein Verdichter 4 und eine Brennkammer 6 vorgeschaltet. Zusätzlich können auch weitere Brennkammern vorgesehen sein. Der oder jeder Brennkammer 6 ist über eine Leitung 8 verdichtete Luft V aus dem Verdichter 4 als Verbrennungsluft zuführbar. Ausgangssei-

tig ist die Brennkammer 6 über eine Leitung 10 mit der Tur- bine 2 verbunden. Der Turbine 2 ist dabei über die Leitung 10 durch Verbrennung eines Brennstoffs B in der Brennkammer 6 erzeugtes hei es Treibgas T zuführbar. Die Turbine 2 und der Verdichter 4 sind über eine Turbinenwelle 12 verbunden. Die Turbine 2, der Verdichter 4, die Brennkammer 6, die Leitungen 8, 10 sowie die Turbinenwelle 12 werden in ihrer Gesamtheit auch als Gasturbine bezeichnet. Über eine weitere Welle 14 ist der Verdichter 4 wiederum mit einem Generator 16 ver- bunden.

Zur Kühlung der - in Figur 1 nicht näher dargestellten - fest stehenden Leitschaufeln und der - ebenfalls nicht näher dar- gestellten - sich mit der Turbinenwelle 12 drehenden Lauf- schaufeln ist an die Turbine 2 ein externes Kühlluftsystem 18 angeschlossen. Das Kühlluftsystem 18 umfa t eine Anzahl von Kühlluftleitungen 20, 22, 24, 26. Über die Kühlluftleitungen 20, 22, 24, 26 ist der Turbine 2 jeweils ein Teilstrom ver- dichteter bzw. teilverdichteter Luft als Kühlluft K zuführ- bar. Die Kühlluftleitungen 22, 24, 26 sind dabei zur Zufüh- rung von Kühlluft K zu den Turbinenstufen 2b, 2c, bzw. 2d vorgesehen. Dazu sind die Kühlluftleitungen 22, 24, 26 ein- gangsseitig an den Verdichter 4 angeschlossen, wobei die An- schlüsse derart gewählt sind, da der Druck der jeweils ent- nommenen Luft besonders gut an die Erfordernisse der jeweili- gen Turbinenstufe 2b, 2c bzw. 2d angepa t ist.

Die Kühlluftleitung 20 hingegen ist eingangsseitig an die dem Verdichter 4 nachgeschaltete Leitung 8 angeschlossen. Über die Kühlluftleitung 20 ist der Turbine 2 somit ein Teilstrom der verdichteten Luft V als Kühlluft K zuführbar. Ausgangs- seitig mündet die Kühlluftleitung 20 in die Turbinenwelle 12, über die die Kühlluft K den Laufschaufeln der ersten Turbi- nenstufe 2a zuführbar ist. Zur Kühlung der als Kühlluft K vorgesehenen verdichteten Luft V ist in die Kühlluftleitung

20 ein als Wärmetauscher ausgebildeter Kühlluftkühler 28 ge- schaltet. Der Kühlluftkühler 28 ist dabei sekundärseitig mit einem Kühlmedium W, insbesondere mit Wasser, beaufschlagbar.

Zur Zuführung von Kühlluft K zur Leitschaufelreihe der ersten Turbinenstufe 2a ist eine weitere Kühlluftleitung 30 an dem Kühlluftkühler 28 ausgangsseitig angeschlossen. Alternativ kann die Kühlluftleitung 30 auch von der Kühlluftleitung 20 in Strömungsrichtung der Kühlluft K gesehen hinter dem Kühl- luftkühler 28 abzweigen. Die Kühlluftleitung 30 verzweigt sich vor Eintritt in die erste Turbinenstufe 2a in eine erste Teilleitung 32 und in eine zweite Teilleitung 34, die aus- gangsseitig jeweils an die Leitschaufelreihe der ersten Tur- binenstufe 2a angeschlossen sind.

Um Beschädigungen an den Leitschaufeln in der ersten Turbi- nenstufe 2a infolge von Verunreinigungen in der diesen Leit- schaufeln zugeführten Kühlluft K sicher zu vermeiden, ist das Kühlluftsystem 18 für eine besondere Reinhaltung dieser Kühl- luft K ausgelegt. Um dabei den speziellen Erfordernissen der Leitschaufelreihe in der ersten Turbinenstufe 2a Rechnung zu tragen, ist in die Kühlluftleitung 30 als Teil des Kühlluft- systems 18 ein Zyklonabscheider 36 geschaltet. Der Zyklonab- scheider 36 ist dabei zur Entfernung von Fremdpartikeln aus der den Leitschaufeln in der ersten Turbinenstufe 2a zuzufüh- renden Kühlluft K unabhängig von der Menge, der Grö e und der Beschaffenheit der Fremdpartikel vorgesehen. Für eine besonders zuverlässige Entfernung von Fremdstoffen ist dabei dem Zyklonabscheider 36 eine Filterstufe 38 nachgeschaltet.

Die Filterstufe 38 umfa t dabei ein erstes Partikelfilter 40 und ein zweites Partikelfilters 42, die in die Teilleitung 32 bzw. in die Teilleitung 34 geschaltet sind. Zur Kompensation eines durch die Abscheidesysteme und durch den Kühlluftkühler 28 hervorgerufenen Druckverlusts ist dem Zyklonabscheider 36

zudem ein Kühlluftverdichter 44 in der Kühlluftleitung 30 vorgeschaltet.

Zur näheren Erläuterung seiner Arbeitsweise ist der Zyklonab- scheider 36 in Figur 2 schematisch dargestellt. Der Zyklonab- scheider 36 weist einen rotationssymmetrischen, druckfesten Behälter 46 auf, an dem eingangsseitig ein Flansch 48 und ein Rohrstutzen 50 sowie ausgangsseitig ein Flansch 52 und ein Rohrstutzen 54 angeordnet sind. Der Behälter 46 und somit der Zyklonabscheider 36 ist mittels einer Anzahl von seitlich an- geordneten Pratzen 56 gelagert.

Der druckfeste Behälter 46 umfa t einen an seiner Oberseite verschlossenen Vorraum 58, einen darunter liegenden Abschei- deraum 60 und einen Sammelraum 64. Der Abscheideraum 60 ist im Ausführungsbeispiel aus einem kurzen zylindrischen und aus einem langen konischen Teil aufgebaut. Der unter dem Abschei- deraum 60 angeordnete und mit diesem über eine Flanschanord- nung 62 verbundene Sammelraum 64 ist auf seiner Unterseite mit einem Verschlu deckel 66 versehen.

Zwischen dem Vorraum 58 und dem Abscheideraum 60 ist ein äu- erer, erster Leitapparat 68 angeordnet. Dieser besteht aus mehreren über den Umfang verteilten Leitschaufeln zur Drall- erzeugung in der in den Zyklonabscheider 36 einströmenden Kühlluft K. Die Leitschaufeln des äu eren Leitapparats 68 sind auf ihrer nach innen, zur Behälterachse weisenden Seite an einem oben verschlossenen Rohrstück 70 befestigt. Die Leitschaufeln können ferner auf der nach au en weisenden Seite mit der Innenwand des druckfesten Behälters 46 verbun- den sein. Vorteilhafterweise weist das oben verschlossene Rohrstück 70 an seiner Unterseite eine nach au en weisende Abrei kante 72 auf.

Innerhalb des Rohrstücks 70 ist ein ringförmiger Deckel 74 angeordnet, der einerseits den Abscheideraum 60 zu einem Teil auf dessen Oberseite abschlie t. Andererseits ist an dem ringförmigen Deckel 74 ein auf beiden Seiten offenes Tauch- rohr 76 befestigt, das an seiner Unterseite in den Abscheide- raum 60 hineinragt. In dem Tauchrohr 76 ist ein innerer, zweiter Leitapparat 78 angeordnet. Der innere Leitapparat 78 besteht wiederum aus mehreren über seinen Umfang verteilten Leitschaufeln.

Die Leitschaufeln des inneren Leitapparats 78 sind auf ihrer zur Behälterachse weisenden, inneren Seite mit einem hohlför- migen Kern 80 und auf ihrer nach au en weisenden Seite mit dem Tauchrohr 76 verbunden. Die Schaufeln des inneren Leitap- parats 78 besitzen vorteilhafterweise jeweils einen unteren, gekrümmten Abschnitt und formen in dem darüber liegenden Ab- schnitt zwischen dem Tauchrohr 76 und dem Kern 80 jeweils eine gerade Beruhigungsstrecke 82. Der Kern 80 ist vorteil- hafterweise in seinem oberen Bereich kegelförmig ausgeführt, so da in diesem Abschnitt zwischen dem Kern 80 und dem Tauchrohr 76 an den Schaufeln des inneren Leitapparats 78 je- weils ein Diffusor 84 gebildet ist. Vorteilhafterweise ragen sowohl die Schaufeln des inneren Leitapparats 78 als auch der hohlförmige Kern 80 um ein gewisses Ma nach unten aus dem Tauchrohr 76 heraus.

Am unteren Ende des Abscheideraums 60 befindet sich eine nach innen weisende Abrei kante 86. Der Abscheideraum 60 ist vom Sammelraum 64 durch einen Abschirmkegel 88 teilweise ge- trennt.

Beim Betrieb der Gasturbinenanlage 1 wird Umgebungsluft U vom Verdichter 4 angesaugt. Der grö te Anteil der angesaugten Um- gebungsluft U gelangt als verdichtete Luft V über die Leitung 8 in die Brennkammer 6. Dort wird die Luft mit dem Brennstoff

B, üblicherweise Gas, vermischt und verbrannt. Das dabei er- zeugte hei e Treibgas T gelangt über die Leitung 10 in die Turbine 2 und bewirkt dort bei seiner Entspannung eine Dreh- bewegung der Turbinenwelle 12. Die Turbine 2 treibt somit den Verdichter 4 über die Turbinenwelle 12 und darüber hinaus über die Welle 14 den Generator 16 an. Das entspannte Treib- gas T verlä t die Turbine 2 und somit die Gasturbine als Ab- gas A.

Ein Teilstrom der verdichteten Luft V gelangt durch die Kühl- luftleitung 20 als Kühl luft K in den Kühlluftkühler 28 und wird dort mit Hilfe von Kühlmedium W, insbesondere Wasser, abgekühlt.

Die im Kühlluftkühler 28 abgekühlte Kühlluft K für die Lauf- schaufeln in der ersten Turbinenstufe 2a wird der Turbine 2 über die Kühlluftleitung 20 und die Turbinenwelle 12 zuge- führt. Ferner wird beim Betrieb der Gasturbinenanlage Kühl- luft durch die Kühlluftleitungen 22, 24 und 26 von verschie- denen Stufen des Verdichters 4 aus zu den Leitschaufeln und/oder den Laufschaufeln der zweiten Turbinenstufe 2b, der dritten Turbinenstufe 2c und der vierten Turbinenstufe 2d in der Turbine 2 geleitet.

Die Kühlluft K für die fest stehenden Leitschaufeln in der ersten Turbinenstufe 2a strömt vom Kühlluftkühler 28 durch die Kühlluftleitung 30 zum Kühlluftverdichter 44 und wird dort auf einen höheren Druck verdichtet. Anschlie end erfolgt eine Reinigung dieser Kühlluft K in dem in die Kühlluftlei- tung 30 geschalteten Zyklonabscheider 36. Eine Nachreinigung der Kühlluft K von eventuell noch vorhandenen Fremdstoffen erfolgt sodann in den Partikelfiltern 40 und 42. Anschlie end gelangt die gekühlte, verdichtete und gereinigte Kühlluft K zu den Leitschaufeln in der ersten Turbinenstufe 2a.

Im Zyklonabscheider 36 wird die zu reinigende Kühlluft K durch den Flansch 48 und den Rohrstutzen 50 in den Vorraum 58 geleitet. Von dort strömt die Kühlluft K entlang des äu eren Leitapparats 68 in den Abscheideraum 60. Durch die Leitschau- feln des äu eren Leitapparats 68 wird ein Drall in der strö- menden Kühlluft K erzeugt. Innerhalb des Abscheideraums 60 rotiert demnach die zu reinigende Kühlluft K. Aufgrund der wirkenden Zentrifugalkräfte werden Verunreinigungen in der Kühlluft K an die Innenwand des Abscheideraums 60 geschleu- dert. Von dort sinken diese Verunreinigungen nach unten und gelangen, vorbei am Abschirmkegel 88, in den Sammelraum 64.

Dem Inneren des Luftwirbels im Abscheideraum 60 wird gerei- nigte Kühlluft K entnommen. Diese gelangt durch das Tauchrohr 76 in das oben verschlossene Rohrstück 70, um den Zyklonab- scheider 36 anschlie end durch den Rohrstutzen 54 und den Flansch 52 zu verlassen. Der zweite Leitapparat 78 im Tauch- rohr 76 bewirkt dabei, da die Umfangsgeschwindigkeitskompo- nente in der aus dem Abscheideraum 60 austretenden Strömung in einen axialen Geschwindigkeitsanteil umgewandelt wird.

Nach Durchströmen der Beruhigungsstrecken 82 wird die axiale Strömung in den Diffusoren 84 verzögert. Durch beide Vorgänge lä t sich kinetische Energie zurückgewinnen, so da der Druckverlust des Zyklonabscheiders 36 besonders niedrig ist.

Durch die Kombination aus dem Zyklonabscheider 36 und den diesem nachgeschalteten Partikelfiltern 40 und 42 ist eine besonders hohe Reinhaltung der Kühlluft K für die thermisch am höchsten belasteten Leitschaufeln in der ersten Turbinen- stufe 2a sichergestellt. Die Wirksamkeit des Abscheidesystems ist dabei unabhängig von einer Variation der Menge, der Grö e und der Beschaffenheit der in der Kühlluft K mitgeführten Fremdstoffe gleichbleibend hoch.