DE3873281T2

DE3873281T2 - Wasser-spray-auswerfer-system fuer motoren mit dampfeinspritzung.

Info

Publication number: DE3873281T2
Application number: DE8888118127T
Authority: DE
Inventors: William Ronald Hines
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1987-11-30
Filing date: 1988-10-31
Publication date: 1993-03-18
Anticipated expiration: 2008-11-01
Also published as: EP0318706A1; DE3873281D1; JP2868524B2; EP0318706B1; JPH01208523A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinenmotoren (-triebwerke) mit Dampfinjektion und insbesondere auf Einrichtungen und Verfahren zum Verstärken der Dampfinjektion mit Wasserinjektion, um dadurch die Ausgangsleistung des mit Dampfinjektion arbeitenden Gasturbinenmotors zu erhöhen.
Es sind mit Dampfinjektion arbeitende Gasturbinenmotoren bekannt, die hindurchströmendes Gas verwenden, das einem Brayton-Zyklus folgt, und die auch hindurchströmenden Dampf aufweisen, der einem Rankine-Zyklus folgt. Häufig werden von Flugzeugen abgeleitete Triebwerke für solche Motoren mit Dampfinjektion verwendet. Das Flugzeugtriebwerk ist modifiziert, um eine Ausgangsleistungsturbine und auch zusätzliche Rückgewinnungs-Festboiler an seinem Ausgang aufzuweisen. Die Rückgewinnungs-Abgasboiler liefern den Dampf für eine Injektion in verschiedene Stellen des Triebwerkes und insbesondere in die Brennkammer. Zwar könnte der Dampf auch von einer externen Quelle zugeführt werden, aber im allgemeinen wird das mit Dampfinjektion arbeitende Gasturbinentriebwerk mit Dampf von seinem eigenen Abgasboilersystem versorgt.
Eine Einschränkung für die Ausgangsleistung des Motors mit Dampfinjektion besteht darin, daß der Dampf von seinen eigenen Festboilern möglicherweise keine angemessen niedrige Überhitzung hat, damit die Gasturbine bei ihrem maximalen Leistungsvermögen laufen kann. Beispielsweise könnten die Brennkammern wahrscheinlich mehr Wasserdampf aufnehmen sowohl in ihrem Dom als auch in ihrer Bypass- Verdünnungsluft, die aus dem Verdichterausgang strömt. Jedoch ist aufgrund des Vorhandenseins der Dampfinjektionsleitungen, die in die Brennkammer führen, keine Möglichkeit vorgesehen für eine weitere Wasservermehrung für die Brennkammer, um die Wasserdampfmenge zu vergrößern.
Die DE-A-3 419 560 zeigt ein Verfahren zum Vergrößern der Ausgangsleistung eines mit Dampfinjektion arbeitenden Gasturbinenmotors mit einem Verdichter, einer Brennkammer, einer Turbine und einem System zum Einspritzen von überhitztem Dampfin die Gasströmungsbahn, wobei in dem Verfahren Wasser in das Dampfinjektionssystem gesprüht wird, wodurch das Wasser durch den überhitzten Dampf verdampft wird, und das verdampfte Wasser mit dem bestehenden Dampf in dem Dampfinjektionssystem gemischt wird, so daß der dabei entstehende Dampf auf einer Überhitzungstemperatur ist, um eine resultierende erhöhte Massenströmung einer überhitzten Dampfmischung für eine Injektion in die Gasströmungsbahn zu erhalten.
Die GB-A-2 187 273 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinenzyklus in einer Einrichtung mit einer Zone in einer Brennkammer, in die Brennstoff und Luft für eine Verbrennung eingeführt werden, wobei Dampf ebenfalls in die Zone der Brennkammer eingeführt wird, um so die resultierende Flamme zu umgeben und Luft von dem Teil der Zone um die Flamme herum auszuschließen.
Es ist demzufolge eine Aufgabe der Erfindung, einen Gasturbinenmotor mit Dampfinjektion zu schaffen, der die vorgenannten Probleme von bekannten, mit Dampfinjektion arbeitenden Motoren vermeidet.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Mittel zum Vermehren des Dampfes in einem mit Dampfinjektion arbeitenden Motor mit Wasserinjektion zu schaffen.
Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, die Wasserdampfmenge in der Brennkammer eines Gasturbinenmotors zu vergrößern, um seine Ausgangsleistung zu erhöhen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Wasserejektor- und Mischersystem zu schaffen, um dem Dampfinjektionssystem eines mit Dampfinjektion arbeitenden Gasturbinenmotors Wasser zuzuführen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, für Vielseitigkeit bei der Verwendung eines verfügbaren Boilers oder stehender Hardware mit einem abgeleiteten Triebwerkssystem von unterschiedlichen oder leistungsgesteigerten Abgasströmungsparametern zu sorgen. Der gelieferte, stark überhitzte Dampf kann injiziertes Wasser sein, um mehr Dampf zu erzeugen und die Ausgangsleistung des Motors bzw. Triebwerks zu maximieren.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, für Vielseitigkeit bei der Verwendung von Boiler-Hardware dahingehend zu sorgen, daß Wasserinjektion in die Dampfleitungen den Leistungsbedarf anpassen kann; d. h. mehr Wasserinjektion ergibt mehr Leistung bei kleinerem thermischen Wirkungsgrad, weniger Wasserinjektion könnte kleinere Leistungserfordernisse bei höherem thermischen Wirkungsgrad anpassen. Dabei ist angenommen, daß die Boiler in Lage sind, stark überhitzten Dampf zu liefern, wenn sie entweder als eine Rückgewinnungseinrichtung des Motors (Triebwerks) oder als eine externe Quelle installiert sind.
Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, daß ein Triebwerks- bzw. Motorsystem, das an seine Rückgewinnungs-Boiler angepaßt ist, die wenig Überhitzungsdampf für maximale Leistung liefern, auch eine verfügbare externe Wärmequelle verwenden kann, um diesen Dampf zu überhitzen, so daß dann Wasserinjektion verwendet werden könnte, um die Ausgangsleistung des Triebwerkssystems weiter zu erhöhen, indem mehr Dampf erzeugt wird.
Es ist noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum Hinzufügen von zusätzlichem Dampf zu der Brennkammer eines mit Dampfinjektion arbeitenden Motors bzw. Triebwerks zu schaffen, um die Ausgangsleistung des Motors bzw. Triebwerks zu erhöhen.
Kurz gesagt, wird erfindungsgemäß ein Verfahren geschaffen zum Vergrößern der Ausgangsleistung eines Gasturbinenmotors mit Dampfinjektion, der einen Verdichter, eine Brennkammer, die einen Dom, der Brennstoff und Dampf von einer dualen Strömungsdüse empfängt, die Brennstoff in das Zentrum und Dampf koaxial um die Brennstofföffnung herum liefert, und eine Turbine in einer Reihenverbindung, wobei eine Gasströmungsbahn durch das Triebwerk bzw. den Motor hindurchführt, und ein Dampfinjektionssystem aufweist, das überhitzten Dampf in die Gasströmungsbahn injiziert, wobei in dem Verfahren Wasser in das Dampfinjektionssystem gesprüht wird, wodurch das Wasser durch den überhitzten Dampf verdampft wird, und das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß das verdampfte Wasser mit dem existierenden Dampf in dem Dampfinjektionssystem gemischt wird, so daß der resultierende Dampf auf einer Temperatur von wenigstens 28ºC (50ºF) Überhitzung ist und zusätzlicher Dampf dem Dom aus der dualen Düse zugeführt wird, um eine resultierende erhöhte Massenströmung der überhitzten Dampfmischung für eine Injektion in die Gasströmungsbahn zu erhalten. Es ist auch ein System vorgesehen zum Sprühen von Wasser in das Dampfinjektionssystem, woraufhin das Wasser durch den überhitzten Dampf in dem Dampfinjektionssystem verdampft und mit dem Dampf gemischt wird, so daß der resultierende Dampf auf einer Temperatur von wenigstens 28ºC (50ºF) Überhitzung ist, um eine erhöhte Massenströmung des überhitzten Dampfes zu erhalten, die in die Gasströmungsbahn injiziert wird.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Dampfinjektionssystem mit einem Wassersprühejektor und einem Mischer auf die Brennstofföffnung gerichtet, um den Wasserdampf zu vermehren, der an den Dom der Brennkammer geliefert wird. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Dampfinjektionssystem mit einem Wassersprühejektor und einem Mischer ferner auf die Abzweigöffnungen gerichtet, die dann in den Brennkammermantel strömen.
Zusätzlich zur Schaffung eines Wasserejektor- und Mischersystems für eine Wasservermehrung in der Brennkammer kann eine Wasservermehrung auch durch andere Dampfleitungen in dem Motor bzw. Triebwerk herbeigeführt werden, wie beispielsweise eine Hochdruckturbine, eine Niederdruckturbine oder sogar eine Leistungsturbine.
Diese Erfindung ist brauchbar, wenn ein Rückgewinnungs- Boilersystem überhitzten Dampf mehrere hundert Grad oberhalb der Sättigungstemperatur bei einem gegebenen Druck an den Motor bzw. das Triebwerk liefert oder wenn der Dampf von einer externen Quelle ebenfalls bei hohen Überhitzungs- Temperaturwerten kommt. Sie gestattet, daß Motoren bzw. Triebwerke fehlangepaßte Boiler verwenden (nicht bei minimaler Überhitzung für maximale Ausgangsleistung), um diese maximale Ausgangsleistung innerhalb Rotleitungs- oder begrenzenden Betriebsparametern des Motors bzw. Triebwerks zu erreichen, ob diese Boiler nun zu seinem eigenen Rückgewinnungssystem gehören oder Boiler einer externen Quelle sind. Rückgewinnungsboiler, die Dampf bei +25ºC (+50ºF) Überhitzung bei einem gegebenen Druck an einen Motor bzw. Triebwerk liefern, könnten dieses Konzept verwenden, wenn die Dampfleitungen zu einer externen verfügbaren Wärmequelle geleitet sind, die Dampf überhitzen könnte, um eine stromabwärtige Wasserinjektion in diesen Dampfleitungen zu gestatten. Somit könnten stehende Boilersysteme zur Verwendung mit abgeleiteten Dampfinjektionsmotoren bzw. -Triebwerken angepaßt werden, wobei Wasserpumpen für den erforderlichen Druck und die Strömung sorgen könnten und die Wärmeübertragungsflächen des Boilers ein Niveau an überhitztem Dampfliefern könnten. Dieses System könnte dann durch Dampfleitungs- Wasserinjektion verstärkt werden, um die Ausgangsleistung des Triebwerkssystems innerhalb von Betriebsgrenzen zu maximieren.
Die vorgenannten Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nun anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung von einem Gasturbinenmotor mit Wasserinjektion, wobei der Dampf von Rückgewinnungs-Abgasboilern am Ausgang des Motors zugeführt wird.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Wassersprüh-Ejektorsystems gemäß der Erfindung, das zu dem Dampfinjektionssystem hinzugefügt ist, um für eine Wasservermehrung zu der Brennkammer zu sorgen.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung von einem Gasturbinenmotor mit Dampfinjektion unter Verwendung einer externen Wärmequelle, um Überhitzungstemperatur zu dem Ausgang aus den Motorboilern hinzuzuaddieren, so daß eine zusätzliche Wasservermehrung in die Wassersprüh- Ejektorleitungen geliefert werden kann, die das Dampfejektionssystem speisen.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung von dem Gasturbinenmotor mit Dampfinjektion unter Verwendung einer externen Quelle von Verlustdampf, der in die Dampfinjektionssysteme injiziert wird, um dem Triebwerk mehr Dampf zuzuführen.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche Bauteile.
In Fig. 1 ist in allgemeiner Weise ein mit Dampfinjektion arbeitender Motor (Triebwerk) 10 mit einem Kerntriebwerk gezeigt, das einen Verdichter 12 aufweist, der mit einer Turbine 14 über eine Verbindungswelle 16 verbunden ist. Ein Brenner oder ein Brennkammersystem 18 ist zwischen dem Verdichter und der Turbine vorgesehen. Das Kerntriebwerk ist in einem Gehäuse 20 eingeschlossen. Das Kerntriebwerk könnte typisch ein vom Flugzeugtriebwerk abgeleiteter Motor sein.
Eine Ausgangsleistungsturbine 22 ist aerodynamisch mit dem Kerntriebwerk verbunden, um von dem Motor die Ausgangsleistung abzunehmen. Ein Gemisch von Luft und Dampf aus dem Triebwerk wird durch den Abgasstutzen 24 abgegeben. In dem Abgassystem 26 enthalten sind Rückgewinnungs- Abgasboiler 28, die Hochdruckdampf 30 für eine Injektion zurück in das Triebwerk liefern. Die Injektion kann an verschiedenen Stellen eingeführt werden, beispielsweise an der Brennkammer, wie es bei 32 gezeigt ist, oder in die Schaufeln von irgendeiner der Turbinen, wie es bei 34 gezeigt ist. Die Brennstoffleitung ist bei 36 gezeigt, wie sie in die Brennkammer eintritt.
Die Dampfinjektion wird im allgemeinen begrenzt durch die Einspeisung, die von den Festboilern geliefert wird. Obwohl der Dampf auch von einer externen Quelle zugeführt werden könnte, kommt die Einspeisung in den meisten Fällen direkt von dem Festboilersystem, um den Wirkungsgrad des Triebwerks bzw. Motors zu erhöhen. Nichtsdestoweniger wird externer Verlustdampf oder -wärme ebenfalls den thermischen Wirkungsgrad des Triebwerkssystems verbessern.
Die Dampfmenge, die in die Brennkammer injiziert werden kann, wird durch ein Verhältnis von Flammendomdampf- oder -wasser zu Brennstoff von etwa 2,75 oder etwas höher begrenzt, was von der Konstruktion abhängt. Oberhalb dieses Verhältnisses wird die Flamme im allgemeinen verlöschen. Der in die Brennkammer injizierte Dampf wird im allgemeinen in der Menge bemessen, um Stickoxid (NOX)-Emissionen zu steuern. Dieser Dampf wird typisch an die Brennstofföffnungen geliefert, die in dem Dom der Brennkammer ausgebildet sind. Typisch wird ein Doppelströmungs-Düsensystem verwendet, wobei der Brennstoff in der Mitte und der Dampf koaxial um die Brennstofföffnung herum zugeführt werden.
Der Motor ist typisch auch mit Abzapföffnungen versehen. Derartige Abzapföffnungen werden normalerweise in dem Flugzeug-Triebwerk verwendet, um Luft zur Verwendung in der Flugzeugkabine abzuziehen. In dem Fall des abgeleiteten Triebwerks bzw. Motors, das als ein Triebwerk mit Dampfinjektion verwendet wird, werden die Abzapföffnungen zur Injektion von Dampf verwendet. Diese Abzapföffnungen sind so bemessen, daß sie so viel Dampf wie möglich mit minimalen Druckverlusten aufnehmen.
Im allgemeinen ist die Dampfmenge, die an den Motor mit Dampfinjektion geliefert wird, kleiner als diejenige, die der Motor für eine maximale Leistung verwenden könnte. Die Dampfmenge ist im allgemeinen durch die Dampfmenge begrenzt, die von dem Festboilersystem zur Verfügung steht. Selbst wenn zusätzlicher externer Dampf geliefert werden könnte, sind die Kosten von diesem zusätzlichen Dampf so hoch, daß es nicht lohnenswert sein würde, für eine weitere Verbesserung des Triebwerkes zu sorgen, außer wenn es irgendwie Verlustdampf wäre.
Zwar könnte eine Wasservermehrung vorgesehen sein, aber die Gasturbine ist nicht mit Mitteln für eine derartige Wasservermehrung versehen, da die verwendeten Dampfinjektionsleitungen in die Brennkammer und Zapföffnungen des Motors führen.
Die vorliegende Erfindung sorgt für eine derartige Wasservermehrung, indem das Wasser in die Dampfinjektionsleitungen gesprüht wird, anstatt daß zusätzliches Wasser direkt in die Brennkammer geleitet wird. Das Wasser wird in die Dampfleitungen eingeführt und unmittelbar in Wasserdampf umgewandelt. Der Wasserdampf und das Dampfgemisch sind so, daß das Gesamtprodukt überhitzter Dampf bei wenigstens 28ºC (50ºF) Überhitzungstemperatur bleibt. Diese Erhöhung in der Massenströmung des Überhitzungsdampfes wird dann in die Brennkammer und in andere Stellen innerhalb der Gasturbine eingeführt.
Die erhöhte Massenströmung des Überhitzungsdampfes könnte an verschiedenen Stellen eingeführt werden, um die Brennkammer zu speisen. Sie könnte in die Brennstofföffnung eingeführt und dadurch in den Dom injiziert werden, wodurch die Dampfmenge bis zu der Grenze des Wasser/Brennstoffverhältnisses von etwa 2,75/1 erhöht wird. Die erhöhte Wassermasse könnte auch zu dem Überhitzungsdampf der Abzweigöffnungen hinzugefügt werden bis zu einer Grenze von weniger als 100 Prozent relativer Feuchtigkeit in der Brennkammer-Bypass-Verdünnungsluft nach dem Mischen. Diese vorstehende Feststellung gilt auch für Dampfleitungs-Wasserinjektion an anderen Nicht- Verbrennungsöffnungen innerhalb des Triebwerks bzw. Motors, d. h. es muß wenigstens eine +28ºC (+50ºF) Überhitzung für das Gemisch bei örtlichen Drucken bestehen.
Das Resultat der Injektion von Wasser in die Dampfleitungen besteht darin, die Dampfmenge in dem System zu vergrößern. Dies hat eine Steigerung in der Ausgangsleistung zur Folge aufgrund der zusätzlichen Masseströmung. Auch wenn insgesamt ein thermischer Wirkungsgradverlust besteht, wird die Leistungssteigerung die Kosten pro Kilowatt Ausgangsleistung des Systems wesentlich senken.
Der Verlust an thermischem Wirkungsgrad resultiert aus der Tatsache, daß die Verdampfungswärme des Wassers bei den hohen Drucken nicht in dem Abgassystem zurückgewonnen werden kann. Ein zusätzlicher Verlust an thermischen Wirkungsgrad könnte auch entstehen, wenn dem Brennstofföffnungssystem genügend Wasser zugeführt wird, wodurch der Verbrennungswirkungsgrad abnimmt.
Vorzugsweise würde der erste Platz für die Hinzufügung der Wasserinjektion an den Abzapföffnungen sein. Zusätzlich könnte das in den Dampf injizierte Wasser in die Brennstofföffnung eingeführt werden, wenn der Verbrennungswirkungsgrad nicht verkleinert wird.
In Fig. 2 ist schematisch eine Brennkammer 40 mit einem Dom 42 gezeigt, in den Brennstoff und Dampf aus einer Doppelströmungsdüse 44 injiziert wird. Der Brennstoff wird aus der zentralen Leitung 46 injiziert, wobei die äußere koaxiale Leitung 48 den Dampf liefert. Der Dampf ist überhitzt und kommt von dem Hochdruck-Festboilersystem am Ausgang des Triebwerks und tritt in die Dampfinjektionsleitungen bei 50 ein.
Entlang den Dampfleitungen 48 ist ein Wasserejektor- und Mischersystem vorgesehen, das insgesamt mit 52 bezeichnet ist. Das Ejektor- und Mischersystem 52 enthält eine Einlaßleitung 54, in das unter hohem Druck stehendes, heißes Wasser direkt in die überhitzte dampfführende Leitung 48 gesprüht wird. Das heiße Wasser wird unmittelbar verdampft und mit dem in der Leitung strömenden Dampf gemischt, wodurch das Ergebnis ebenfalls überhitzter Dampf von wenigstens 28ºC (50ºF) Überhitzung sein wird. Es wird jedoch eine Erhöhung in der Massenströmung des Dampfes vorhanden sein. Der Dampf wird entlang den Leitungen 48 geschickt für eine Injektion in den Dom.
Es kann ein Hilfsauslaß 56 entlang der Leitung 48 vorgesehen sein, wodurch ein gewisser Teil des Dampfes auch um den Dom herum in den Mantel entlang den Leitungen 58 strömt für einen letztendlichen Durchtritt in die Verkleidung 43 für eine noch weitere Verdünnung.
Zusätzlich zur Ausbildung eines Ejektors und Mischers in den Dampfleitungen 48, die in den Dom führen, können ein Ejektor und Mischer gemäß der Erfindung auch in den Dampfinjektionsleitungen vorgesehen sein, die das Abzapfsystem speisen. Speziell enthält das Flugzeug- Abzapfsystem einen Abschnitt 60, der die Brennkammer 40 umgibt. Überhitzter Dampf aus dem Hochdruckboiler wird in die Abzapföffnung 62 des Abzapfsystems geliefert für eine Strömung durch das Abzapfsystem und durch den Einlaß 64 in den Brennkammermantel. Der Hochdruck-Heißwasser-Ejektor und -Mischer 66 ist zu den Dampfleitungen 68 hinzugefügt, die in das Abzapfsystem führen. Das heiße Wasser wird durch das Einlaßrohr 70 in das System gesprüht und wiederum unmittelbar verdampft, wobei der resultierende Dampf wenigstens 50ºC Überhitzung hat. Diese erhöhte Dampfströmung wird zu dem Abzapfsystem geleitet für einen Durchtritt in die Brennkammerauskleidung.
Beispielsweise könnte typisch ein Motor (Triebwerk), der an Festboilern oder Boilern einer externen Quelle bei hoher Überhitzung und Einhaltung von NOX-Emissionen läuft, weitere 2 Prozent Wasser in die Brennstofföffnung und weiter 2,5 Prozent in die Abzapföffnungen aufnehmen. Dies könnte die Ausgangsleistung um etwa 28 Prozent bei einem Verlust an thermischem Wirkungsgrad von etwa -1,4 Punkten vergrößern, wenn die Einlaßtemperatur der Niederdruckturbine konstant gehalten wird und keine anderen Grenzwerte des Triebwerkes restriktiv wirken.
Das Wasser, das hinzugesetzt wird, sollte Tröpfchen mit einer Größe von etwa 70 Mikrometer oder kleiner sein, die in dem überhitzten Dampf sofort verdampfen würden. Die Verwendung einer derartigen Tröpfchengröße vermeidet jedes Erosionsproblem auf den Schaufeln der Turbine oder der eigentlichen Brennkammer.
Die Menge an zugesetztem Wasser kann so groß sein, wie Wasser verdampft. Typisch sollte dies bis zu einer Grenze von weniger als 100 Prozent Feuchtigkeit lokal bei dem statischen Druck des Punktes sein, an dem der Dampf in die Luft injiziert wird. Das resultierende Ergebnis des Wasserdampfes und des bestehenden Dampfes sollte Überhitzungsdampf von wenigstens 28ºC (50ºF) Überhitzung des Gesamtgemisches des Dampfes sein.
Der Vorteil des Injizierens von Wasser in die Dampfleitungen besteht darin, daß das zusätzliche Wasser nahezu unmittelbar verdampft und in die Brennkammer als Dampf eintritt und nicht als Tröpfchen. Ferner ist es der einzige Weg, auf dem zusätzliches Wasser in den Brennkammerdom eingeführt werden kann, da sowohl der Brennstoff als auch der Dampf durch duale Strömungsdüsen geliefert werden. Ein zusätzliches Merkmal ist, daß nun Wasser auch zu der Bypass-Verdünnungsströmung aus dem Verdichter hinzugefügt werden kann, da es als Dampf eintritt. Bekannte Wasservermehrungssysteme führten Wasser nur zu dem Brennkammerdombereich zu und machten dies direkt zur Brennkammer.
Das Wasserinjektionssystem könnte verwendet werden, um Dampf von einer externen Quelle von wenigstens +28ºC (+50ºF) Überhitzung zu liefern, um sich mit Dampf (S) zu mischen, der von seinen eigenen Rückgewinnungsboilern kommt. Somit würde Verlustdampf in das Triebwerkssystem unter Verwendung vorhandener Rohrleitungen eingeführt werden, der sowohl die Ausgangsleistung als auch den thermischen Wirkungsgrad erhöhen würde. Das Resultat des thermischen Wirkungsgrades für den Verlustdampf würde etwa 0,15 für denjenigen Teil betragen, der verloren gegangen wäre.
In Fig. 3 ist allgemein ein Motor bzw. Triebwerk 80 mit einem Verdichter 82 gezeigt, der mit einer Turbine 84 durch eine Welle 86 verbunden ist. Zwischen dem Verdichter und der Turbine sind Brennkammern 88 angeordnet. Eine Ausgangsleistungsturbine 90 ist aerodynamisch mit dem Kerntriebwerk verbunden, um die Leistung zu entnehmen. Es wird ein Rückgewinnungs-Boilersystem 92, das in dem Ausgangsstutzen enthalten ist, verwendet, um den Dampf für eine Injektion zurück in das System entlang der Leitung 94 zu liefern. Der gelieferte Dampf ist auf einer Temperatur von 28ºC (50ºF) Überhitzung, was normalerweise angemessen sein würde für eine Injektion in das Brennkammersystem. In dem vorliegenden Fall jedoch wird der Dampf, um für eine zusätzliche Wasservermehrung sorgen zu können, zunächst durch eine externe Abfall- bzw. Verlustwärmequelle 95 geleitet, um dem überhitzten Dampf zusätzliche Wärme zuzuführen. Sobald er zusätzlich überhitzt ist, kann nun Wasser bei 96 in die Wassersprüh-Ejektorvorrichtung zugeführt werden, wie allgemein bei 98 gezeigt ist.
Unter Verwendung dieses Systems kann für eine zusätzliche Wasservermehrung gesorgt werden, indem Nutzen aus externer Abfallwärme gezogen wird, die zur Verfügung stehen könnte, um dem Dampf Wärme zuzuführen, der aus dem Rückgewinnungsboiler des Triebwerkes selbst kommt.
In Fig. 4 ist wiederum das Triebwerk gemäß Fig. 3 gezeigt, wobei gleiche Bauteile in gleicher Weise bezeichnet sind. Wiederum wird Dampf von dem Rückgewinnungsboiler 92 auf der Leitung 94 geliefert. Dieser Dampf ist wenigstens auf einer Temperatur von 28ºC (50ºF) Überhitzung. In diesem Fall wird Abfall- bzw. Verlustdampf aus einer externen Quelle ebenfalls bei wenigstens 28ºC (50ºF) Überhitzung in das Wassersprüh- Ejektor- und Mischersystem injiziert. Anstelle der Einspeisung von Wasser, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, wobei das Wasser unmittelbar in Dampf umgewandelt wird, wird Dampf direkt von einer externen Quelle zugeführt.
Aufgrund der Verfügbarkeit des Wassersprüh-Ejektor- und Mischersystem gemäß der Erfindung kann entweder Wasser oder Dampf injiziert werden, um für eine Vermehrung zu sorgen. Auf diese Weise kann der Motor (Triebwerk) an die gewünschten Leistungserfordernisse angepaßt werden. Es kann mehr Wasserinjektion vorgesehen werden, um mehr Leistung bei kleinerem thermischen Wirkungsgrad zu ergeben. Weniger Wasserinjektion kann kleinere Leistungserfordernisse an hohen thermischen Wirkungsgrad anpassen.
Obwohl die Technik zur Zuführung von Masseströmung zur Brennkammer beschrieben worden ist, könnte die Technik auch verwendet werden, um die Leistung durch irgendeine Dampfleitung in dem Motor zu vergrößern, beispielsweise die Dampfleitung zur Niederdruckturbine oder Hochdruckturbine oder der Arbeitsturbine. Ferner könnte auch irgendeine Schaufeldampfkühlung verstärkt werden, indem dem Dampf Wassertröpfchen zugeführt werden, solange die Temperatur oberhalb der Sättigungstemperatur bei dem jeweiligen Druck bleibt.

Claims

1. Verfahren zum Vergrößern der Ausgangsleistung eines Gasturbinentriebwerks mit Dampfinjektion, das einen Verdichter, eine Brennkammer (40), die einen Dom (42), der Brennstoff und Dampf von einer dualen Strömungsdüse (44) empfängt, die Brennstoff in das Zentrum und Dampf koaxial um die Brennstofföffnung herum liefert, und eine Turbine in einer Reihenverbindung, wobei eine Gasströmungsbahn hindurchführt, und ein System aufweist zur Injektion von überhitztem Dampf in die Gasströmungsbahn, wobei in dem Verfahren Wasser in das Dampfinjektionssystem gesprüht wird, wodurch das Wasser durch den überhitzten Dampf verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß das verdampfte Wasser mit dem existierenden Dampf in dem Dampfinjektionssystem gemischt wird, so daß der resultierende Dampf auf einer Temperatur von wenigstens 28ºC (50ºF) Überhitzung ist und zusätzlicher Dampf dem Dom aus der dualen Düse zugeführt wird, um eine resultierende erhöhte Massenströmung der überhitzten Dampfmischung für eine Injektion in die Gasströmungsbahn zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das in das Dampfinjektionssystem gesprühte Wasser eine Tröpfchengröße von weniger als 70 Micrometer hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Druck des in das Dampfinjektionssystem gesprühten Wassers wenigstens so hoch ist, wie der Druck des überhitzten Dampfes in dem System.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wasser vorgewärmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis des Dampf es zu dem Brennstoff in dem Dom auf 2,75/1 gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Brennkammer Verdünnungsluft aus dem Verdichterausgang empfängt und wobei das Dampfinjektionssystem Dampf zu der Verdünnungsluft hinzufügt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der resultierende überhitzte Dampf auf einem Wert von weniger als 100% relativer Feuchtigkeit in der Verdünnungsluft gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Dampfinjektionssystem auch eine Abzapföffnung (62) am Eingang zur Brennkammer speist und Wasser in die Abzapföffnung gesprüht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der resultierende überhitzte Dampf aus der Abzapföffnung sich mit Brennkammerbypass-Verdünnungsluft aus dem Verdichterausgang mischt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gasturbine ferner ein Rückgewinnungs-Abgasboilersystem (12) aufweist zur Lieferung des Dampf es für das Dampfinjektionssystem.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Dampf für das Dampfinjektionssystem aus Quellen außerhalb der Gasturbine zugeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der resultierende Dampf Schaufeln der Turbine (n) zugeführt wird und die Temperatur des resultierenden Dampfes oberhalb der Sättigungstemperatur bei dem Druck ist, bei dem er den Schaufeln zugeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei Abwärme von einer externen Quelle zugeführt wird, um die Temperatur des überhitzten Dampfes aus dem Rückgewinnungs-Abgasboiler (12) zu erhöhen, wodurch mehr Wasser in das Dampfinjektionssystem eingegeben werden kann und trotzdem die resultierende Dampfmischung bei überhitztem Dampf beibehalten wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner Abwärme von einer externen Quelle in das Dampfinjektionssystem eingegeben wird.

15. Gasturbinentriebwerk mit einer Reihenströmungsanordnung von einem Verdichter, einer Brennkammer (40) und einer Turbine, einer Gasströmungsbahn durch das Triebwerk, einem Brennstoff- und Dampfsystem und mit einer dualen Strömungsdüse (44) zur Lieferung von Brennstoff in das Zentrum und Dampf koaxial um die Brennstofföffnung herum zu dem Dom (42) der Brennkammer, gekennzeichnet durch einen Wassersprühejektor- und Mischereinrichtung (52, 66), die mit der dualen Strömungsdüse gekoppelt ist, zum Sprühen von Wasser in den überhitzten Dampf zum Verdampfen des Wassers durch den darin strömenden überhitzten Dampf und zum Mischen des Wasserdampfes mit dem überhitzten Dampf, um eine resultierende überhitzte Dampfmischung von größerer Massenströmung zur Injektion in die Gasströmungsbahn zu erzeugen, wobei die überhitzte Dampfmischung eine resultierende Dampftemperatur von wenigstens 28ºC (50ºF) Überhitzung aufweist.

16. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 15, wobei ein Triebwerksabzapfsystem mit der Gasströmungsbahn verbunden ist und eine Abzapföffnung (62) aufweist, wobei das Dampfinjektionssystem ferner mit der Abzapföffnung gekoppelt ist zum Zuführen von überhitztem Dampf zu der Gasströmungsbahn und wobei die Wassersprühejektor- und Mischeinrichtung (52, 66) mit dem Abzapfsystem gekoppelt ist.

17. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 16, wobei das Abzapfsystem mit der Brennkammer gekoppelt ist zum Zuführen der resultierenden Dampfmischung zu der Bypassverdünnungsluft in der Brennkammer (40).

18. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 15, wobei das Dampfinjektionssystem und die Wassersprühejektor- und Mischeinrichtung (52, 66) mit Schaufeln von Turbinen gekoppelt ist, wodurch die Schaufeln mit der resultierenden Dampfmischung beaufschlagt sind.

19. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 15, wobei ein fehlangepaßter, eine externe Quelle bildender Boiler (92) zu dem Gasturbinentriebwerk vorgesehen ist zum Liefern von Dampf für das Dampfinjektionssystem.