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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kombikraftwerk mit einem
Wärmetauscher,
der Dampf als Arbeitsmedium auf der Hochtemperaturseite nutzt, um
Wärme in
einen Gasturbinenbrennstoff zurückzuführen, der
einer Gasturbine zuzuführen
ist.
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Beschreibung des Standes
der Technik
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Als
erstes Beispiel aus dem Stand der Technik zum Durchführen dieser
Art von Wärmerückgewinnung
wird im folgenden ein Kombikraftwerk vom regenerativen Gasturbinentyp
mit Bezug auf 2 beschrieben.
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In
einem Kombikraftwerk, das aus einer regenerativen Gasturbine gemäß 2 aufgebaut
ist, bildet eine Gasturbine 01 vom regenerativen Typ einen Vorschaltzyklus
derselben und umfasst einen Kompressor 1, einen mit dem
Kompressor 1 über eine
Welle verbundenen Generator 2, einen Regenerator 3 zum
Zurückgewinnen
von Wärme
in aus dem Kompressor 1 zugeführte Druckluft, eine Brennkammer 4 zum
Verbrennen von von außen
zugeführtem Brennstoff
mittels erwärmter
Luft, die durch den Generator 3 zugeführt wird, eine Turbine 5,
die durch von der Brennkammer 4 zugeführtes Verbrennungsgas betrieben
wird, einen Abgaskanal 6 zum Zuführen von Abgas durch diesen
vom Auslass der Turbine 5 zu einer Heizseite des Regenerators 3,
und einen Abgaskanal 7 zum Zuführen durch diesen des Abgases
von dem Regenerator 3 zu einem Abwärme-Rückgewinnungskessel 02.
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In
dem Abwärme-Rückgewinnungskessel 02,
der mit dem Abgas von der Turbine 5 versorgt wird, wird
eine Wärmerückgewinnung
sequentiell an einem Hochdruck-Dampfgenerator 29,
einem Zwischendruck-Dampfgenerator 28 und einem Niederdruck-Dampfgenerator 27 vorgenommen,
um gesättigten
Dampf mit Hochdruck, Zwischendruck bzw. Niederdruck zu erzeugen.
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Der
gesättigte
Hochdruckdampf wird in einen Hochdruck-Überhitzer 33 über ein
Hochdruck-Dampfrohr 34 geleitet, um auf eine Temperatur eines
vorbestimmten Pegels angehoben zu werden, und wird dann in eine
Hochdruckturbine 22 aus den einen Grundzyklus des kombinierten
Zyklus bildenden Dampfturbinen über
ein Hochdruck-Dampfrohr 32 geleitet, um dort zu expandieren
und Energie zu erzeugen.
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Andererseits
wird der gesättigte
Zwischendruckdampf über
ein Zwischendruck-Dampfrohr 31 geleitet, um auf seinem
Weg mit Dampf vom Auslass der Hochdruckturbine 22 vermischt
zu werden und auf eine Temperatur eines vorbestimmten Pegels an einem
Wiedererhitzer 26 angehoben zu werden, und wird dann in
eine Zwischendruckturbine 23 geleitet, um darin zu expandieren
und Energie zu erzeugen.
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Ferner
wird der gesättigte
Niederdruckdampf über
ein Niederdruck-Dampfrohr 30 geleitet, um auf seinem Weg
mit Dampf vom Auslass der Zwischendruckturbine 23 vermischt
zu werden, und wird dann in eine Niederdruckturbine 24 geleitet,
um darin zu expandieren und Energie zu erzeugen, wonach er an einem
Kondensator 25 zu Wasser kondensiert wird, um dann dem
Abwärme-Rückgewinnungskessel 02 zugeführt zu werden.
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Ein
zweites Beispiel aus dem Stand der Technik zur Durchführung dieser
Art von Wärmerückgewinnung
wird im folgenden mit Bezug auf die 3 beschrieben.
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Bei
einer dampfgekühlten
Gasturbine gemäß 3 ist
das System so aufgebaut, dass Dampf von einem Hochdruckturbinenauslass
direkt zur Kühlung einer
Gasturbinenschaufel verwendet wird und dann in eine Zwischendruckturbine
zurückgeführt wird, während Luft
von einem Kompressorauslass zum Kühlen eines Brennkammer-Endrohrs
verwendet wird.
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In 3 bezeichnet
die Bezugsziffer 01 eine Gasturbine, die Bezugsziffer 02 bezeichnet
einen Abwärme-Rückgewinnungskessel, die Bezugsziffer 57 bezeichnet
eine Hochdruckturbine, die Bezugsziffer 58 bezeichnet eine Zwischendruckturbine
und die Bezugsziffer 59 bezeichnet eine Niederdruckturbine. In
der Gasturbine 01 wird in einen Kompressor 55 aufgenommene
Luft auf einen vorbestimmten Druck komprimiert, und diese Druckluft
des Kompressors 55 wird mit Brennstoff zur Verbrennung
in einer Brennkammer 56 gemischt, wobei die Strömungsrate des
Brennstoffs so eingestellt wird, dass eine vorbestimmte Temperatur
am Einlass einer Turbine 54 erreicht wird.
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Ein
Verbrennungsgas hoher Temperatur und hohen Drucks, das in der Brennkammer 56 erzeugt wird,
expandiert in der Turbine 54, um zur Energieerzeugung an
einem Generator 70 Arbeit zu leisten, und das Abgas aus
dieser Arbeit wird über
einen Abgaskanal 60 dem Abwärme-Rückgewinnungskessel 02 zugeführt.
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Hochdruck-Abdampf
vom Auslass der Hochdruckturbine 57 wird der Turbine 54 als
Kühldampf zum
Kühlen
von deren Leitschaufel und Laufschaufel über ein Schaufel-Kühldampf-Zuführrohr 61 zugeführt, und
der durch die Kühlung
erwärmte
Kühldampf
wird dem Einlass der Zwischendruckturbine 58 über ein
Schaufel-Kühldampf-Rückführrohr 62 zugeführt.
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In
dem Abwärme-Rückgewinnungskessel 02 wird
an der Hochdrucktrommel 53 erzeugter Hochdruckdampf in
die Hochdruckturbine 57 über ein Hochdruck-Dampfrohr 63 geleitet,
um dort zu expandieren und Energie zu erzeugen.
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Der
Auslassdampf der Hochdruckturbine 57 wird verzweigt, um
einerseits als Schaufelkühldampf der
Leitschaufel und Laufschaufel der Turbine 54 über das
Schaufel-Kühldampfrohr 51 nach
obiger Beschreibung geleitet zu werden, und andererseits in einen
Wiedererhitzer 72 des Abwärme-Rückgewinnungskessels 02 geleitet
zu werden.
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An
einer Zwischendrucktrommel 52 erzeugter Zwischendruckdampf
wird mit dem Hochdruck-Abdampf, welcher der von dem Auslassdampf der
Hochdruckturbine 57 abgezweigte ist, gemischt, um dann
dem Wiedererhitzer 74 zugeführt zu werden, um dort erhitzt
zu werden, und wird dann mit dem durch das Schaufel-Kühldampf-Rückführrohr 62 geleiteten
Schaufel-Kühldampf
gemischt, um anschließend
der Zwischendruckturbine 58 zugeführt zu werden.
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Der
auf diese Weise gemischte und der Zwischendruckturbine 58 zugeführte Dampf
expandiert dort, um eine vorbestimmte Energie und einen Zwischendruck-Abdampf
oder einen Auslassdampf der Zwischendruckturbine 58 zu
erzeugen, wird mit an einer Niederdrucktrommel 51 erzeugtem
Niederdruckdampf gemischt und über
ein Niederdruck-Dampfrohr 65 zugeführt, und
wird dann der Niederdruckturbine 59 zum Erzeugen einer
vorbestimmten Energie zugeführt.
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Der
aus der Niederdruckturbine 59 kommende Niederdruck-Abdampf wird an einem
Kondensator 71 zu Wasser kondensiert, um dann an einer
Druckpumpe 72 auf einen vorbestimmten Pegel druckbeaufschlagt
zu werden, um in den Abwärme-Rückgewinnungskessel 02 über ein
Speisewasserrohr 73 eingespeist zu werden.
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Bei
dem ersten vorbekannten Beispiel des nach obiger Beschreibung aufgebauten
Kombikraftwerks umfasst die Gasturbine vom regenerativen Typ in
deren Vorschaltzyklus den Regenerator 3 im Gegensatz zu
einer herkömmlichen
einfachen Gasturbine, so dass die Abgaswärme am Einlass der Brennkammer 4 zurückgewonnen
wird, wodurch die Einlasstemperatur der Brennkammer 4 erhöht wird
und ein Vorteil erzielt wird, indem die Brennstoff-Strömungsrate
reduziert wird und damit der Wirkungsgrad der Gasturbine und der
kombinierte Wirkungsgrad verbessert werden.
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Um
diesen Vorteil zu erzielen, ist es jedoch nötig, eine Rohrleitung für den Abgaskanal 6 bereitzustellen,
die groß dimensioniert
ist, und zwar vom Auslass der Turbine 5 bis zum Regenerator 3 und
ferner eine Rohrleitung für
den Abgaskanal 7 bereitzustellen, die sich stromab davon
befindet, und zwar vom Regenerator 3 bis zum Abwärme-Rückgewinnungskessel 02,
was zu dem Problem führt,
dass die Kosten der Abgasleitungen 6,7 hoch werden.
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Da
ferner das Abgas von der Turbine 5 zuerst dem Regenerator 3 zugeführt wird,
um diesen zu durchlaufen, kommt es zu einem starken Druckverlust
des Abgases, was das Turbinen-Druckverhältnis reduziert und die ursprüngliche
Absicht beeinträchtigt,
mit der Gasturbine vom regenerativen Typ den Wirkungsgrad der Turbine
und den kombinierten Wirkungsgrad zu erhöhen.
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Da
ferner der Wärmeaustausch
am Regenerator 3 derjenige zwischen dem Abgas auf der Hochtemperaturseite
und der Druckluft auf der Niedertemperaturseite ist, und der Wärmeübertragungskoeffizient
der hochtemperaturseitigen Wärmeübertragungsfläche des
Regenerators 3 im Vergleich zum Wärmeaustausch mit Dampf kleiner
ist, wird der Wärmeübertragungsbereich
bzw. die Wärmeübertragungsfläche des
Regenerators 3 im Vergleich zu dem Wärmetauscher des Abwärme-Rückgewinnungskessels 02,
bei dem die Hochtemperaturseite das Abgas ist und die Niedertemperaturseite
der Dampf, größer, was
zu einer Kostensteigerung führt.
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Da
auch bei dem zweiten vorbekannten Beispiel des Kombikraftwerks der
Schaufel-Kühldampf zum
Kühlen
der Turbinenleitschaufel und -laufschaufel der dampfgekühlten Gasturbine
direkt von dem aus der Hochdruckturbine 57 kommenden Hochdruck-Abdampf
geliefert wird, muss die Auslasstemperatur der Hochdruckturbine 57,
falls die Einlasstemperatur und die Eintrittsschaufelöffnung der
Gasturbine oder die Umgebungslufttemperatur oder dergleichen sich ändern, entsprechend
geändert
werden, so dass sich auch die Temperatur des Schaufelkühldampfs ändert.
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Eine
Temperaturänderung
des Schaufelkühldampfs
führt gleichzeitig
zu einer Änderung
der Temperatur von Lagermetall der Turbinenschaufel oder dergleichen,
und speziell bei einer Teillast kommt es, wenn die Temperatur des
Schaufelkühldampfs
sich zu erhöhen
tendiert, zu dem Problem, dass die Turbinenschaufel wahrscheinlich
eine Kriechverformung erfährt.
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Als
allgemeiner Versuch, die Kühldampf-Zuführtemperatur
so zu steuern, dass sie eine Tendenz der Temperaturerhöhung des
Kühldampfs
bewältigt, wird
in Betracht gezogen, Sprühwasser
in den Kühldampf
zu leiten, in diesem Fall aber werden bei dem Vorgang des Mischens
des Sprühwassers
mit dem Dampf zur Verdampfung Verunreinigungen im Sprühwasser
in den Kühldampf
aufgenommen und haften an Kühldurchgängen der
dampfgekühlten
Schaufel an, was eine mögliche
Korrision der dampfgekühlten Schaufel
ergibt.
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Ferner
verringern außer
dem Problem der Korrosion die an den Kühldurchgängen der dampfgekühlten Schaufel
anhaftenden Verunreinigungen den Wärmeübertragungskoeffizienten der
Kühldurchgänge, so
dass die Temperatur des Schaufelmetalls zunimmt und dadurch die
Möglichkeit
einer Kriechverformung der Schaufel auftritt.
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Die
Korrosion der Kühldurchgänge der dampfgekühlten Schaufel
verringert die Schaufeldicke, so dass Risse darin verursacht werden
können und
die Möglichkeit
des Ausleckens des Kühldampfs in
die Turbine 54 der Gasturbine 01 besteht. Außerdem ist
bekannt, dass ein solches Auslecken des Dampfes den kombinierten
Wirkungsgrad reduziert, und folglich ist es wichtig, zu vermeiden,
dass die die Korrosion verursachenden Verunreinigungen sich in den
Kühldampf
mischen.
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WO
9740268A offenbart eine Kombikraftwerk mit einem Brennstoff-Heizsystem,
bei dem Dampf von einem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator
zur Heizseite eines Wärmetauschers
eingeleitet wird, um einen Teil der Wärmeenergie im Dampf auf den
der Brennkammer zugeführten
Brennstoff zu übertragen.
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JP
10047082A (Abstract) offenbart ein weiteres Kombikraftwerk, auf
dem der Oberbegriff von Anspruch 1 beruht. Bei diesem Kombikraftwerk
wird ein Teil des Abgases von einer Hochdruckturbine abgezweigt
und in einen Wärmetauscher
eingeleitet, um einen Teil seiner Wärmeenergie auf den Brennstoff für die Brennkammer
zu übertragen.
Nach der Kühlung
in dem Brennstoff-Wärmetauscher
wird der Dampf in die Kühldampfleitung
der Rotorschaufel und diejenige der Wandfläche der Brennkammer eingeleitet.
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Abriss der Erfindung
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In
Anbetracht des erwähnten
Problems bei den Beispielen nach dem Stand der Technik, das ein Hindernis
bei der Realisierung eines Kombikraftwerks mit einer Gasturbine
vom regenerativen Typ ist, ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Kombikraftwerk mit einer Gasturbine vom regenerativen
Typ bereitzustellen, bei dem das Problem im Stand der Technik gelöst ist,
Rohrleitungskosten und Herstellungskosten reduziert sind und eine
Verbesserung des Gasturbinen-Wirkungsgrads sowie des kombinierten
Wirkungsgrads erzielt wird.
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Ferner
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein ähnliches
Kombikraftwerk bereitzustellen, bei dem das erwähnte Problem nach dem zweiten
vorbekannten Beispiel gelöst
wird und ein als Kühldampf
einzusetzender Hochdruck-Abdampf
so auf eine geeignete Temperatur gesteuert wird, dass er zur Kühlung ohne
die Nachteile, Korrosion etc zu verursachen, verwendet werden kann.
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Zur
Erfüllung
der genannten Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung ein Kombikraftwerk
mit einer Gasturbine bereit, das einen Wärmetauscher zum Zurückgewinnen
von Wärme
in einen Gasturbinen-Brennstoff umfasst, einen Abwärme-Rückgewinnungskessel, der mit
Abgas von der Gasturbine als Wärmequelle
versorgt wird, und eine Dampfturbine, die durch an dem Abwärme-Rückgewinnungskessel gewonnenen
Dampf betrieben wird, wobei das Kraftwerk so aufgebaut ist, dass
der Wärmetauscher
mit Dampf auf seiner Heizseite versorgt wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung führt
der Wärmetauscher
die Wärmerückführung in
den der Gasturbinen-Brennkammer zuzuführenden Gasturbinen-Brennstoff
aus, und seine Wärmequelle
wird aus dem Dampf des Hochdruck-Abdampfs der Hochdruckturbine entnommen,
wobei in dem Wärmerückgewinnungssystem
eine ausreichende Wärmeübertragungsfläche sichergestellt
wird, so dass eine effiziente Wärmerückgewinnung
in dem Heizsystem durchgeführt
werden kann, wobei kein Gasturbinen-Abgas angewandt wird und kein
so langer Abgaskanal als Heizmittel-Zuführdurchgang benötigt wird,
um hierdurch einen kompakten Aufbau mit reduzierten Rohrleitungskosten
zu erzielen, was insgesamt eine Verbesserung des Gasturbinen-Wirkungsgrads
und des kombinierten Wirkungsgrads ergibt.
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Ferner
stellt die vorliegende Erfindung ein Kombikraftwerk nach obiger
Beschreibung bereit, das so aufgebaut ist, dass der Wärmetauscher
ein Brennstoff-Heizelement
zum Erwärmen
eines Gasturbinen-Brennstoffs durch Hochdruck-Abdampf von einer
Hochdruckturbine ist, der als Kühldampf
zum Kühlen
einer Gasturbinenschaufel und eines Brennkammer-Endrohrs einzusetzen
ist, und der Kühldampf
einem Wärmeaustausch
mit dem Gasturbinen-Brennstoff an dem Brennstoff-Heizelement unterzogen
wird und dann an einer Kühlvorrichtung
abgekühlt
wird, wobei die Kühltemperatur
steuerbar ist, und danach einem abzukühlenden Abschnitt der Gasturbinenschaufel
und des Brennkammer-Endrohrs zugeführt wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung durchströmt
der Hochdruck-Abdampf der Hochdruckturbine, bevor er dem Hochtemperaturabschnitt
der Gasturbine als Gasturbinenschaufel-Kühldampf und Brennkammer-Endrohr-Kühldampf
zugeführt
wird, das Brennstoffheizelement, das durch den Gasturbinen-Brennstoff
zur Wärmerückgewinnung
zu kühlen ist,
und wird dann auf eine vorbestimmte Temperatur an der Kühleinrichtung
abgekühlt,
welche dann die für
die vorbestimmte Kühlung
anzuwendende Kühltemperatur
steuern kann, wodurch der Hochdruck-Abdampf als Kühldampf
unter jeder Betriebsbedingung auf eine notwendige Temperatur innerhalb
der zulässigen
Temperatur des Metalls für
eine geeignete Kühlung
der Turbinenschaufel und des Brennkammer-Endrohrs gesteuert werden
kann, wobei nicht zu befürchten
ist, dass sich Verunreinigungen während des oben erwähnten Vorgangs
in den Kühldampf
mischen und folglich eine Reduktion des Wärmeübertragungskoeffizienten der
Kühldurchgänge, ein
Auftreten von Korrosion oder dergleichen vermieden wird, und ein
wesentlicher Beitrag zur Verbesserung des Wirkungsgrads des Kombikraftwerks erzielt
werden kann.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Kombikraftwerks nach einer dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2 eine
schematische Ansicht eines Kombikraftwerks, das eine Gasturbine
vom regenerativen Typ als erstes Beispiel des Standes der Technik
einsetzt, und
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3 eine
erläuternde
Ansicht zur Darstellung eines dampfgekühlten Gasturbinensystems als zweites
Beispiel des Standes der Technik.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Im
folgenden wird eine Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit Bezug auf 1 beschrieben. Es ist anzumerken,
dass gleiche Teile wie die bei dem zweiten vorbekannten Beispiel
gemäß 3 beschriebenen
mit den gleichen Bezugsziffern versehen werden, wobei eine Beschreibungswiederholung
entfällt
und hauptsächlich
charakteristische Teile der vorliegenden Ausführungsform beschrieben werden.
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In 1 bezeichnet
die Bezugsziffer 68 ein Brennstoff-Heizelement, das ein Wärmetauscher
ist und einen Schaufel-Kühldampf-Zuführrohr 61 sowie ein
Endrohr-Kühldampf-Zuführrohr 66 umfasst,
die beide zum Durchleiten eines Hochdruck-Abdampfs einer Hochdruckturbine 57 zu
einem zu kühlenden Hochtemperaturabschnitt
einer Gasturbine 01 dienen, sowie einen Brennstoffdurchgang
zum Durchleiten eines Brennstoffs zu einer Brennkammer 56.
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Die
Bezugsziffer 69 bezeichnet eine Kühleinrichtung, die das Schaufelkühldampf-Zuführrohr 61 und
das Endrohr-Kühldampf-Zuführrohr 66 aufnimmt,
die sich beide von dem Brennstoff-Heizelement 68 an einer
stromaufwärtigen
Position einer Turbine 54 und der Brennkammer 56 erstrecken,
und die so aufgebaut ist, dass eine Kühltemperatur durch einen außerhalb
davon angeordneten stufenlosen Motor 75 gesteuert werden
kann, sowie ein von diesem Motor 75 angetriebenes Gebläse 76.
Bei der vorliegenden Ausführungsform
nach obigem Aufbau wird ein Teil des von dem Auslass der Hochdruckturbine 57 ausgetragenen
Hochdruck-Abdampfs dem Brennstoff-Heizelement 68 als Kühldampf über das Schaufel-Kühldampf-Zuführrohr 61 und das
Endrohr-Kühldampf-Zuführrohr 66 für einen
Wärmeaustausch
zugeleitet, um den Gasturbinen-Brennstoff zu erwärmen oder um selbst abgekühlt zu werden,
und wird dann der Kühleinrichtung 69 über das
Schaufel-Kühldampf-Zuführrohr 61 und
das Endrohr-Kühldampf-Zuführrohr 66 zugeführt, um
in seiner Temperatur auf einen vorbestimmten Pegel gesenkt zu werden.
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In
der Kühleinrichtung 69 wird
die Drehgeschwindigkeit des außerhalb
der Kühleinrichtung 69 diesem
gegenüber
angeordneten Motors 75 durch eine geeignete Steuervorrichtung
(nicht gezeigt) gesteuert, und dadurch wird die Drehgeschwindigkeit des
Gebläses 76 gesteuert,
so dass die Temperatur des Dampfes in der Kühleinrichtung 69,
die durch das Schaufel-Kühldampf-Zuführrohr 61 und
das Endrohr-Kühldampf-Zuführrohr 66 zugeführt wird,
auf die reduzierte Temperatur gesteuert wird.
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Das
heißt,
in der vorliegenden Ausführungsform
ist die Kühleinrichtung 69 als
ein Kühlgerät nach obiger
Beschreibung vorgesehen, das so betrieben wird, dass es durch den
Motor 75 und das Gebläse 76 in
der Kühltemperatur
steuerbar ist, wodurch in einer Nenn-Betriebszeit oder einer Teillast-Betriebszeit der
Gasturbine 01 die Kühldampf-Zuführtemperatur auf
eine gewünschte
Temperatur gesteuert und eingestellt werden kann. Außerdem wird
bei der vorliegenden Ausführungsform,
wenn der Kühldampf
nach obiger Beschreibung temperaturgesteuert werden soll, keine
Zufuhr von Sprühwasser
in Zuführdurchgänge des
Kühldampfs
vorgenommen, sondern die Kühldampf-Zuführtemperatur
wird durch den Wärmeaustausch
an der Kühleinrichtung
verringert, und folglich steht nicht zu befürchten, dass sich Verunreinigungen
in den Kühldampf
mischen.
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Außerdem kann
in der vorliegenden Ausführungsform
die Kühldampf-Zuführtemperatur
auf einen vorbestimmten Pegel sowohl in der Nenn-Betriebszeit als
auch der Teillast-Betriebszeit
gesteuert werden, wie oben erwähnt
wurde, wodurch die Zuverlässigkeit
der Leitschaufel und der Laufschaufel der Turbine 54 gewährleistet
wird und eine Verbesserung des kombinierten Wirkungsgrads aufgrund
der Brennstofferwärmung
zu erwarten ist.
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Es
versteht sich, dass die Erfindung nicht auf den speziellen Aufbau
und die spezielle Anordnung beschränkt ist, wie sie hier dargestellt
und beschrieben wurden, sondern modifizierte Formen derselben mit
einbezieht, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.