Technisches Gebiet
Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Gasturbinenmotoren und insbesondere eine Brennkammer für eine Gasturbine, die katalytisch stabilisiert wird.
Stand der Technik
Bei Temperaturen über etwa 2800 Grad Fahrenheit (etwa 1538 Grad Celsius) verbinden sich der in der Luft vorhandene Sauerstoff und Stickstoff, um Stickoxide (NO und NO2, insgesamt als NOx bekannt) zu formen. Daher verwenden moderne emissionsarme Gasturbinen allgemein eine sehr magere, vorgemischte Flamme zur Verbrennung mit geringer NOx-Emission. Zu den Betriebsgrenzen gehört der "Lean Blow Out" ("LBO"), der eine teilweise oder gänzliche Auslöschung der Flamme in einer oder mehreren Brennkammern zur Folge haben kann. Eine andere Grenze sind die Schalldruckschwingungen oder die Verbrennungsdynamik. Diese Verbrennungsdynamik kann die Betriebsfähigkeit oder Haltbarkeit des Verbrennungssystems als Ganzes beeinflussen. Deshalb kann es erforderlich sein, jede Gasturbine einzeln einzustellen, damit sie betriebsfähig bleibt, während sie die Emissionsbegrenzungen noch einhält.
Die Einstellung kann aber nicht nur die zur Inbetriebnahme erforderliche Zeit beeinflussen, sondern kann auch notwendig sein, um Umgebungs- oder Lastschwankungen zu berücksichtigen.
Die Grenzen sowohl der LBO als der Verbrennungsdynamik können beeinflusst werden, indem eine stabile Verankerungsflamme für die Brennkammer vorgesehen wird. In älteren Brennkammern mit geringer NOx-Emission lässt sich diese Verankerungsflamme durch eine Pilot-Diffusionsflamme erhalten. Diese Art von Pilotflamme kann aber bewirken, dass die NOx-Emissionen höher als erwünscht oder zulässig werden. Das heisst, die Verwendung einer Pilot-Diffusionsflamme erschwert es, die gewünschten einstelligen NOx-Emissionen in modernen Gasturbinen mit hohen Brenntemperaturen zu erreichen.
Daher besteht ein Bedarf nach einer stabileren Verankerungsflamme für Brennkammern mit niedriger NOx-Emission. Solch eine stabile Verankerungsflamme sollte die Tendenz zur Auslöschung verringern, die Lebensdauer der heissen Triebwerksteile erhöhen, die Einstellungsanforderungen abmildern und den Betriebsbereich mit niedriger NOx-Emission erweitern.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt demnach eine Brennkammer für eine Gasturbine bereit. Die Gasturbinenbrennkammer kann eine zentrale Verbrennungsdüse mit einem Katalysator darin und einer Anzahl äusserer Verbrennungsdüsen umfassen, die die zentrale Verbrennungsdüse umgeben.
Die vorliegende Erfindung stellt zudem ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenbrennkammer mit einer zentralen Verbrennungsdüse und einer Anzahl von äusseren Verbrennungsdüsen bereit. Das Verfahren umfasst die Schritte des Anordnens eines Katalysators in der zentralen Verbrennungsdüse und des Modulierens eines aus der zentralen Verbrennungsdüse austretenden Brennstoff-Luft-Gemischs auf einen Temperaturbereich von etwa 1000 bis etwa 1500 Grad Fahrenheit (etwa 538 bis etwa 816 Grad Celsius).
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Gasturbinenbrennkammer. Die Gasturbinenbrennkammer kann eine katalytische Verbrennungsdüse mit einem Katalysator darin und eine Anzahl von nicht katalytischen Verbrennungsdüsen umfassen, die um die katalytische Verbrennungsdüse herum angeordnet ist.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen für den Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen und den beiliegenden Ansprüchen hervor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
<tb>Fig. 1<sep>ist eine Seitenquerschnittsansicht einer Gasturbinenmaschine, die Abschnitte einer Brennkammer, eines Verdichters und einer Turbine zeigt.
<tb>Fig. 2<sep>ist eine Vorderansicht einer Dry Low NOx-Brennkammer, wie hierin beschrieben.
<tb>Fig. 3<sep>ist eine Seitenquerschnittsansicht einer katalytischen Brennkammer, wie herein beschrieben.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen, wobei sich gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen durchweg auf gleiche Elemente beziehen, zeigt Fig. 1einen Abschnitt eines Gasturbinenmotors 100. Allgemein beschrieben, weist der Gasturbinenmotor 100 einen Verdichter 110 auf. Der Verdichter 110 verdichtet einen Zuluftstrom. Der Luftstrom wird dann in eine Brennkammer 120 ausgelassen. Die Brennkammer 120 umfasst eine Anzahl von Verbrennungsrohren 130. Die verdichtete Luft und der Brennstoff werden in den Verbrennungsrohren 130 gezündet und genutzt, um einen Turbinenabschnitt 140 anzutreiben. Im Turbinenabschnitt 140 wird die Energie der heissen Verbrennungsgase in mechanische Arbeit umgewandelt. Ein Teil der Arbeit wird genutzt, um den Verdichter 110 über eine Welle 150 anzutreiben, wobei der Rest verfügbar ist, um eine Last wie z.B. einen Generator anzutreiben.
Beispielsweise kann der Gasturbinenmotor 100 ein Mehrzweckgasturbinenmotor 7FA+e sein, der von General Electric Company in Schenectady, New York, hergestellt wird. Auch Gasturbinenmotoren 100 anderen Typs mit einer Brennkammer 120 können herein verwendet werden.
Die Brennkammer 120 kann eine Dry Low NOx ("DLN")-Brennkammer sein, die ebenfalls von General Electric Company in Schenectady, New York, hergestellt wird. Das heisst, die Brennkammer 120 kann als DLN-2.6-Brennkammer bekannt sein. Wie Fig. 2 zeigt, weist eine DLN-2.6-Brennkammer 160 eine erste Düse 170 und fünf (5) umgebende äussere Düsen auf, eine zweite Düse 180, eine dritte Düse 190, eine vierte Düse 200, eine fünfte Düse 210 und eine sechste Düse 220. Jede beliebige Zahl von Düsen kann hierin verwendet werden. Die erste Düse 170 kann von den äusseren Düsen 180-220 getrennt mit Brennstoff versorgt werden. Die erste Düse 170 kann daher im Gegensatz zu den äusseren Düsen 180-220 einen separaten Verteiler 175 aufweisen. Das Brennstoff/Luft-Verhältnis der ersten Düse 170 kann dadurch relativ zu den äusseren Düsen 180-220 moduliert werden.
Die äusseren Düsen 180-220 können der ersten Düse 170 gleichen und dieser entsprechen, aber mit einer vereinfachten Geometrie, um in den verfügbaren Raum hinein zu passen. Emissionsziele von etwa neun (9) ppm NOx und CO über einen fünfzig Prozent (50%)-Lastbereich hinweg können möglich sein. Auch andere Typen und Konfigurationen von Brennkammern 160 können herein verwendet werden.
Fig.3 zeigt eine katalytische Brennkammer 230, wie vorliegend beschrieben. Die katalytische Brennkammer 230 kann im grossen Ganzen der oben beschriebenen DLN-2.6-Brennkammer 160 gleichen, doch mit der ersten Düse 170, die durch eine katalytische Düse 240 ersetzt wurde. Die katalytische Düse 240 kann eine oder mehrere Katalysatorschichten 250 umfassen, die darin angeordnet sind. Auch andere Konfigurationen der katalytischen Brennkammer 230 und der katalytischen Düse 240 können vorliegend verwendet werden.
Die Katalysatorschicht 250 kann als aktiven Bestandteil Edelmetalle, Edelmetalle der Gruppe VIII, unedle Metalle, Metalloxide oder jede Kombination davon einschliessen. Elemente wie Zirconium, Vanadium, Chrom, Mangan, Kupfer, Platin, Palladium, Osmium, Iridium, Rhodium, Cerium, Lanthan, andere Elemente der Lanthanidenreihe, Cobalt, Nickel, Eisen und dergleichen können verwendet werden. Die Katalysatorschicht 250 kann direkt auf ein Substrat oder auf eine Zwischenbindeschicht oder Grundierung aufgebracht werden, die aus Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Zirkonoxid, Titanoxid, Magnesiumoxid, anderen feuerfesten Metalloxiden oder einer Kombination daraus besteht. Das katalysatorbeschichtete Substrat kann aus einem von verschiedenen Hochtemperaturmaterialien hergestellt sein.
Hochtemperaturmetalllegierungen werden bevorzugt, vor allem Legierungen, die aus Eisen, Nickel und/oder Cobalt zusammengesetzt sind, in Kombination mit Aluminium, Chrom und/oder anderen Legierungsmaterien. Hochtemperaturnickellegierungen werden besonders bevorzugt. Andere Materialien, die verwendet werden können, schliessen Keramik, Metalloxide, intermetallische Werkstoffe, Karbide und Nitride ein. Metallsubstrate werden aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit am meisten bevorzugt, was die wirksame Rückseitenkühlung der Katalysatorschicht 250 erlaubt. Auch andere Materialien und Konfigurationen können vorliegend verwendet werden.
Die katalytische Düse 240 kann eine Düse sein, die unter dem Namen "RCL" von Precision Combustion, Inc. in New Haven, Connecticut, angeboten wird. Auch andere Typen von katalytischen Düsen 240 können vorliegend verwendet werden. Nur ein Bruchteil des Brennstoffs kann zur Reaktion gebracht werden, sodass die Innentemperatur der Düse 240 innerhalb eines akzeptablen Bereichs gehalten werden kann. Ein Gemisch aus Luft, unreagiertem Brennstoff, Verbrennungsprodukten und hochreaktiven partiellen Verbrennungsprodukten kann durch die Düse 240 in einen Verbrennungsstrom eingespritzt werden. Das Gemisch sollte idealerweise im Temperaturbereich von etwa 1000 bis etwa 1500 Grad Fahrenheit (etwa 538 bis etwa 816 Grad Celsius) liegen.
Wenn der Strom von der katalytischen Düse 240 in das verwirbelte Gemisch aus Brennstoff und Luft eingespritzt wird, das von den äusseren Düsen 180-220 erzeugt wird, sollte dieser relativ heisse, hochreaktive Gasstrom der Vormischflamme eine stabile Verankerung gewährleisten. Die äusseren Düsen 180-220 können dadurch auf eine niedrigere Betriebstemperatur moduliert werden.
Die relativ niedrige Temperatur der partiell reagierten Gase sollte sehr wenig NOx durch die Pilotflamme erzeugen. Die Gase aus der Düse 240 sind nicht vorgesehen, um das Gemisch in der Brennkammer 230 zu zünden, sondern nur, um eine stabile Verankerung für die Flamme zu gewährleisten, wenn sie einmal entzündet ist. Indem diese Verankerung bei relativ niedriger Temperatur vorgesehen wird, kann die Betriebsfähigkeit verbessert und die Verbrennungsdynamik reduziert werden, ohne die NOx-Emissionen nachteilig zu beeinflussen.
Es ist auch möglich, mehrere oder alle äusseren Düsen 180-220 durch die katalytische Düse 240 zu ersetzen. Diese Ersetzung bietet die Möglichkeit, wesentlich niedrigere NOx-Emissionspegel zu erhalten, die über den hinausgehen, der durch konventionelle Brennkammern mit magerem Vorgemisch erreicht werden kann. Jede Zahl oder Konfiguration von katalytischen Düsen 240 kann vorliegend verwendet werden.
Es versteht sich, dass das Vorstehende sich nur auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezieht und dass vorliegend von einem Fachmann zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom allgemeinen Geist und Umfang abzuweichen, wie er durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird.