DE19635930A1

DE19635930A1 - Turbine for relaxation of exhaust gas

Info

Publication number: DE19635930A1
Application number: DE19635930A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Ing Raschke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-12-11
Filing date: 1996-09-04
Publication date: 1997-06-12

Abstract

The turbine (1) to relax the exhaust gas from combustion has a cooling channel system (12) to cool the structure components (6) through cooling air and to pass the cooling air into the turbine (1). The system has a cooling air feed (15) to the channels (12) and a fuel feed (20) to mix a fuel with the cooling air in front of the cooling channel system (12). The channel system (12) for the cooling air is at the first stage (19) of the turbine (1), directly at the inlet (4). A second stage (23), between the inlet (4) and outlet (5) of the turbine (1), has structure components (7,8,10,11) supporting a catalyst (24) to give a catalyst reaction between the fuel and oxygen from the exhaust gas. The catalyst (24) is of platinum. The fuel is a combustible gas, especially towns gas or natural gas.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine zur Entspannung eines aus einem Verbrennungsprozeß stammenden Rauchgases, welches die Turbine von einem Einlaß zu einem Auslaß durchströmt, welche Turbine ein Kühlkanalsystem zur Kühlung von Strukturteilen der Turbine mittels Kühlluft und Einleitung der Kühlluft in die Turbine aufweist und der eine Kühlluftzufuhr zur Zufuhr von Kühlluft zu dem Kühlkanalsystem sowie eine Brennstoffzu fuhr zur Zumischung eines Brennstoffes zu der Kühlluft vor dem Kühlkanalsystem zugeordnet sind.The invention relates to a turbine for expanding one a combustion process originating flue gas, which the Turbine flows through from an inlet to an outlet, which Turbine a cooling duct system for cooling structural parts the turbine by means of cooling air and introduction of the cooling air into the turbine has and a cooling air supply for supply from cooling air to the cooling duct system as well as a fuel drove up to add a fuel to the cooling air are assigned to the cooling duct system.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Entspannung eines aus einem Verbrennungsprozeß stammenden Rauchgases in einer Turbine, welches Rauchgas die Turbine von einem Einlaß zu einem Auslaß durchströmt, wobei dem Rauchgas in der Tur bine mit Brennstoff vermischte Kühlluft aus einem Kühlkanal system, durch das die Kühlluft zur Kühlung von Strukturteilen der Turbine geleitet wird, zugeführt wird und der Brennstoff in dem Rauchgas mit Sauerstoff reagiert.The invention also relates to a method for relaxation of a flue gas from a combustion process in a turbine, which flue gas enters the turbine from an inlet flows to an outlet, the flue gas in the door Cooling air mixed with fuel from a cooling duct system through which the cooling air for cooling structural parts the turbine is directed, fed and the fuel in which flue gas reacts with oxygen.

Eine Turbine sowie ein Verfahren der vorstehend genannten Art gehen hervor aus der DE 43 30 613 A1 sowie der DE 41 40 653 C2. Dabei bezieht sich die erstgenannte Schrift auf eine Turbine, die sowohl einen Turboverdichter als auch einen externen Verbraucher antreibt und dabei mit dem Turbo verdichter sowie mit einer Verbrennungseinrichtung kombiniert ist. Die zweitgenannte Schrift betrifft eine Turbine, die le diglich einen Turboverdichter antreibt und mit diesem Turbo verdichter, einer Verbrennungseinrichtung sowie einer weite ren Turbine, die zum Antrieb eines externen Verbrauchers dient, kombiniert ist. Vor der weiteren Turbine ist ein kata lytischer Reaktor, der von dem zu der weiteren Turbine strö menden Rauchgas zu durchströmen ist, vorgesehen. A turbine and a method of the type mentioned above emerge from DE 43 30 613 A1 and the DE 41 40 653 C2. The first-mentioned font refers to this on a turbine that is both a turbocompressor as well drives an external consumer while doing so with the turbo compressor and combined with a combustion device is. The second document refers to a turbine that le digitally drives a turbo compressor and with this turbo compressor, a combustion device and a wide one ren turbine that drives an external consumer serves, is combined. In front of the other turbine is a kata lytic reactor that flows from that to the other turbine Flowing flue gas is provided.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Turbine in einer Gasturbine, d. h. gemäß üblichem Sprachgebrauch einer Einheit aus Turboverdichter, Verbrennungseinrichtung und ei gentlicher Turbine. Die Gasturbine arbeitet insbesondere im Verbund mit einer Dampfturbine derart, daß Abgas, welches der Gasturbine entströmt, zur Bereitstellung von hochgespanntem Dampf genutzt wird, welcher in der Dampfturbine unter Abgabe mechanischer Arbeit entspannt wird. Ein solcher Verbund ist beispielsweise in einem sogenannten Gas-und-Dampf-Kraftwerk realisiert; ein solcher Verbund, in dem sowohl der Gasturbine als auch der Dampfturbine jeweils ein Generator zugeordnet ist oder die Gasturbine und die Dampfturbine einem gemeinsa men Generator zuarbeiten, erlaubt die Erzeugung elektrischen Stroms mit einem thermischen Wirkungsgrad von deutlich mehr als 50%. Für die Wirksamkeit eines solchen Verbundes ist al lerdings die Gewährleistung einer ausreichend hohen Tempera tur des von der Gasturbine abströmenden Abgases von Bedeu tung, da diese Temperatur wesentlich die Qualität des durch Wärmetausch mit dem Abgas erzeugbaren Dampfes bestimmt. Diese Anforderung stellt ein gewisses Paradox dar, da der thermi sche Wirkungsgrad einer Gasturbine um so kleiner sein muß, je höher die Temperatur ihres Abgases ist. In einem Verbund aus Gasturbine und Dampfturbine kommt es somit nicht allein dar auf an, den thermischen Wirkungsgrad der Gasturbine zu opti mieren, sondern es muß zur Erzielung eines optimalen Wir kungsgrades die Betriebsweise der Gasturbine der Betriebs weise der Dampfturbine angepaßt werden. Dies bedeutet insbe sondere, daß das Abgas der Gasturbine eine angemessen hohe Temperatur haben muß.The invention particularly relates to a turbine in a gas turbine, d. H. according to common usage Unit consisting of turbocompressor, combustion device and egg generic turbine. The gas turbine works in particular in the Compound with a steam turbine such that exhaust gas, which the Gas turbine released, to provide high-voltage Steam is used, which is released in the steam turbine mechanical work is relaxed. Such an association is for example in a so-called gas and steam power plant realized; such a network in which both the gas turbine as well as a generator each assigned to the steam turbine or the gas turbine and the steam turbine in one Working with the generator allows the generation of electrical Electricity with a thermal efficiency of significantly more than 50%. For the effectiveness of such a network, al but guaranteeing a sufficiently high tempera of the exhaust gas from Bedeu flowing out of the gas turbine tion, since this temperature significantly affects the quality of the Heat exchange with the exhaust gas generated steam determined. This Requirement is a certain paradox, since the thermi cal efficiency of a gas turbine must be the smaller, ever the temperature of their exhaust gas is higher. In a network of The gas turbine and steam turbine are therefore not alone on to opti the thermal efficiency of the gas turbine mieren, but it must achieve an optimal we efficiency of operation of the gas turbine operating be adapted to the steam turbine. This means in particular special that the gas turbine exhaust gas is a reasonably high Must have temperature.

Einzelheiten zum Aufbau einer Gasturbine sowie zum Aufbau von Strukturteilen einer Gasturbine, insbesondere Laufschaufeln und Leitschaufeln, sind dem US-Patent 4,629,397, der DE 37 06 260 A1 und der DE 40 18 316 A1 entnehmbar. Die bei den erstgenannten Schriften betreffen Turbinenschaufeln, die durch Kühlkanäle gekühlt werden können; die letztgenannte Schrift betrifft die Zufuhr von Kühlluft zu einem Rotor einer Gasturbine.Details on the construction of a gas turbine and the construction of Structural parts of a gas turbine, in particular blades and guide vanes are disclosed in U.S. Patent 4,629,397, which DE 37 06 260 A1 and DE 40 18 316 A1 can be removed. The at The former documents relate to turbine blades that can be cooled by cooling channels; the latter Scripture relates to the supply of cooling air to a rotor Gas turbine.

Von Interesse im vorliegenden Zusammenhang ist auch die DE 42 42 099 A1, aus der ein Strukturteil einer Turbine zur Entspannung eines aus einem Verbrennungsprozeß stammenden Rauchgases hervorgeht, welches einen Katalysator trägt. Der Katalysator ist dabei eine Beschichtung, die sowohl eine Kor rosionsschutzwirkung als auch eine katalytische Wirkung hat. Die Beschichtung kann je nach ihrer Zusammensetzung eine Oxi dationsreaktion, nutzbar zur Oxidation von Schadstoffen wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, oder eine Reduktions reaktion, nutzbar zur Reduktion von Schadstoffen wie Stickoxiden, katalysieren.Also of interest in the present context is the DE 42 42 099 A1, from which a structural part of a turbine for Relaxation of a combustion process Flue gas emerges, which carries a catalyst. Of the The catalyst is a coating that is both a cor anti-corrosion effect as well as a catalytic effect. Depending on its composition, the coating can be an oxi dation reaction, usable for the oxidation of pollutants such as Carbon monoxide and hydrocarbons, or a reduction reaction, can be used to reduce pollutants such as Nitrogen oxides, catalyze.

Aus der DE 29 53 515 A1 ist die Verwendung eines katalytisch wirksamen Stoffes zur Verbesserung der Verbrennung in einer Gasturbine bekannt.DE 29 53 515 A1 describes the use of a catalytic effective substance to improve the combustion in one Gas turbine known.

Die Erfindung geht aus von der DE 43 30 613 A1. Gemäß dieser Schrift wird Kühlluft, die zur Kühlung von Strukturteilen ei ner Turbine benutzt werden soll, mit einem geringen Anteil von Brennstoff versetzt. Nachdem die Kühlluft die Struktur teile gekühlt hat sowie in die Turbine eingeleitet und mit dem Rauchgas vermischt ist, reagiert der Brennstoff mit Sau erstoff aus dem Rauchgas und bewirkt eine immerhin deutliche Erhöhung der Temperatur des Rauchgases; dies sowohl im Inne ren der Turbine als auch außerhalb der Turbine, wenn das Rauchgas als Abgas abströmt. Eine eventuell gewünschte Erhö hung der Temperatur des Abgases läßt sich somit erreichen. Experimente haben allerdings gezeigt, daß mit einer absolut vollständigen Oxidation des Brennstoffes, der mit der Kühl luft in die Turbine eingeführt wird, nicht in jedem Fall ge rechnet werden kann. Unter Umständen können in dem Abgas Koh lenmonoxid sowie Stickoxide in gehobenem Umfang auftreten. In diesem Zusammenhang sei auch verwiesen auf die DE 41 40 653 C2. Dort ist der Turbine, der mit der Kühlluft Brennstoff zugeführt wird, ein katalytischer Reaktor nachge schaltet, und dieser katalytische Reaktor soll erst die Oxi dation des Brennstoffs vollständig bewirken.The invention is based on DE 43 30 613 A1. According to this Writing becomes cooling air, which is used to cool structural parts ner turbine to be used, with a small proportion fueled. After the cooling air the structure cooled parts and introduced into the turbine and with mixed with the flue gas, the fuel reacts with sow material from the flue gas and causes an after all significant Raising the temperature of the flue gas; both inside ren of the turbine as well as outside of the turbine if that Flue gas flows out as exhaust gas. A possible desired increase The temperature of the exhaust gas can thus be achieved. However, experiments have shown that with an absolute complete oxidation of the fuel with the cooling air is introduced into the turbine, not always can be expected. Under certain circumstances, Koh Lenmonoxide and nitrogen oxides occur to a high degree. In in this context, reference is also made to the DE 41 40 653 C2. There is the turbine with the cooling air Fuel is supplied, a catalytic reactor nachge switches, and this catalytic reactor is only the oxi dation of the fuel cause completely.

In Ansehung der geschilderten Problematik liegt dementspre chend der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Turbine und in Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei denen die soeben geschilderten Probleme vermieden werden können.In view of the problems outlined above, it is accordingly chend the invention the task of a turbine and in procedures of the type mentioned at the beginning, in which the problems just described can be avoided.

Im Hinblick auf eine Turbine wird zur Lösung dieser Aufgabe angegeben eine Turbine zur Entspannung eines aus einem Ver brennungsprozeß stammenden Rauchgases, welches Rauchgas die Turbine von einem Einlaß zu einem Auslaß durchströmt, welche Turbine ein Kühlkanalsystem zur Kühlung von Strukturteilen der Turbine mittels Kühlluft und Einleitung der Kühlluft in die Turbine aufweist und der eine Kühlluftzufuhr zur Zufuhr von Kühlluft zu dem Kühlkanalsystem sowie eine Brennstoffzu fuhr zur Zumischung eines Brennstoffs zu der Kühlluft vor dem Kühlkanalsystem zugeordnet sind, wobei das Kühlkanalsystem zur Einleitung der Kühlluft in eine direkt am Einlaß angeord nete erste Stufe der Turbine eingerichtet ist und eine zweite Stufe der Turbine welche zwischen der ersten Stufe und dem Auslaß angeordnet ist, Strukturteile enthält, welche einen Katalysator zur Katalyse einer Reaktion zwischen dem Brenn stoff und dem Sauerstoff aus dem Rauchgas tragen.With regard to a turbine, this task is solved specified a turbine for expanding one from a ver combustion process originating flue gas, which flue gas the Turbine flows through from an inlet to an outlet, which Turbine a cooling duct system for cooling structural parts the turbine by means of cooling air and introduction of the cooling air into the turbine has and a cooling air supply for supply from cooling air to the cooling duct system as well as a fuel drove to add a fuel to the cooling air in front of the Cooling channel system are assigned, the cooling channel system to introduce the cooling air into a directly at the inlet Nete first stage of the turbine is set up and a second Stage of the turbine which is between the first stage and the Is arranged outlet, contains structural parts, which a Catalyst to catalyze a reaction between the burn carry the material and the oxygen from the flue gas.

Zur Terminologie sei zunächst bemerkt, daß die Kühlluftzufuhr nicht unbedingt ein besonderes Gebläse sein muß, welches als separate Einheit neben einem Turboverdichter zur Bereitstel lung verdichteter Luft, die für den das Rauchgas liefernden Verbrennungsprozeß benötigt wird, vorgesehen wäre. Die Kühl luftzufuhr kann gemäß üblicher Praxis durchaus unter Verwen dung des Turboverdichters selbst als Gebläse erfolgen, wobei die Kühlluft an geeigneter Stelle aus dem Turboverdichter ab gezapft wird. Gegebenenfalls kann ein besonderer Kühler zur Kühlung der Kühlluft vorgesehen sein. Regarding terminology, it should first be noted that the cooling air supply does not necessarily have to be a special blower, which as separate unit next to a turbocompressor to provide compressed air, for the one supplying the flue gas Combustion process is needed, would be provided. The cooling air supply can, according to customary practice, certainly be used tion of the turbocompressor itself as a fan, whereby the cooling air from the turbocompressor at a suitable point is tapped. If necessary, a special cooler can Cooling of the cooling air can be provided.

Wesentlich ist, daß die Turbine so gestaltet ist, daß eine Oxidation des mit der Kühlluft zugeführten Brennstoffs voll ständig im Inneren der Turbine erfolgen kann. Es ist nicht mehr erforderlich, daß außerhalb der Turbine Einrichtungen vorgesehen sind, die eine vollständige Oxidation des Brenn stoffs sicherstellen müssen. Somit erschließt die Erfindung insbesondere die problemlose Anwendung des Verfahrens, durch Zumischung eines geringen Anteils von Brennstoff zur Kühlluft eine Erhöhung der Temperatur des die Turbine verlassenden Ab gases zu bewirken, für eine sogenannte einwellige Gasturbine, in der lediglich eine einzige Turbine vorgesehen ist, die so wohl den zugeordneten Turboverdichter als auch einen externen Verbraucher antreibt. Von Bedeutung ist auch, daß die thermi sche Energie, die durch die Oxidation des Brennstoffs gewon nen wird, soweit wie möglich in der Turbine anfällt und ge nutzt werden kann; diese thermische Energie fällt nicht al lein außerhalb der Turbine an, so daß zusätzlich zur Erhöhung der Temperatur des Abgas es eine Erhöhung der von der Turbine abgegebenen mechanischen Leistung erreicht wird.It is essential that the turbine is designed so that a Oxidation of the fuel supplied with the cooling air is full can always take place inside the turbine. It is not more required outside the turbine facilities are provided, the complete oxidation of the focal must ensure. The invention thus opens up in particular the problem-free application of the method Mixing a small amount of fuel into the cooling air an increase in the temperature of the exhaust leaving the turbine gases, for a so-called single-shaft gas turbine, in which only a single turbine is provided, so probably the assigned turbo compressor as well as an external one Drives consumers. It is also important that the thermi energy generated by the oxidation of the fuel is as far as possible in the turbine and ge can be used; this thermal energy does not fall al line outside the turbine, so that in addition to the increase the temperature of the exhaust gas there is an increase in that of the turbine delivered mechanical power is reached.

Die in der Turbine vorgesehene erste Stufe umfaßt vorzugs weise einen Kranz von Leitschaufeln am Einlaß, was bedeutet, daß die thermisch am höchsten belasteten Strukturteile der Turbine in die erste Stufe eingebunden sind. Speziell der Kranz von Leitschaufeln am Eintritt einer Turbine benötigt einen wesentlichen Anteil der insgesamt aufzuwendenden Kühl leistung, und Brennstoff, der mit der Kühlluft aus den Leit schaufeln dieses ersten Kranzes entströmt, hat die höchste Verweildauer im Inneren der Turbine. Für diesen Brennstoff besteht ein Höchstmaß an Gewißheit, daß er im Inneren der Turbine vollständig oxidiert werden kann.The first stage provided in the turbine preferably comprises wise a ring of vanes at the inlet, which means that the thermally most stressed structural parts of the Turbine are involved in the first stage. Especially the Wreath of guide vanes required at the inlet of a turbine a significant proportion of the total cooling to be used performance, and fuel that comes with the cooling air from the guide shoveled from this first wreath, has the highest Dwell time inside the turbine. For this fuel there is a high degree of certainty that he is inside the Turbine can be completely oxidized.

Der in der zweiten Stufe der Turbine vorgesehene Katalysator besteht vorzugsweise aus Platin, welches zur Katalyse einer Reaktion zwischen einem Brennstoff und Sauerstoff als beson ders wirksam bekannt ist. The catalyst provided in the second stage of the turbine consists preferably of platinum, which is used for catalysis Reaction between a fuel and oxygen as special which is effectively known.

Ebenfalls vorzugsweise ist der Katalysator in Form einer zu sätzlichen Schicht auf einer Schutzschicht, insbesondere ei ner keramischen Wärmedämmschicht, eines Strukturteils in der zweiten Stufe vorgesehen. Das Strukturteil ist dabei insbe sondere eine Leitschaufel oder eine Laufschaufel; selbstver ständlich kommen auch andere Strukturteile in der zweiten Stufe, insbesondere Gehäuseteile oder Rotorteile, als Träger für den Katalysator in Frage. Es ist klar, daß zur Erzielung einer ausreichenden katalytischen Wirksamkeit eine ausrei chend hohe mit dem Katalysator versehene Oberfläche bereitge stellt werden muß; dementsprechend kann es vorteilhaft sein, alle dem Rauchgas ausgesetzten Strukturteile der zweiten Stu fe mit dem Katalysator zu versehen.The catalyst is also preferably in the form of a additional layer on a protective layer, in particular egg ner ceramic thermal barrier coating, a structural part in the second stage provided. The structural part is in particular in particular a guide blade or a rotor blade; self ver other structural parts also come in the second Stage, especially housing parts or rotor parts, as a carrier for the catalyst in question. It is clear that to achieve sufficient catalytic activity is sufficient accordingly high surface provided with the catalyst must be put; accordingly, it can be advantageous all structural parts of the second stage exposed to flue gas fe to be provided with the catalyst.

Demselben Zweck ist es dienlich und mithin vorteilhaft, daß die zweite Stufe bis zum Auslaß der Turbine reicht, daß mit anderen Worten die Turbine bis zum Auslaß mit dem Katalysator versehen ist.It serves the same purpose and is therefore advantageous that the second stage to the outlet of the turbine extends that with in other words, the turbine to the outlet with the catalyst is provided.

Das erwähnte Kühlkanalsystem in der Turbine dient insbeson dere zur Kühlung von Strukturteilen in der ersten Stufe. Ge gebenenfalls kann in der zweiten Stufe ein weiteres Kühlkanal system zur Kühlung der zweiten Stufe mittels Kühlluft vor gesehen sein; dieses weitere Kühlkanalsystem kommuniziert vorzugsweise mit derselben Kühlluftzufuhr wie das Kühlkanal system in der ersten Stufe.The cooling duct system mentioned in the turbine serves in particular for cooling structural parts in the first stage. Ge if necessary, in the second stage, another cooling channel system for cooling the second stage using cooling air be seen; this additional cooling duct system communicates preferably with the same cooling air supply as the cooling duct system in the first stage.

Die Turbine ist vorzugsweise mit einem Turboverdichter zur Bereitstellung verdichteter Luft und einer Verbrennungsein richtung zur Bewirkung des Verbrennungsprozesses mit der ver dichteten Luft und zur Bereitstellung des Rauchgases kombi niert. Dabei dient die Turbine insbesondere sowohl zum An trieb des Turboverdichters als auch zum Antrieb eines weite ren Verbrauchers, insbesondere eines Generators zur Erzeugung von elektrischem Strom. The turbine is preferably equipped with a turbo compressor Providing compressed air and combustion direction to effect the combustion process with the ver sealed air and combi to provide the flue gas kidney. The turbine is used in particular for both drive the turbocompressor as well as to drive a wide ren consumer, in particular a generator for generation of electric current.

Im Hinblick auf ein Verfahren wird zur Lösung der Aufgabe an gegeben ein Verfahren zur Entspannung eines aus einem Ver brennungsprozeß stammenden Rauchgases in einer Turbine, wel ches Rauchgas die Turbine von einem Einlaß zu einem Auslaß durchströmt, wobei dem Rauchgas in der Turbine mit Brennstoff vermischte Kühlluft aus einem Kühlkanalsystem, durch das die Kühlluft zur Kühlung von Strukturteilen der Turbine geleitet wird, zugeführt wird und der Brennstoff in dem Rauchgas mit Sauerstoff reagiert, wobei die mit dem Brennstoff vermischte Kühlluft dem Rauchgas in einer direkt am Einlaß angeordneten ersten Stufe der Turbine zugeführt und in einer zwischen der ersten Stufe und dem Auslaß angeordneten zweiten Stufe der Turbine eine katalysierte Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem Sauerstoff bewirkt wird.With regard to a procedure, the task is solved given a method to relax one from a ver combustion process originating flue gas in a turbine, wel ches flue gas the turbine from an inlet to an outlet flows through, the flue gas in the turbine with fuel mixed cooling air from a cooling duct system through which the Cooling air directed to cool structural parts of the turbine is supplied and the fuel in the flue gas Oxygen reacts, mixing with the fuel Cooling air to the flue gas in a directly at the inlet first stage fed to the turbine and in a between the first stage and the outlet arranged second stage of the Turbine catalyzed reaction between the fuel and which is caused to oxygen.

Die vorliegend relevanten Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens erschließen sich weitgehend aus den Ausführungen zu der erfindungsgemäßen Turbine, worauf hiermit zur Vermei dung einer Wiederholung Bezug genommen wird.The relevant properties of the present invention Procedures are largely evident from the explanations to the turbine according to the invention, whereupon to avoid reference to a repetition.

Im Hinblick auf die in der zweiten Stufe der Turbine zu be wirkende katalysierte Reaktion sei darauf hingewiesen, daß dies nicht notwendig durch einen in der Turbine fest instal lierten Katalysator erfolgen muß; vorliegend kommt durchaus in Betracht, den Katalysator der Turbine separat zuzuführen und in dem Rauchgas zu dispergieren. Hierfür ist selbstver ständlich eine stete Zufuhr und ein steter Verbrauch eines entsprechend zubereiteten Katalysators erforderlich; die fe ste Installation eines Katalysators in der zweiten Stufe der Turbine wird daher bevorzugt.With regard to be in the second stage of the turbine acting catalyzed reaction should be noted that this is not necessary due to a fixed installation in the turbine lated catalyst must take place; this is definitely coming consider feeding the catalyst to the turbine separately and disperse in the flue gas. For this is self-ver constantly a constant supply and a constant consumption of one appropriately prepared catalyst required; the fe First installation of a catalytic converter in the second stage of the Turbine is therefore preferred.

Der der Kühlluft zuzumischende Brennstoff ist vorzugsweise ein brennbares Gas, insbesondere Stadtgas oder Erdgas. Gas förmiger Brennstoff neigt im Gegensatz zu flüssigem Brenn stoff nicht dazu, sich in Leitungen, durch die die mit dem Brennstoff versetzte Kühlluft geführt werden muß, niederzu schlagen, was im vorliegenden Zusammenhang nachteilig sein kann. Somit wird für das Verfahren ein Brennstoff in Form ei nes Gases besonders bevorzugt.The fuel to be mixed with the cooling air is preferred a flammable gas, especially city gas or natural gas. Gas shaped fuel tends to tend to liquid fuel not to be in lines through which the with the Fuel-staggered cooling air must be led down suggest what may be disadvantageous in the present context can. Thus, a fuel in the form of egg is used for the process nes gas particularly preferred.

Weiterhin bevorzugt ist es, daß der Brennstoff zu einem sol chen Anteil, d. h. zu einem derart geringen Anteil, der Kühl luft beigemischt wird, daß eine Selbstzündung des entstehen den Gemisches ausgeschlossen ist. Entsprechende Hinweise hierzu finden sich in der DE 43 30 613 A1 sowie der DE 41 40 653 C2. Für Brennstoff in Form von Erdgas sei be merkt, daß eine Beimischung zu einem Volumenanteil von etwa 5% als wirksam und im Hinblick auf eine Selbstzündung unpro blematisch angesehen werden kann.It is further preferred that the fuel to a sol Chen share, d. H. to such a small extent, the cooling air is mixed in, that a self-ignition of the result the mixture is excluded. Corresponding notes this can be found in DE 43 30 613 A1 and DE 41 40 653 C2. For fuel in the form of natural gas be notes that an admixture to a volume fraction of about 5% as effective and unpro with regard to self-ignition can be viewed schematically.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung erläutert. Zur Verdeutlichung bestimmter Merkmale ist die Zeichnung teilweise schematisiert und/oder verzerrt ausgeführt. Die Zeichnung soll nicht als maßstabsgerecht für eine bestimmte Ausführungsform verstanden werden. Im übrigen tragen einander entsprechende Teile in den Figuren jeweils daßelbe Bezugszeichen. Im einzelnen zeigen:Embodiments of the invention will now be described with reference to the Drawing explained. To clarify certain characteristics the drawing is partially schematic and / or distorted executed. The drawing is not intended to be to scale for a particular embodiment can be understood. Furthermore each have corresponding parts in the figures the same reference number. In detail show:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Turbine zur Entspan nung eines Rauchgases; Figure 1 is a longitudinal section through a turbine for relaxation of a flue gas.

Fig. 2 eine komplette Gasturbinenanlage unter Einschluß einer Turbine wie dargestellt in Fig. 1; FIG. 2 shows a complete gas turbine system including a turbine as shown in FIG. 1;

Fig. 3 eine Teilansicht eines Kranzes von Laufschaufeln. Fig. 3 is a partial view of a ring of blades.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Turbine 1, welcher ge legt ist entlang einer Achse 2, um welche ein Rotor 3 der Turbine 1 rotieren kann. Die Turbine 1 wird von einem Einlaß 4 zu einem Auslaß 5 von einem zu entspannenden Rauchgas durchströmt. Funktionelle Bestandteile der Turbine 1 sind Leitschaufeln 6, 7 und 8, welche betrieblich still stehen und in einem Gehäuse 9 der Turbine 1 aufgehängt sind, sowie Lauf schaufeln 10 und 11, welche jeweils in dem Rotor 3 verankert sind und mit diesem um die Achse 2 rotieren. Die Leitschau feln 6, 7 und 8 sowie die Laufschaufeln 10 und 11 sind je weils gruppiert zu Kränzen, deren jeder rotationssymmetrisch bezüglich der Achse 2 gestaltet und angeordnet ist und deren jeder eine Vielzahl von Leitschaufeln 6, 7, 8 oder Laufschau feln 10, 11 aufweist. Es gibt vier Kränze von Leitschaufeln 6, 7, 8 sowie vier Kränze von Laufschaufeln 10, 11, die je weils abwechselnd aufeinander folgen. Für die nachfolgende Erläuterung wird eine Numerierung der Kränze verwendet, wobei für Leitschaufeln 6, 7, 8 bzw. Laufschaufeln 10, 11 ein er ster Kranz links außen, also direkt am Einlaß 4, liegt und die folgenden Kränze in aufsteigender Numerierung diesem zum Auslaß 5 hin folgen. Die Leitschaufeln 6 des ersten Kranzes sowie 7 des zweiten Kranzes haben jeweils Kühlkanäle 12 bzw. 13. Gleiches gilt für die Laufschaufeln 10 des ersten und des zweiten Kranzes, welche Kühlkanäle 14 aufweisen. Aus jedem der Kühlkanäle 12, 13 und 14 kann Kühlluft, welche aus einer Kühlluftzufuhr 15, hier als Gebläse 15 dargestellt, zugeführt wird, in die Turbine 1 entlassen werden und sich mit dem die se durchströmenden Rauchgas vermischen. Die Leitschaufeln 8 und Laufschaufeln 11, die die entsprechenden dritten und vierten Kränze bilden, haben keine besonderen Kühlsysteme mehr; das Rauchgas, das diese Schaufeln 8 bzw. 11 erreicht, hat sich durch Entspannung bereits so weit abgekühlt, daß ei ne Kühlung nicht mehr erforderlich ist. Dies gilt selbst verständlich nur für das dargestellte Ausführungsbeispiel; je nach Anwendung kann für diese Schaufeln 8 und 11 sehr wohl eine Kühlung vorgesehen sein. Fig. 1 shows a section through a turbine 1 , which is ge along an axis 2 , about which a rotor 3 of the turbine 1 can rotate. The turbine 1 is flowed through from an inlet 4 to an outlet 5 by a flue gas to be expanded. Functional components of the turbine 1 are guide vanes 6 , 7 and 8 , which stand still during operation and are suspended in a housing 9 of the turbine 1 , and rotor blades 10 and 11 , which are each anchored in the rotor 3 and with it about the axis 2 rotate. The guide blades 6 , 7 and 8 and the blades 10 and 11 are each grouped into wreaths, each of which is designed and arranged in a rotationally symmetrical manner with respect to the axis 2 and each of which has a large number of guide blades 6 , 7 , 8 or blades 10 , 11 having. There are four rings of guide vanes 6 , 7 , 8 and four rings of rotor blades 10 , 11 , each of which follows one another alternately. For the following explanation, a numbering of the wreaths is used, whereby for guide vanes 6 , 7 , 8 or rotor blades 10 , 11 a he wreath is on the left outside, that is to say directly at inlet 4 , and the following wreaths in ascending numbering are located at outlet 5 follow. The guide vanes 6 of the first ring and 7 of the second ring each have cooling channels 12 and 13 , respectively. The same applies to the rotor blades 10 of the first and the second ring, which have cooling channels 14 . From each of the cooling channels 12 , 13 and 14 , cooling air, which is supplied from a cooling air supply 15 , shown here as a fan 15, can be discharged into the turbine 1 and mix with the flue gas flowing through it. The guide vanes 8 and blades 11 , which form the corresponding third and fourth rings, no longer have any special cooling systems; the flue gas, which reaches these blades 8 and 11 , has already cooled down to such an extent that ei ne cooling is no longer required. Of course, this only applies to the illustrated embodiment; Depending on the application, cooling can very well be provided for these blades 8 and 11 .

Die Kühlkanäle 12 in den Leitschaufeln 6 des ersten Kranzes bilden mit einem zugehörigen Ventil 16 sowie entsprechenden Kühlluftleitungen 17 und 18 ein erstes Kühlkanalsystem, mit dem eine erste Stufe 19 der Turbine 1, im vorliegenden Bei spiel gebildet allein aus dem ersten Kranz, kühlbar ist. Die sem ersten Kühlkanalsystem ist aus einer Brennstoffzufuhr 20, der Einfachheit halber dargestellt als Leitungsstück, über ein Brennstoffventil 21 und eine Brennstoffleitung 22 zusätz lich ein gasförmiger Brennstoff, vorzugsweise Erdgas, zuführ bar und mit der Kühlluft, die zu den Kühlkanälen 12 strömt, mischbar. Dementsprechend entlassen die Kühlkanäle 12 nicht reine Luft in die Turbine 1, sondern ein Gemisch aus Brenn stoff und Kühlluft. Dieses Gemisch ist so mager, daß es sich nicht von selbst entzünden kann.The cooling channels 12 in the guide vanes 6 of the first ring form with a corresponding valve 16 and corresponding cooling air lines 17 and 18 a first cooling channel system with which a first stage 19 of the turbine 1 , in the present case formed solely from the first ring, can be cooled. The sem first cooling channel system is from a fuel supply 20 , shown for simplicity as a line piece, via a fuel valve 21 and a fuel line 22 additional Lich a gaseous fuel, preferably natural gas, feed bar and miscible with the cooling air that flows to the cooling channels 12 . Accordingly, the cooling channels 12 do not discharge pure air into the turbine 1 , but a mixture of fuel and cooling air. This mixture is so lean that it cannot ignite on its own.

In einer zweiten Stufe 23 der Turbine 1, gebildet im vorlie genden Beispiel von allen weiteren Kränzen, kann sich der in der ersten Stufe 19 zugeführte Brennstoff mit Sauerstoff aus dem Rauchgas verbinden, woraus sich eine zusätzliche Wärme entwicklung und eine Leistungssteigerung der Turbine 1 er gibt. Um die Reaktion des Brennstoffs mit dem Sauerstoff zu fördern, sind alle in der zweiten Stufe 23 angeordneten Leit schaufeln 7 und 8 sowie Laufschaufeln 10 und 11 beschichtet mit einem Katalysator 24, dargestellt durch schwarze Punkte. Diese Darstellung wurde gewählt aus Übersichtsgründen; im Re gelfall wird man es vorziehen, alle entsprechenden Struktur teile der Turbine 1, und zwar neben den Leitschaufeln 7 und 8 sowie Laufschaufeln 10 und 11 möglicherweise auch andere Tei le des Rotors 3 oder des Gehäuses 9, an ihren dem Rauchgas zugewandten Oberflächen vollständig zu beschichten. Der Kata lysator besteht insbesondere aus Platin oder einem vergleich baren Edelmetall; vor allem Platin wird bevorzugt, weil es thermisch hochbeständig und chemisch weitestgehend inert ist und somit von gasförmigen Bestandteilen des Rauchgases kaum angegriffen werden kann.In a second stage 23 of the turbine 1 , formed in the vorlie example of all further rings, the fuel supplied in the first stage 19 can combine with oxygen from the flue gas, resulting in an additional heat development and an increase in the power of the turbine 1 . In order to promote the reaction of the fuel with the oxygen, all of the guide vanes 7 and 8 arranged in the second stage 23 and rotor blades 10 and 11 are coated with a catalyst 24 , represented by black dots. This representation was chosen for reasons of clarity; in Re gelfall you will prefer all the corresponding structural parts of the turbine 1 , in addition to the guide vanes 7 and 8 and blades 10 and 11 possibly other Tei le of the rotor 3 or the housing 9 , on their surfaces facing the flue gas completely coat. The Kata analyzer consists in particular of platinum or a comparable precious metal; Platinum in particular is preferred because it is highly thermally stable and largely chemically inert and can therefore hardly be attacked by gaseous components of the flue gas.

Zur Kühlung der Laufschaufeln 10 sei bemerkt, daß die Zufuhr der Kühlluft ebenfalls aus der Kühlluftzufuhr 15 über in dem Rotor 3 vorgesehene Ringkanäle 25 erfolgt. Im vorliegenden Beispiel bildet keiner dieser Ringkanäle 25, und somit keiner der Kühlkanäle 14 in Laufschaufeln 10, einen Teil des ersten Kühlkanalsystems, durch welches mit Brennstoff versetzte Kühlluft in die Turbine 1 eingeführt wird. Hiermit wird eine unerwünschte Leckage von Brennstoff vermieden, da diejenigen Leitungssysteme 26, die aus der feststehenden Gaszufuhr 15 in den rotierenden Rotor 3 führen, lediglich reine Kühlluft lei ten. Dies bedeutet jedoch nicht, daß die Zufuhr von mit Brennstoff versetzter Kühlluft zum Rotor 3 für grundsätzlich unpraktikabel gehalten wird.For cooling the rotor blades 10, it should be noted that the cooling air is also supplied from the cooling air supply 15 via ring channels 25 provided in the rotor 3 . In the present example, none of these ring channels 25 , and thus none of the cooling channels 14 in blades 10 , forms part of the first cooling channel system through which fueled cooling air is introduced into the turbine 1 . This avoids an undesirable leakage of fuel, since those line systems 26 which lead from the fixed gas supply 15 into the rotating rotor 3 only supply pure cooling air. However, this does not mean that the supply of fueled cooling air to the rotor 3 for is basically kept impractical.

Die Kühlkanäle 13 in den Leitschaufeln 7 des zweiten Kranzes sowie die Kühlkanäle 14 in den Laufschaufeln 10 des ersten und zweiten Kranzes bilden ein zweites Kühlkanalsystem. Die ses zweite Kühlkanalsystem wird ausschließlich mit Kühlluft beaufschlagt, wobei die Kühlluft über eine Kühlluftleitung 37 und ein Kühlluftventil 41 von der Kühlluftzufuhr 15, die auch das erste Kühlkanalsystem speist, zugeführt wird. Das zweite Kühlkanalsystem kann mit dem Katalysator 24 zusammenwirken derart, daß es dazu beiträgt, den Katalysator 24 auf eine vorteilhafte Betriebstemperatur zu temperierenThe cooling channels 13 in the guide blades 7 of the second ring and the cooling channels 14 in the rotor blades 10 of the first and second rings form a second cooling channel system. This second cooling channel system is only supplied with cooling air, the cooling air being supplied via a cooling air line 37 and a cooling air valve 41 from the cooling air supply 15 , which also feeds the first cooling channel system. The second cooling channel system can interact with the catalytic converter 24 in such a way that it contributes to tempering the catalytic converter 24 to an advantageous operating temperature

Fig. 2 zeigt eine Turbine, wie sie sich aus Fig. 1 ergibt, eingebunden in eine komplette Gasturbinenanlage. Dabei treibt die Turbine 1 einen Turboverdichter 27, welcher Luft ansaugt und verdichtet und die verdichtete Luft über eine entspre chende Leitung 28 einer Verbrennungseinrichtung 29 in Form einer Brennkammer 29 zuführt. Die Brennkammer 29 erhält au ßerdem über eine Brennstoffzufuhr, d. h. über ein Gebläse 30 und eine Brennstoffleitung 31, Brennstoff, und dieser Brenn stoff wird in der verdichteten Luft verbrannt. Dabei entsteht ein Rauchgas, welches über eine Rauchgasleitung 32 der Turbi ne 1 zur Entspannung zugeführt wird. Das entspannte Rauchgas verläßt die Turbine 1 schließlich durch eine Abgasleitung 33. Über eine gemeinsame Welle 34 treibt die Turbine 1 sowohl den Turboverdichter 27 als auch einen Generator 35 an. FIG. 2 shows a turbine as it results from FIG. 1, integrated in a complete gas turbine system. The turbine 1 drives a turbocompressor 27 , which sucks in and compresses air and supplies the compressed air via a corresponding line 28 to a combustion device 29 in the form of a combustion chamber 29 . The combustion chamber 29 also receives fuel via a fuel supply, ie via a fan 30 and a fuel line 31 , and this fuel is burned in the compressed air. This creates a flue gas, which is supplied via a flue gas line 32 to Turbi ne 1 for relaxation. The expanded flue gas finally leaves the turbine 1 through an exhaust pipe 33 . The turbine 1 drives both the turbocompressor 27 and a generator 35 via a common shaft 34 .

Nunmehr ist hinzuweisen auf diejenigen Komponenten, die im Sinne des anhand der Fig. 1 geschilderten Ausführungsbei spiels zur Turbine 1 gehören. Diese Komponenten umfassen eine Kühlluftleitung 17, welche zu einem Mischer 36 führt, in wel chem die zugeführte Kühlluft mit Brennstoff versetzt wird; die Zufuhr des Brennstoffes geschieht über eine Leitung 20 sowie ein Brennstoffventil 21. Das erhaltene Gemisch aus Kühlluft und Brennstoff gelangt über eine Kühlluftleitung 18 zur ersten Stufe 19 der Turbine 1. Gleichfalls mit verdichte ter Luft beaufschlagt wird eine Kühlluftleitung 37, welche unter Umgehung des Mischers 36 zu einem zweiten Kühlkanalsys tem für andere Strukturteile als die Strukturteile der er sten Stufe 19 gelangt.It should now be pointed out those components which belong to the turbine 1 in the sense of the exemplary embodiment described with reference to FIG. 1. These components include a cooling air line 17 , which leads to a mixer 36 , in which chem the supplied cooling air is mixed with fuel; the fuel is supplied via a line 20 and a fuel valve 21 . The mixture of cooling air and fuel obtained passes via a cooling air line 18 to the first stage 19 of the turbine 1 . Likewise, compressed air is applied to a cooling air line 37 which, bypassing the mixer 36 , reaches a second cooling duct system for structural parts other than the structural parts of the first stage 19 .

Fig. 3 zeigt eine Teilansicht eines Kranzes aus Laufschau feln 10, wie er als erster oder zweiter Kranz in dem Ausfüh rungsbeispiel nach Fig. 1 Einsatz finden könnte. Dabei ist jede Laufschaufel 10 eingesetzt in den Rotor 3, und sie hat einen Kühlkanal 14 zur Durchleitung von Kühlluft. Zur Vertei lung der Kühlluft auf die einzelnen Laufschaufeln 10 ist in dem Rotor 3 ein Ringkanal 25 vorgesehen. Bei einer der Lauf schaufeln 10 ist die Oberfläche teilweise aufgebrochen, um den Aufbau der Laufschaufel 10 darzustellen. Die Oberfläche der Laufschaufel 10 ist gebildet von dem Katalysator 24. Die ser Katalysator 24 liegt im vorliegenden Beispiel auf auf ei ner keramischen Wärmedämmschicht 38, welche ihrerseits auf liegt auf einer metallischen Haftschicht 39, insbesondere ei nem Metall-Aluminid oder einer Legierung des bekannten Typs MCrAlY, welche die keramische Wärmedämmschicht 38 an ein me tallisches Substrat 40, insbesondere eine Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Superlegierung, welches den Grundwerkstoff der Laufschaufel 10 bildet, anbindet. Der Aufbau einer Laufschau fel 10 aus einem Grundwerkstoff 40, einer metallischen Haft schicht 39 sowie einer keramischen Wärmedämmschicht 38 ist grundsätzlich bekannt und kommt auch für andere Struktur teile, insbesondere Leitschaufeln, Auskleidungen und Hitze schilde für das Gehäuse oder den Rotor, in Betracht. Im Sinne der vorliegenden Ausführungen wird dieser Aufbau ergänzt da durch, daß die Wärmedämmschicht 38 ihrerseits mit dem Kataly sator 24 beschichtet ist. Fig. 3 shows a partial view of a wreath from Laufschau feln 10 , as it could be used as the first or second wreath in the embodiment according to FIG . Each blade 10 is inserted into the rotor 3 and it has a cooling channel 14 for the passage of cooling air. To distribute the cooling air to the individual blades 10 , an annular channel 25 is provided in the rotor 3 . In one of the blades 10 , the surface is partially broken open to illustrate the structure of the blade 10 . The surface of the rotor blade 10 is formed by the catalyst 24 . In the present example, this catalyst 24 lies on a ceramic thermal barrier coating 38 , which in turn lies on a metallic adhesive layer 39 , in particular a metal aluminide or an alloy of the known type MCrAlY, which connects the ceramic thermal barrier coating 38 to a metallic substrate 40 , in particular a nickel-based or cobalt-based superalloy, which forms the base material of the rotor blade 10 . The construction of a Laufschau fel 10 from a base material 40 , a metallic adhesive layer 39 and a ceramic thermal barrier layer 38 is known in principle and is also suitable for other structural parts, in particular guide vanes, linings and heat shields for the housing or the rotor. In the sense of the present explanations, this structure is supplemented by the fact that the heat insulation layer 38 is in turn coated with the catalyst 24 .

Claims

1. Turbine ( 1 ) for expanding a flue gas originating from a combustion process, which flue gas flows through the turbine ( 1 ) from an inlet ( 4 ) to an outlet ( 5 ), which turbine ( 1 ) has a cooling channel system ( 12 ) for cooling Structural parts ( 6 ) of the turbine ( 1 ) by means of cooling air and a line of cooling air into the turbine ( 1 ) and which has a cooling air supply ( 15 ) for supplying cooling air to the cooling duct system ( 12 ) and a fuel supply ( 20 ) for admixing a fuel are allocated to the cooling air before the cooling channel system (12), characterized in that the cooling channel system is set up (12) for introducing the cooling air in an arranged directly at the inlet (4) first stage (19) of the turbine (1) and a second stage ( 23 ) of the turbine ( 1 ), which is arranged between the first stage ( 19 ) and the outlet ( 5 ), contains structural parts ( 7 , 8 , 10 , 11 ) which contain a catalyst ( 24 ) for catalysis a reaction between the fuel and oxygen from the flue gas.

2. Turbine ( 1 ) according to claim 1, wherein the first stage ( 19 ) comprises a ring of guide vanes ( 6 ) at the inlet ( 4 ).

3. Turbine ( 1 ) according to claim 1 or 2, wherein the cata- tor ( 24 ) consists of platinum.

4. Turbine ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which at least one structural part ( 7 , 8 , 10 , 11 ) in the second stage ( 23 ) the catalyst ( 24 ) as an additional layer ( 24 ) on a protective layer ( 38 ) , in particular a ceramic thermal barrier coating ( 38 ).

5. Turbine ( 1 ) according to claim 4, wherein the structural part ( 7 , 8 , 10 , 11 ) is a guide blade ( 7 , 8 ) or a moving blade ( 10 , 11 ).

6. Turbine ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the second stage ( 23 ) extends to the outlet ( 5 ).

7. Turbine ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the cooling duct system ( 12 ) is in the first stage ( 19 ).

8. Turbine ( 1 ) according to claim 7, in which in the second stage ( 23 ) a further cooling duct system ( 13 , 14 ) for cooling the second stage ( 23 ) by means of cooling air, which further cooling duct system ( 13 , 14 ) preferably also with the cooling air supply ( 15 ) communicates, is arranged.

9. Turbine ( 1 ) according to one of the preceding claims, which is combined with a turbocompressor ( 27 ) for providing compressed air and a combustion device ( 29 ) for effecting the combustion process with the compressed air and for providing the flue gas.

10. Turbine ( 1 ) according to claim 9, which is set up both for driving the turbocompressor ( 27 ) and for driving a further consumer ( 35 ).

11. A method for relaxing a flue gas from a combustion process in a turbine ( 1 ), which flue gas flows through the turbine ( 1 ) from an inlet ( 4 ) to an outlet ( 5 ), the flue gas in the turbine ( 1 ) with Fuel mixed cooling air from a cooling duct system ( 12 ), through which the cooling air for cooling structural parts ( 6 ) of the turbine ( 1 ) is fed, and the fuel in the flue gas reacts with oxygen, characterized in that the mixed with the fuel Cooling air is fed to the flue gas in a first stage ( 19 ) of the turbine ( 1 ) arranged directly at the inlet ( 4 ) and in a second stage ( 23 ) of the turbine ( 1 ) arranged between the first stage ( 19 ) and the outlet ( 5 ). a catalyzed reaction between the fuel and the oxygen is effected.

12. The method of claim 11, wherein the fuel combustible gas, in particular town gas or natural gas.

13. The method of claim 11 or 12, wherein the burning such a proportion of the cooling air is mixed in, that a self-ignition of the resulting mixture is closed.