DE2138413A1

DE2138413A1 - Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2138413A1
Application number: DE19712138413
Authority: DE
Inventors: Edward Nicholas Bloomfield Hills Mich. CoIe (V.St.A.)
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1970-09-08
Filing date: 1971-07-28
Publication date: 1972-03-16
Also published as: GB1294805A; AU447212B2; AU3230271A; US3641763A

Description

Tet 3044285 ¥/Vh-2775

• 28.7.71

General Motors Corporation, Detroit, Mich., V.St.Ac

Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk, bestehend aus einem luftverdichter, einer Brennkammer, in der B ennstoff in der zugeleiteten verdichteten luft verbrannt wird, einer Turbine, in der die Brenngase auf einen niedrigen Druck unter Abgabe von leistung entspannt werden, und einem Drehspeicherwärmetauscher mit im wesentlichen zu seiner Drehachse parallelen ungedrosselten Gaskanälen im Speicherkörper und mit zwei voneinander getrennten, zur Drehachse parallel verlaufenden Strömungswegen, von denen der erste zwischen dem Verdichter und der Brennkammer und der zweite zwischen dem Abgasauslass der Turbine und der Atmosphäre liegt.

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D_a die Abgase derartiger Gasturbinentriebwerke Anteile von schädlichen Bestandteilen wie Kohlenoxid und <·^- verbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide enthalten, ist es erwünscht, die Abgase zu behandeln, um diese schädlichen Bestandteile zu beseitigen. Eine besonders wirksame und zuverlässige Beseitigung der schädlichen Bestandteile kann durch eine katalytische Behandlung der Abgase erfolgen, bei der die Abgase mit einem katalytischen Material in Verbindung gebracht werden, das die Oxidation von Kohlenoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu Kohlendioxid und Wasser und/oder die Reduktion der Stickoxide in Sauerstoff und Stickstoff bewirkt, ©asturbinentriebwerke sind jedoch besonders empfindlich auf den Gasdruck und die Temperaturen sowie den Gegendruck am Auslass, so dass übliche katalytische Geräte, wie sie bei Brennkraftmaschinen ausserhalb der Maschine verwendet werden, für Gasturbinentriebwerke nicht geeignet sind, da sie einen 'ibermässigen Gegendruck am Auslass bewirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kataljstische Behandlung der Abgase eines Gasturbinentriebwerks mit Hilfe bestehender Bauteile des Triebwerks durchzuführen und eine zuverlässige und verhältnismässig billige katalytische Behandlung der Abgase zu bewirken, ohne dass der Gegendruck am Auslass der Turbine erhöht wird oder die Betriebsfiihrung ungünstig beeinflusst wird.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass "bei einem Gasturbinentriebwerk der eingangs erwähnten Art der Speicherkörper katalytisches Material enthält, das im Bereich des zweiten Strömungsweges den Abgasen der Turbine ausgesetzt die Reaktion schädlicher Bestandteile der Abgase in unschädliche Gase bewirkt, wobei die Reaktionswärme zusammen mit der fühlbaren Wärme aus den Abgasen in den Speicherkörper übergeführt wird, der beim Durchlauf durch den ersten-Strömungsweg die gespeicherte Wärme an die zur Brennkammer strömende Luft abgibt.

Hach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Speicherkörper ein dünnwandiger wabenförmiger Körper aus keramisch- miteinander verbundenen, abwechselnd flachen und gewellten Scheiben aus keramischem Werkstoff besteht und die Scheiben Träger für das fcatalyijtsche Material sind.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel

eines Gasturbinentriebwerks nach der Erfindung in schematiBoher: Weise dargestellt. In der Zeichnung ist

Pig. leine schematische Darstellung des Gasturbinentriebwerks mit einem Schnitt durch die Drehachse eines in dem Triebwerk enthaltenen Drehspeicherwärmetauschers,

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Ig. 2 eine vergrösserte Ansicht auf einen Teil

des Speicherkörpers des Drehspeicherwärmetauschers und

ig. 3 ein vergrösserter Ausschnitt aus Pig. I.

Wie Pig. 1 zeigt, tritt kalte Aussenluft in einen

" Verdichter 10 ein, inpem ihr Druck erhöht wird. Die verdichtete Luft strömt durch eine Leitung 12 in einen Drehspeicherwärmetauscher 14, intiem sie erhitzt wird, wenn sie durch einen Speicherkörper 16 hindurchtritt, der zwischen Wänden 18 ungedrosselte G-askanäle 20 enthält. Von dem in noch zu beschreibender Weise erhitzten Speicherkörper wird auf die durchströmende verdichtete Luft Wärme übertragen, die dann einer Brennkammer 22 zugeleitet wird, in der Brennstoff verbrannt wird, um die Temperatur unter Bildung von Brenngasen weiter zu erhöhen. Die heissen verdichteten Brenngase treten dann in eine Turbine, in der sie auf einen niedrigeren Druck unter Abgabe von Leistung entspannt werden. Im Ausführungsbeispiel sind zwei hintereinander geschaltete Turbinen T-, und T₂ verwendet, von denen die Turbine T-, den Verdichter 10 über eine Verdichterwelle 24 antreibt, während die Turbine T₂ die Arbeitsturbine ist, die ihre Leistung über eine Ausgangswelle 25 abgibt. Das aus den Turbinen austretende Abgas wird durch eine Leitung 26 zum Drehspeicherwärmetauscher 14 geleitet, in dem ein wesentlicher Anteil der Wärme bei Durchstrom durch den verhältnismässig kalten Speicherkörper 16 abgegeben wird. Die Abgase werden

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dann in die Atmosphäre abgeleitet.

Wie J¹Ig. 1 zeigt, hat der Drehspeicherwärmetauscher 14 ein im wesentlichen trommeiförmiges Gehäuse 28, das den ringförmigen Speicherkörper 16 umsch^liesst. Durch die dünnen Wände sind sehr kleine ungedrosselte Gaskanäle 20, die in den ■ Pig. 1 und 3 übertrieben gross dargestellt sind, vorgesehen, die sich zwischen den einander gegenüberliegenden Stirnflächen 30a und 30b des Speichärkörpers im wesentlichen parallel zur Drehachse des Drehspeicherkörpers erstrecken. Der Drehspeicherkörper ist um eine Antriebswelle 32 drehbar, die in Lagern in einer Nabe 34 des Gehäuses 28 abgestützt ist und mittels eines Armkreuzes 36 in nicht dargestellter Weise den Speicherkörper 16 langsam dreht. Der Speicherkörper 16 hat vorzugsweise einen nicht porösen inneren Mantel 38 und einen nicht porösen äusseren Mantel 40. Ein im wesentlichen hylindrischer Raum 42 ist im Inneren des Speicherkörpers gebildet, während sich ein ringförmiger Raum 44 rings um den Umfang des Speicherkörpers inner- ■ halb des Gehäuses 28 befindet. Ein Einlaßstutzen 46 für kalte verdichtete Luft, die vom Verdichter 10 kommt, ist an der einen [

Stirnfläche des Gehäuses 28 vorgesehen, dem gegenüber ein Aus- ! laßstutzen 48 für erhitzte Verdichterluft an der anderen Stirnfläche des Speicherkörpers gegenüberliegt. Die heissen entspannten Abgase der !Turbinen gelangen zu einem Einlaßstutzen 50 ,

I an der einen Stirnfläche des Drehspeicherwärmetauschers 14 und ;

treten nach Durchströmen des Speioherkörpers auf der entgegen- j

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gesetzen Stirnfläche durch einen Austrittsstutzen 52 aus. Die hierdurch gebildeten beiden Störmungswege werden von den Gasen im Gegenstrom durchströmt. Die beiden Strömungswege werden durch eine Dichtung 54 voneinander getrennt, die zwischen den Stirnflächen des Speicherkörpers und dem Gehäuse in Reibanlage sind, wenn der Drehspeicherkörper umläuft, so dass leckageη zwischen beiden Strömungswegen auf ein Mindestmass begrenzt sind. Während des Betriebes wird die Dichtung durch den Differenzdruck der Gase zwischen den Strömungswegen dauernd in Reibanlage gegen den umlaufenden Speicherkörper gehalten.

Während des Betriebes dreht sich der Speicherkörper 16 und tritt abwechselnd durch die beiden S'trÖmungswege, wobei beim Durchlauf durch den zweiten Strömungsweg Wärme von den Abgasen aufgenommen und gespeichert wird, die beim Durchlauf des Speicherkörpers durch den ersten Strömungsweg an die verdichtete kalte luft abgegeben wird. Durch diese Arbeitsweise tritt in dem Drbhspeicherwärmetauscher ein dauernder Wärmestrom ein und es ist daher erforderlich, dass der Werkstoff für den Speicherkörper entsprechende Eigenschaften aufweisen muss. Zu diesen gehören eine hohe Betriebstemperatur, eine kleine Wärmedehnungszahl, eine geringe Wärmeleitfähigkeit, um Wärmeableitung parallel zu den Strömungswegen zu verringern, und eine auf die Drehzahl des Speicherkörpers und die Betriebsbedingungen des Triebwerks abgestimmte spezifische Wärme.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Speicherkörper aus keramischem Werkstoff ver-

ist
•wendet. Hierfür/ein von der Corning Glass Works, Corning, New York, unter dem Warenzeichen "Cercor" gehandelter Werkstoff geeignet, von dem folgende Angaben gemacht werden: Maximale Betriebstemperatur 1093⁰C, linearer Warmedehnungskoeffizient bei 25 bis 427 ⁰C -1 χ ΙΟ"⁷ , Wärmeleitfähigkeit 0,721 Jm/m s C und eine mittlere spezifische Wärme bei 25 bis 427⁰C von 0,24. Dieser Werkstoff ist in honigwabenähnlicher Struktur verfügbar und weist sehr dünne Wände auf, so dass ein sehr schneller Wärmeübergang zu einem Strömungsmittel gegeben ist. WiePig. 2 zeigt, besteht das wabenartige G-efüge aus abwechselnden Schichten von ebenen Scheiben 56 aus keramischem Werkstoff und gewellten Scheiben 58 aus keramischem Werkstoff, die durch Brennen bei erhöhter Temperatur keramisch miteinander verbunden sind, und zata-lreiche sehr kleine G-askanäle 20 (!ig. 1 bis 3) enthalten, die sich parallel zur Drehachse des Speicherkörpers 16 erstrecken. Typische Strukturen der erwähnten Art haben eine offene Stirnfläche von ; mehr als 70$ und eine Wandstärke von etwa 0,125 mm. ferner beträgt die Oberfläche mehr als 3300 m /m und es können 55 bis 155 Zellen je cm gebildet werden.

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E findungsgemäss ist der Speicherkörper mit einem katalytischer! Material versehen, das von den durch den Speicherkörper hindurchtretenden Abgasen berührt wird und die katalytische Behandlung der Abgase bewirkt. Das katalytische Material kann in dem Speicherkörper in verschiedener Weise enthalten sein. So kann der keramische Werkstoff des Speicherkörpers mit dem katalytischen Material getränkt sein, wobei das Tränken bei der Bildung der Wabenstruktur oder auch danach erfolgen kann. In abgewandelter Weise kann der katalytische Werkstoff ein überzug an der Oberfläche der Wände des Speicherkörpers sein, wie dies Pig. 3 veranschaulicht, wobei ein Überzug 60 aus katalytischem Werkstoff an den Wänden 18 der Gaskanäle haftet, so dass die durch die Gaskanäle 20 strömenden Abgase mit dem katalytischen Werkstoff in Berührung kommen. In jedem Falle sind die Wände des Speicherkörpers Sräger für den katalytischen Werkstoff neben ihrer Eigenschaft als Wärmetauschmaterial. Werden metallische Wärmetauscher verwendet, so ist es notwendig, eine dünne Schicht,beispielsweise aus Aluminiumoxid,auf der Metalloberfläche aufzubringen, um einen Träger für den kataly±ischen Werkstoff zu schaffen. In diesem Falle kann das Aluminiumoxid mit dem katalytischen Werkstoff getränkt sein oder als Träger für einen aufgebrachten Überzug aus dem katalytischen Werkstoff wirken.

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Die Erfindung ist nicht auf die verwendung
eines "besonderen katalytischen Werkstoffes "beschränkt, da
jeder katalytische Werkstoff geeignet ist, der eine Oxidation
und/oder Reduktion für die erfindungsgemässen Zwecke "bewirkt.
Geeignet sind "beispielsweise Edelmetall-Katalysatoren aus
Plati^n und Palladium oder Katalysatoren aus Metalloxiden

wie Kupferoxid, Nickeloxid, Kobaltoxid, Eisenoxid, Chromoxid
und Manganoxid und deren Mischungen, die über längere Zeitläufte "bei erhöhten Temperaturen, wie sie in Gasturbinentriebwerken auftreten, wirksam sind.

Es ist bekannt, dass die Oxidation von Kohlenoxid
und unverbrannten Kohlenwasserstoffen stark exotherme Reaktionen; sind, wobei die Reaktionswärme von den Temperaturbedingungen
und der Abgaszusammensetzung nach den Gesetzen der chemischen
Kinetik abhängen. Bei der durch die Berührung der Abgase mit
dem katalytischen Werkstoff ausgelösten Reaktion wird daher eine erhebliche Wärmemenge frei. Diese Wärme wird zusätzlich zu der ^! frühlbaren aus den Abgasen aufgenommenen Wärme in dem Speicher- I körper gespeichert und wird daher für das Aufheizen der verdich-' teten Luft nutzbar gemacht, so dass diese auf eine höhere Tempe-

i ratur erwärmt wird als üblicherweise möglich ist. Der Brenn- j stoffverbrauch für das Erwärmen der verdichteten Luft in der , Brennkammer wird damit verringert, so dass sich ausser der Be handlung der Abgase eine Verbesserung des Wirkungsgrades des
Triebwerks ergibt.

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Claims

- ίο -

Patent an spräche

Gasturbinentriebwerk, bestehend aus

einem luftverdichter, einer Brennkammer, in der Brennstoff in der zugeleiteten verdichteten Luft verbrannt wird, einer Turbine, in der die Brenngase auf einen niedrigen Druck unter Abgabe von leistung entspannt werden, und einem Drehspeicherwärmetauscher mit im wesentlichen zu seiner Drehachse parallelen ungedrosselten G-askanälen im Speicherkörper und mit zwei voneinander getrennten, zur Drehachse parallel verlaufenden Strömungswegen, von denen der erste zwischen dem Verdichter und der Brennkammer und der zweite zwischen dem Abgasauslass der Turbine und der Atmosphäre liegt, d a d u r ch gekenn zeichnet, dass der Speicherkörper (16) katalytisches Material (60) enthält, das im Bereich des zweiten Strömungsweges (50,52) den Abgasen der Turbine (T-, , T2) ausgesetzt die Reaktion schädlicher Bestandteile der Abgase in unschädliche Gase bewirkt, wobei die Reaktionswärme zusammen mit der fühlbaren Wärme aus den Abgasen in den Speicherkörper übergeführt wird, der beim Durchlauf durch den ersten Strömungsweg (46,43) die gespeicherte Wärme an die zur Brennkammer (22) strömende Luft abgibt.

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2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkörper (16) ein
dünnwandiger wabenförmiger Körper aus keramisch miteinander verbundenen, abwechselnd flachen und gewellten Scheiben (56 bzw. 58) aus keramischem Werkstoff besteht und die Scheiben Träger für das katalytische Material (60) sind.

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