DE2649938A1

DE2649938A1 - Hochtemperaturgasturbine

Info

Publication number: DE2649938A1
Application number: DE19762649938
Authority: DE
Inventors: Helmut R Schelp
Original assignee: Garrett Corp
Current assignee: Garrett Corp
Priority date: 1975-12-29
Filing date: 1976-10-30
Publication date: 1977-07-07
Also published as: FR2337255A1; GB1551860A; US4102125A; DE2649938C2; FR2337255B1; US4041699A

Description

An das Deutsche Patentamt 8000 München 2	Ihre Nachricht Your Letter	Unser Zeichen Our Ref. G/p 8738	D 8400 REGENSBURG 2 GREFLINGER STRASSE 7 TELEFON (0941) 547 53 TELEGR. BEGPATENT RGB. TELEX 65709 repat d
		Tag Date 29. Oktober 1976 W/Ja
Ihr Zeichen Your Ref.

THE GARRETT CORPORATION, 9851-9951 Sepulveda Boulevard, Los Angeles, California 90009, USA Hochtemperaturgasturbine

Zusammenfassung: Es wird eine Gasturbinenanordnung vorgeschlagen, bei der Wasser zur Kühlung der Turbine verwendet wird. Das Wasser wird in der heißen Turbine zu Dampf, Überhitzt, und dann in die Verbrennungseinrichtung injiziert, um die Vergasung des Brennstoffes zu unterstützen, die Flammentemperatur zu reduzieren, die Emissionen zu verbessern und auch die spezifische Leistung der Turbinenanordnung zu erhöhen.

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinenanordnungen und insbesondere auf solche Gasturbinenanordnungen, die flUssigkeitsgekUhlte Turbinen besitzen.

709827/0204

Konto: Bayerische Vereinsbank (BLZ 750 200 73) 5 804 248 Postscheckkonto München 893 69-801

Gerichtsstand Regensbürg

Um die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad von Gasturbinen zu erhöhen, ist es erwünscht, solche Turbinen bei möglichst hohen Turbineneinlaßtemperatüren zu betreiben. Diese Temperaturen sind auf einen Bereich

ο ο

von 1000 C bis 1100 C begrenzt, hauptsächlich wegen der Temperaturgrenzen der Metallegierungen, die für die rotierenden Teile verwendet werden« Höhere Einlaßtemperaturen können verwendet werden, wenn die Turbinenschaufeln einwandfrei gekühlt werden können. Bei größeren Turbinenanordnungen ist die Luftkühlung der Schaufeln wirksam, bei kleineren Tür- ! binenanordnungen haben die Schaufeln jedoch eine erheblich Heinere ; Dimension und eine nicht ausreichende Metalldicke, um Luftkühlkanäle . wirksamer Größenabmessung zuzulassen.

Die Wasserkühlung von Turbinenschaufeln ist in der Vergangenheit bei großen stationären Energieerzeugungsanlagen erfolgreich durchgeführt , worden. Um jedoch einen zu hohen Wasserverbrauch zu vermeiden, ist es : notwendig gewesen, das Kühlwasser zu kondensieren und wieder in Umlauf zu bringen. Bei kleinen Gasturbinenanordnungen, insbesondere in Fahrzeugen, ist die Aufnahme eines Kondensator- und Umlaufsystems praktisch j nicht durchführbar. ^!

Vorstehende Nachteile werden gemäß der Erfindung dadurch behoben, daß eine kleine Gasturbinenanordnung vorgeschlagen wird, bei der die Turbine, durch das Injizieren von Wasser in die Turbinennabe und in Leerkanäle j ; in den Schaufeln gekühlt ist. Beim Auftreffen des Wassers auf die heißen Turbinenoberflächen wird das Wasser in Dampf umgewandelt und an einen ! Wärmetauscher abgegeben, der die Turbinenauslaßgase zur weiteren Er-, hitzung des Dampfes verwendet. Der Dampf wird dann in die Verbrennungseinrichtung zusammen mit dem Brennstoff und komprimierter Luft aus dem Kompressor komprimiert, wo er bei dea VergasungsVorgang des flüssigen j Brennstoffs in der ersten Stufe eines zweistufigen Verbrennungsvorganges ausgenutzt wird. Während dieser Stufe des Vorganges wird ein Teil des

709827/0204

Dampfes in H„ und 0» zerlegt, wodurch der Heizwert des Brennstoffes erhöht wird. Zusätzlich zur Verdampfung und Vergasung des Brennstoffes in einer brennstoffreichen Umgebung erhöht der Dampf auch den Massendurchfluß durch das Turbinenrad und vergrößert somit die spezifische Leistung der Anordnung.

Ein weiterer Vorteil vorliegender Erfindung besteht darin, daß das Einfuhren des Wasserdampfes in die Verbrennungsvorrichtung die Emissionen von Stickstoffoxydul durch Herabsetzung der Flammentemperatur vermindert. Bei bekannten Vorrichtungen war bei Vergasungstemperaturen, die mit einem 0,5 stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnis erzielt wurden, ein Katalysator erforderlich, um die Bildung von Kohlenstoff oder Ruß zu verhindern. Die Injektion von Wasserdampf reichert den Brennstoff mit Wasserstoff an, wodurch ein sehr mageres Luft-Brennstoff-Gemisch in der zweiten Stufe verwendet werden kann, so daß die NOX-Bildung ohne Erhöhung im Rauch gesenkt werden kann. Gibt man der Verbrennungsvorrichtung nach , vorliegender Erfindung einen Katalysator bei, erhöht dies weiter die Leistung über einen weiten Bereich des Luft-Brennstoff-Gemisches, wenn . dies durch die Lastbedingungen der Anordnung erforderlich ist. !

Aufgrund der Kühlung der Turbine werden somit höhere Turbineneinlaßtemperaturen ermöglicht, was zusätzlich den Vorteil hat, oaß der Auslaßdampf zur Erhöhung der Leistungsabgabe der Anordnung verwendet werden kann.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispbles erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Gasturbinenanordnung nach der

Erfindung,
Fig. 2 eine Schnittansicht der Verbrennungsvorrichtung nach Fig. 1, und

709827/020*

Fig. 3 eine Teilschnittansicht der Turbine nach vorliegender Erfindung.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Systems mit einer Welle 10 gezeigt, die drehbar um eine Achse X-X gelagert ist. Mit der Welle 10 ist drehbar ein Kompressor 12 verbunden, der im Falle der Fig. 1 als Zentrifugalkompressor dargestellt ist, ferner eine Turbine 14, die als Radialeinlaßturbine dargestellt ist. Luft tritt in den Einlaß zum Motor (nicht dargestellt) ein und wird von dem Kompressor 12 komprimiert und von dem Kompressor in den Diffusor 16 abgegeben. Von dem Diffusor wird die Luft Über eine Leitung 18 in einen Rekuperator-Wärmetauscher 20 gefuhrt. Der Auslaß aus dem Rekuperator 20, der durch die Leitung 22 dargestellt ist, verbindet den Rekuperator mit einer Verbrennungsvorrichtung 24. Die Verbrennungsvorrichtung wird mit Brennstoff Über eine Leitung 26 aus einer nicht dargestellten Quelle gespeist. Die komprimierte Luft wircj in der Verbrennungsvorrichtung erhitzt und wird in die Turbine 14 am Turbineneinlaß 29 abgegeben. Der Auslaß aus der Turbine wird in die Leitung 30 gegeben, die das Auslaßgas Über einen Überhitzer 32 und dann · in den Rekuperator 20 fuhrt. Von dort erfolgt die Abgabe Über die Leitung! 34.

Die Kühlflüssigkeit fUr die KUhlturbine 14, in vorliegendem Falle Wasser, wird in das System durch die Hohlwelle 10 eingeführt, die die rotierender! Teile des Motors aufnimmt. Das Wasser wird durch die Welle in den Hohl- ' raum 36 innerhalb der Turbinennabe geleitet. Von den Hohlraum 36 gehen strahlenförmig eine Reihe von Kühlkanälen 38 weg, die sich von der Nabe ' in die Schaufelteile der Turbine erstrecken. Das Wasser wird durch die heißen Turbinenoberflächen erhitzt, wird zu Dampf und wird Über die Rückseite der Turbine durch den Auslaß 40 abgegeben. Dann wird es über die Leitung 42 in den Überhitzer 32 geführt. Von dem überhitzer wird es mit ί Hufe der Leitung 44 in die Verbrennungsvorrichtung gegeben, wo sie in der nachstehend beschriebenen Weise ausgenutzt wird.

709827 /020A

-Sr-

In Fig. 2 ist eine Schnittansicht durch die Verbrennungsvorrichtung 24 der Fig. 1 gezeigt. In die Verbrennungsvorrichtung wird Über die Leitung 26 Brennstoff eingespeist und in eine Vormischkammer 30 über eine Düse 28 eingeführt. Dampf aus dem Überhitzer wird in die Verbrennungsvorrichtung mit Hilfe der Leitung 44 in die Vormischkammer 30 eingeführt, wo sie mit Brennstoff gemischt wird. Das Brennstoff-Dampf-Gemisch wird dann in eine Verdampfungs- und Mischkammer 32 eingeführt, wo sie mit Luft aus dem Rekuperator gemischt wird, welche in die Verdampfungskammer Über die öffnungen 34 in der Wandung der Verbrennungsvorrichtung zusammen mit dem

in Umlauf gesetzten Gas aus der Primär-Verbrennungs- und Vergasungskammer 54 eintritt.

Primärluft aus dem Kompressor 12 wird von dem Rekuperator 20 Über die ; Leitung 22 aufgenommen und in die Verbrennungsvorrichtung eingeführt. En Teil der Luft aus der Leitung 22 tritt in eine toroidförmige Kammer 46 ein, die den Verbrennungsbereich der Verbrennungsvorrichtung umgibt. Luft aus dieser Kammer wird in die zweite Mischkammer 48 mit Hilfe von öffnungen 50 in der Wandung eingeführt. Sekundärluft tritt in die Ver- ^: brennungsvorrichtung aus der Leitung 22 Über öffnungen 52 ein, die direktj mit der Leitung 22 auf einer Seite und mit der toroidförraigen Kammer 46 auf der anderen Seite in Verbindung stehen. Das Brennstoff-Dampf- und Luftgemisch wird vergast und in der Kammer 54 gezündet, wo es in einer brennstoffreichen Atmosphäre in dieser Primärverbrennungszone verbrennt. Zwischen den beiden Verbrennungszonen ist eine Verengung 55 vorgesehen, damit ein Teil des brennstoffreichen Gemisches über die öffnung 34 in

die Mischkatnmern 32 und 48 in Umlauf gesetzt wird. Dieses in Umlaufsetzerj von Luft bei einer Temperatur von etwa 700 C unterstützt die Vergasung ', des Luft-Brennstoff-Gemisches. Dieses Gemisch wird dann in der Kammer 56 j durch Verdünnende Luft, die über die Öffnungen 52 in die Kammer eintritt, ¹ verdünnt. Eine Sekundärverbrennung tritt in der Kammer in einer mageren Luft-Brennstoff-Atmosphäre auf, die die Verringerung von nachteiligen

709827/02(H

Emissionen unterstützt.

In Figur 3 ist eine Teilschnittansicht der Einzelheiten der Turbine 14 _: dargestellt. Wasser wird durch die hoKfe Welle 10 eingeführt und tritt in die Kammer 36 in der Nabe der Turbine über öffnungen ein, die um ein ; Absperrglied 58 (plug) herum angeordnet sind. Das Wassergemisch wird durch Zentrifugalkraft in die öffnungen 38 in den Turbinenschaufeln ge- ' preßt und strömt zum äußeren Ende dieser öffnungen. Das Wasser wird in diesen öffnungen verdampft und der Dampf, der durch die gleichen öffnungen

j zurückgeführt wird, wird dann über die Leitung 40 auf der Auslaßseite der Turbine abgegeben. Die Verwendung eines Überhitzers stellt eine praktische, wahlweise Möglichkeit für den Aufbau der dargestellten Aus- ; führungsform dor. Es kann hierfür ein Wärmetauscher bekannter Art verwendet werden. Damit jedoch die hohe Abgabegastemperatur ausgehalten werden kann, muß der Wärmetauscher aus teuren Superlegierungen hergestellt sein«, Die Verwendung des Überhitzers hat zwei Vorteile. Einmal : wird die gesamte, dem Dampf innewohnende Energie in den Zyklus zurückgeführt; bei Verwendung eines herkömmlichen Wärmetauschers würde ein Teil der Energie verlorengehen, da derartige Vorrichtungen einen Wir- j kungsgrad kleiner als IQQ/S haben. Desweiteren kann der überhitzer aus gewöhnlicheren Metallen und auf diese Weise mit niedrigeren Kosten hergestellt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage handelt es sich somit um eine Hochtemperaturgasturbinenanlage, die bei einem modifizierten offenen Brayton-Zyklus unter Zugabe von Wasser oder Wasser und Methanol zum Motor für die Kühlung der Turbine betrieben wird, wobei dieses Strömungsmedium in der Verbrennungsvorrichtung weiterverarbeitet wird, um die Vergasung des Brennstoffes zu unterstützen, die Flammentemperatur der Verbrennungsvorrichtung zur günstigen Emissionskorrektur zu verringern und die spezifische Leistung des Motors durch Erhöhung des Massendurch-

709827/0204

satzes durch den Motor zu erhöhen.

709827/020/»

Claims

Patentansprüche

l.τGasturbine, gekennzeichnet durch

eine drehbar um eine Achse befestigte Welle (1O), einen Kompressor (12), der mit der Welle (10) drehbar befestigt ist, eine Turbine (14), die mit der Welle drehbar befestigt ist und die innere Kühlkanäle (38) und Kühlmitteleinlaß- und -auslaßöffnungen aufweist,

eine erste Leitungsanordnung, die mit der Einlaßöffnung in der Turbine (14) verbunden ist, um Kühlmittel in die Turbine zu leiten, eine Verbrennungsvorrichtung (24) zur Aufnahme eines Kreislaufströmungsmittels aus dem Kompressor (12) und eines Brennstoffes aus einer Brennstoffquelle,

eine zweite Leitungsanordnung, die mit dem Auslaß der Turbinenkühlkanäle (38) verbunden ist, um Kühlmittel aus der Turbine (14) in die Verbrennungsvorrichtung (24) zu leiten und sie mit dem Kreislaufströmungsmittel zu kombinieren, und

eine dritte Leitungsanordnung, in der die Verbrennungsprodukte der Verbrennungsvorrichtung (24) in die Turbine (14) geleitet werden, um Arbeit zu erzeugen. ;
2. Gasturbine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens einen ■ Wärmetauscher, der in die zweite Leitungsanordnung zwischen der Auslaßöffnung der Turbinenkanäle und den Einlaß in die Verbrennungsvorrichtung eingeschaltet ist, wobei der Wärmetauscher Wärme aus dem Auslaßgas aus der Turbine aufnimmt und die Wärme in das Kühlmittel aus der Turbine überträgt.

ORIGINAL

709827/0204
3. Gasturbine nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen zweiten Wärmetauscher, der Kreislaufströmungsmittel aus dem Kompressor aufnimmt und Wärme von dem Turbinenauslaß in das Kreislaufströmungsmittel Überträgt.
4. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenanordnung eine axiale durchgehende Öffnung aufweist, die am einen Ende die Einlaßöffnung in die Turbinenkühlkanäle und am anderen Ende die Auslaßöffnung aus den Turbinenkühlkanälen bildet.
5. Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel Wasser ist.
6. Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kuhlmittel ein Gemisch aus Wasser und Methanol ist.
7. Gasturbine «it einer Verbrennungsvorrichtung, gekennzeichnet durch eine erste Mischkammer, die mit der Brennstoffquelle und mit der zweiten Leitungsanordnung zum Mischen des Brennstoffes und des Kühlmittels verbunden ist,

eine zweite Mischkammer, die so eingeschaltet ist, daß sie den Inhalt, der ersten Mischkammer und das Kreislaufströmungsmittel aus dem Kompressor zum Verdampfen und Mischen des Brennstoffes und Kühlmittelgemisches aufnimmt,

eine erste Brennkammer zur Aufnahme des Inhalts der zweiten Mischkammer zur Vergasung und Primärverbrennung in dieser Kammer, und eine zweite Brennkammer zur Aufnahme des Inhaltes der ersten Brennkammer und zusätzlichen Kreislaufströmungsmittels aus dem Kompressor für die Sekundärverbrennung.

709827/02(U
8. Gasturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsvorrichtung ferner eine Begrenzungsvorrichtung zwischen der ersten Brennkammer und der zweiten Brennkammer aufweist, um einen Teil des Inhalts der ersten Brennkammer in die Mischkammer in Umlauf zu setzen.
9. Gasturbine, gekennzeichnet durch

einen Kompressor, der drehbar um eine Achse befestigt ist und das

Kreislaufströmungsmittel komprimiert,

eine Turbine, die drehbar um eine Achse befestigt ist und Arbeit aus dem ersten Kreislaufströmungsmittel entnimmt, die innere Kühlkanäle und eine Einlaßöffnung sowie eine Auslaßöffnung zum Hindurchleiten des Kühlmittels durch die Turbine besitzt, eine Verbrennungsvorrichtung zur Aufnahme des Kreislaufströmungsmittels aus dem Kompressor, die mit einer Brennstoffquelle verbunden ist■ und die den Inhalt in die Turbine zur Expansion durch die Turbine abgibt,

eine Wellenanordnung, die drehbar um die Achse der Turbine und des

Kompressors befestigt ist, um den Kompressor und die Turbine drehbar ,

um die Achse zu lagern, und I

eine Leitungsanordnung, die zwischen die Auslaßöffnungen der Turbinen-»· kUhlkanäle und die Verbrennungsvorrichtung eingeschaltet ist, um das '

Kühlmedium in die Verbrennungsvorrichtung zu fuhren.
10. Gasturbine mit einer Verbrennungsvorrichtung, nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch

eine erste Mischkammer, die Brennstoff aus der Brennstoffquelle und Kühlmittel aus der Turbine aufnimmt, wobei das Kühlmedium und das Strömungsmittel gemischt werden,

eine zweite Mischkammer, die so geschaltet ist, daß sie den Inhalt der ersten Kammer und einen Teil des Kreislaufströmungsmittels aus

7 0 9 S 2 7 / Ö 2 CU

dem Kompressor zur Verdampfung des Gemisches aufnimmt, eine erste Verbrennungskammer zur Aufnahme des Gemisches aus der zweiten Mischkammer, und

eine zweite Verbrennungskammer zur Aufnahme des Inhalts der ersten Verbrennungskammer und eines Teiles des Kreislaufströmungsmittels aus dem Kompressor für eine Sekundärverbrennung im Kompressor.
11. Gasturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsvorrichtung eine Begrenzungsvorrichtung zwischen der ersten Verbrennungskammer und der zweiten Verbrennungskammer aufweist, um einen Teil des Gemisches der ersten Verbrennungskammer mit den Mischkammern zur Beschleunigung der Vergasung des Gemisches in Umlauf zu setzen.
12. Gasturbine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle ehe Hohlwelle mit einer axialen, durchgehenden Öffnung ist, die an einem Ende mit der Einlaßöffnung der Turbinenkühlkanäle und am ande-, ren Ende mit der Auslaßöffnung der Turbinenkühlkanäle in Verbindung J steht.
13. Gasturbine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärme- j tauscher zwischen die Auslaßöffnung der Turbinenkühlkanäle und den ^: Einlaß der Verbrennungsvorrichtung geschaltet ist und daß der Wärmetauscher Kreislaufströmungsmittel aufnimmt, das aus cfer Turbine austritt, und Wärme von dort in das Kühlmedium aus der Turbine überträgt.
14. Gasturbine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein überhitzer ist.

709827/020A
15. Gasturbine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel Wasser ist.
16. Gasturbine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel ein Gemisch aus Wasser und Methanol ist.
17. Verbrennungsvorrichtung für eine Gasturbine mit einem Kompressor und einer ströraungsmittelgekühlten Turbine, gekennzeichnet durch eine
Vormischkammer, die mit einer Turbinenbrennstoffquelle und dem KUhI-mittelauslaß aus der Turbine verbunden ist,

eine erste Mischkammer zum Mischen und Verdampfen des Brennstoffs
und Kuhlmittelgemisches aus der Vormischkammer,
eine zweite Mischkammer, die antriebsmäßig der ersten Mischkammer
zugeordnet ist und den Inhalt zum Mischen des Inhalts der ersten
Mischkammer mit einem Teil des Kreislaufströmungsmittels aus dem
Kompressor aufnimmt, ■

eine erste Verbrennungskammer, die mit der zweiten Mischkammer ver- j bunden ist und den Inhalt zur Vergasung und Primärverbrennung des , Inhalts der Mischkammer aufnimmt, und j

eine zweite Verbrennungskammer, die wirkungsmäßig der ersten Ver- ' brennungskammer zugeordnet ist, und ihren Inhalt zusammen mit dem I Übrigen Teil des Kreislaufströmungsmittels aus dem Kompressor fUr ι

die Sekundärverbrennung aufnimmt. j
18. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Begrenzungsvorrichtung zwischen der ersten und der zweiten Verbrennungskammer zum Zirkulieren eines Teiles des Gemisches in der ersten Verbrennungskammer zur ersten Mischkammer.

709827/020Ä
19. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine mit wenigstens einem Kompressor und einer Turbine, die mit einer Welle drehbar befestigt ist, sowie mit einer Verbrennungsvorrichtung zum Aufheizen des Turbinenkreislaufströmungsmittels, dadurch gekennzeichnet, daß das Zyklusströmungsmittel der Turbine im Kompressor komprimiert wird, daß Kühlmittelkanäle innerhalb der Turbinenschaufeln vorgesehen werden, daß Kühlmittel in die Kühlkanäle in der Turbine injiziert wird, daß das Kühlmittel aus der Turbine in die Verbrennungsvorrichtung geleitet wird, daß das Kühlmittel aus dem Kreislaufströmungsmittel aus dsm Kompressor und dem Brennstoff gemischt wird, daß das Verbrennungsgemisch vergast wird, und daß die Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungsvorrichtung durch die Turbine expandiert werden, um Arbeit daraus zu entnehmen.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel zwischen Turbine und Verbrennungsvorrichtung beheizt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Kreislauf strömungsmittel zwischen dem Kompressor und der Verbrennungsvorrichtung beheizt wird.

709827/0204