DE2809407A1

DE2809407A1 - Gasturbine

Info

Publication number: DE2809407A1
Application number: DE19782809407
Authority: DE
Inventors: Bernard Edvard Enga; Allin Pratt
Original assignee: Johnson Matthey PLC
Current assignee: Johnson Matthey PLC
Priority date: 1977-03-04
Filing date: 1978-03-04
Publication date: 1978-09-07
Also published as: SE7802205L; CA1107517A; FR2382584A1; JPS53131314A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen und auf verbesserte Verfahren des Betriebs von Gasturbinen, bei denen eine katalytische Oxidation eines größeren Teiles des Kraftstoffes stattfindet, um eine beträchtliche Verringerung der Menge der in den Abgasen vorhandenen Verschmutzungsstoffe zu bewirken.

Gegenwärtig ist es ungewöhnlich, daß eine Gasturbine eine katalytische Verbrennung sogar nur für einen Teil des zugeführten Kraftstoffes verwendet. Die größte Schwierigkeit, die bei der Konstruktion von Gasturbinen entsteht, die eine katalytische Verbrennung verwenden, ist der sehr hohe Durchsatz von Luft oder Sauerstoff und verwendetem Treibstoff. Das Volumen des Katalysators, das benötigt wird, um eine wirkungsvolle Oberflächenreaktion eines größeren Teiles der verbrennenden Gase sicherzustellen, ist in bezug auf die gegenwärtig verwendeten Turbinenausführungen nicht verwirklichbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasturbine herzustellen, bei der ein größerer Teil des Kraftstoffes einer katalytischen Verbrennung innerhalb der Brennkammer unterzogen wird,

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die ein Volumen besitzt, das dem gegenwärtig bekannter Turbinen gleicht.

Die Aufgabe wird durch eine Gasturbine gelöst, die einen katalytischen Brenner besitzt, der mit einem thermisch stabilen und oxidationsresistenten metallischen Monolithen versehen ist, der eine Vielzahl von Strömungsbahnen und Kanälen besitzt, in denen die katalytische Verbrennung der brennbaren Gase und des eingespritzten Kraftstoffes stattfindet, wobei die Bahnen oder Kanäle einen Druckabfall der Gas/Treibstoff-Mischung von nicht mehr als 10 % bewirken.

Insbesondere und gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein von einer Gasturbine angetriebener Motor folgende Teile:

a) eine Verdichterturbine, die heiße, verdichtete Luft zu der Brennkammer fördert;

b) hinter dem Lufteinlaß der Verdichterturbine Mittel für die Abzweigung und Führung eines größeren Teiles des Luftstromes im Bypaß;

c) einen Zündbrenner, der Kraftstoff von einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung erhält;

d) eine Kammer fi'r die Vereinigung des mit dem Zündbrenner (c) erhitzten Gasstromes mit der heißen verdichteten Bypaß-Luft, die im Teil (b) abgezweigt wurde;

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P. 0 9 8 3 6 / 0 8 B S

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e) eine Einspritzvorrichtung, die zumindest einen größeren Teil des restlichen Kraftstoffes in die aus der Kammer (d) austretenden heißen Gase einspritzt;

f) einen katalytischen Brenner, der einen temperatur- und oxidationsresistenten metallischen Monolithen umfaßt, wobei der metallische Monolith katalytische Kanäle besitzt, die mit den verbrennenden und aus im Teil (e) eingespritzten Kraftstoff sich ergebenden Gasen so in Berührung kommen und von ihnen durchströmt werden, daß die katalytische Verbrennung eines wesentlichen Teiles des nicht verbrannten Kraftstoffes stattfindet, der Druckabfall aber nicht größer als 10 % ist;

g) eine dem katalytischen Brenner folgende Reaktionskammer, in der sich die Verbrennung fortsetzt und

h) eine Gaserzeugerturbine, die mechanisch mit der Verdichterturbine (a) verbunden ist und wahlweise eine Leistungsturbine, wobei beide Turbinen durch Ausdehnung der von dem Motor erzeugten heißen verbrennenden Gase angetrieben werden und dadurch Wellen- und Schubleistung erzeugen.

Die Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Erzeugung von Leistung durch die Verbrennung von Treibstoff in einem Motor gemäß der Erfindung. Sie umfaßt weiterhin Leistung, wenn diese durch einen Motor gemäß der Erfindung erzeugt wird.

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Im Teil (a) befindet sich die Temperatur der die Verdichterturbine verlassenden Luft vorzugsweise in einem Bereich von 25° bis 600° C und besitzt einen Druck innerhalb eines Bereiches von 1 bis 20 Atmosphären. In Teil (b) werden ungefähr 60 % der verdichteten Luft abgezweigt. Die abgezweigte Luftmenge liegt in einem Bereich von 10 bis 80 Volumenprozent.

In Teil (c) verbrennt der Zündbrenner bis zu ungefähr 5 Gew.% des gesamten Kraftstoffverbrauchs des Motors unter voller Last. Der Kraftstoffanteil, der von dem Zündbrenner während des normalen Laufes verbraucht wird, kann von O.1 Gew.% bis zu 50 oder 66 2/3 Gew.% betragen. Die Kraftstoffeinsprxtzung für den Zündbrenner (c) kann die Kraftstoffmenge regeln und wird insbesondere eingestellt, um eine Temperatur innerhalb eines bevorzugten Bereiches in der Kammer (d) zu erzeugen. Ein typischer bevorzugter Temperaturbereich in der Kammer (d) beträgt 200° C bis 500° C. Der Zündbrenner (c) ist normalerweise für die Verbrennung eines Kraftstoff-Luftgemisches im Bereich von ungefähr stöichiometrisch bis zu fett eingestellt. Er verwendet die restliche verdichtete Luft, die nicht bei Stufe (b) abgezweigt wurde.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden vier getrennte Kraftstoffeinspritzvorrichtungen im Zündbrennerteil

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(c) verwendet, die voneinander in Winkeln von 90° auf der vertikalen Ebene in Fig. 2 bei Position I₁ entfernt angeordnet sind. Ebenso kann anstelle der einzelnen Einspritzvorrichtung bei I- in Fig. 2 eine Anordnung aus mehreren Einspritzvorrichtungen verwendet werden.

In Teil (g), der vorzugsweise einen nachbrenner (bluff body) enthält, setzt sich die bei Berührung mit dem metallischen Monolithen des Teiles (b) begonnene Verbrennung fort und beginnt auch die Verbrennung des gesamten Restes des nicht verbrannten Treibstoffes.

Vorzugsweise wird der metallische Monolith in Teil (f) aus einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Ru, Th, Pd, Ir und Pt gebildet. Es können jedoch auch unedle Metalle oder Legierungen aus unedlen Metallen verwendet werden, die ebenfalls einen Metallbestandteil aus der Platingruppe enthalten.

Die Wände des metallischen Monolithen besitzten vorzugsweise eine Stärke innerhalb des Bereiches von 2 χ 2.54 bis 4 χ 2.54 Tausendstelzentimeter. Die bevorzugten Eigenschaften des metallischen Monolithen, auf dem ein Katalysator abgelagert wird, bestehen darin, daß er dem Durchströmen der Gase geringen Widerstand bietet, da er

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(1.) ein hohes Verhältnis von offener Fläche zu geschlossener Fläche besitzt, und (2.) ein hohes Oberflächen/Volumen-Verhältnis besitzt.

Ein typischer keramischer Monolith mit 200 Zellen pro 6.45 cm² besitzt Wände, die 0.008 χ 2.54 bis 0.011 χ 2.54 cm stark sind, eine 71-prozentige offene Fläche und einen 15-prozentigen Druckabfall. Ein typischer erfindungsge-

mäßer metallischer Monolith mit 400 Zellen pro 6.45 cm besitzt 0.002 χ 2.54 cm starke Wände, eine offene Fläche von 91 bis 92 % und einen 4-prozentigen Druckabfall.

2 Ein metallischer Monolith mit 200 Zellen pro 6.45 cm besitzt immer noch eine offene Fläche von 95 % und einen Druckabfall von 4 % oder weniger.

Für die Verwendung bei der Herstellung eines metallischen Monolithen geeignete Metalle der Platingruppe sind Platin,, 10 % Rhodium-Platin und Metalle und Legierungen der Platingruppe, die durch Ausscheidung verfestigt wurden, wie in den britischen Patentschriften Nr. 1 280 815 und 1 340 076 und den U.S. Patentschriften Nr. 3 689 987, 3 696 502 und 3 709 667 dargelegt wurde»

Für die Verwendung geeignet sind unedle Metalle, die starken Oxidierungen widerstehen. Beispiele solcher Legie-

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rungen aus unedlen Metallen sind Nickel und Chromlegierungen, die einen Gesamtgehalt an Ni plus Cr besitzen, der größer als 20 Gew.% ist und Eisenlegierungen, die mindestens eines der Elemente Chrom (3-40 Gew.%), Aluminium (1 Gew.%), Kobalt (eine Spur bis 5 Gew.%), Nickel (eine Spur bis 72 Gew.%) und Kohlenstoff (eine Spur bis 0.5 Gew.%) enthalten. Diese Substrate werden in der DT-OS 2 450 664 beschrieben.

Andere Beispiele von Legierungen aus unedlen Metallen, die den erforderlichen harten Bedingungen widerstehen können, sind Eisen-Aluminium-Chrom-Legierungen, die auch Yttrium enthalten können. Letztere Legierungen können O.5 bis 12 Gew.% Al, 0.1 bis 3.0 Gew.% Y, 0 bis 2O Gew.% Cr und den Rest Fe enthalten. Diese Legierungen werden in der U.S.-PS 3 298 826 beschrieben. Ein weiterer Bereich von Fe-Cr-Al-Y Legierungen enthält 0.5-4 Gew.% Al, 0.5 bis 3.0 Gew.% Y, 20.0 bis 95.0 Gew.% Cr und den Rest Fe. Diese Legierungen werden in der U.S.-PS 3 027 252 beschrieben.

Legierungen aus unedlen Metallen, die auch einen Bestandteil eines Metalles aus der Platingruppe enthalten, sind als katalytischer metallischer Monolith bei sehr starken Oxidierungsbedingungen verwendbar, so z.B. bei der Katalyse

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der Verbrennung in Gasturbinenmotoren. Derartige Legierungen werden in dar DT-OS 2 530 245 beschrieben und enthalten mindestens 40 Gew.% l-Ii oder mindestens 40 Gew.% Co, eine Spur bis zu 30 Gew.% Cr und eine Spur bis zu 15 Gew.% eines oder mehrerer der Metalle Pt, Pd, Rh, Ir, Os und Ru. Die Legierungen lcönnen auch von einer Spur bis zu der angegebenen Prozentzahl eines oder mehrerer der folgenden Elemente enthalten:

	Gewichtsprozent	- 16
Co	25
Ti	6
Al	7
W	20
MO	20
Hf	2
Mn	2
Si	1.5
V	2.0
Nb	5
B	0.15
C	0.05
Ta	10
Zr	3
Fe	20
Th und seltene Erdmetalle	3
oder Oxide
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Wo das metallische Substrat entweder im wesentlichen oder nur aus einem Metall der Platingruppe besteht, kann es die Form eines geflochtenen Drahtgewebes oder -geflechtes oder eines gewellten Bleches oder Folie besitzen. Wo das metallische Substrat im wesentlichen aus einem unedlen Metall besteht, besitzt es vorzugsweise die Form eines gewellten Bleches oder einer Folie. Diese Arten von Monolithen aus unedlen Metallen werden ebenfalls in der DT-OS 2 450 664 beschrieben und können in erfindungsgemäßen Turbinen verwendet werden. Auf derartige Monolithe aus unedlen Metallen können eine erste Schicht, die einen Sauerstoff enthaltenden überzug enthält, und eine zweite und katalytische Schicht abgelagert werden. Der Sauerstoff enthaltende überzug ist normalerweise als Oxid vorhanden, das aus der Gruppe von Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Titaniumoxid, Zirkonoxid, Hafniumoxid, Thoriumoxid, Berylliumoxid, Magnesiumoxid, Kalziumoxid, Strontiumoxid, Bariumoxid, Chromoxid, Borocid, Scandiumoxid, Yttriumoxid und Oxiden der Lanthaniden ausgewählt wurde. Wahlweise ist der Sauerstoff in der ersten Schicht als ein Sauerstoff enthaltendes Anion vorhanden, das aus der Gruppe gewählt wurde, die Chromat, Phosphat, Silikat und Nitrat umfaßt. Die zweite katalytische Schicht kann beispielsweise aus einem Metall aus der Gruppe, die Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, Au, Ag umfaßt, einer mindestens eines der besagten Metalle enthaltenden Legierung und

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Legierungen, die mindestens eines der besagten Metalle und ein unedles Metall enthalten, bestehen. Die ersten und zweiten Schichten können durch Niederschlag oder auf andere Weise auf den Monolith aufgebracht werden, wie es in der DT-OS 2 450 664 beschrieben ist.

Alternative katylytische Monolithe für die Verwendung in Teil (f) sind in der britischen Patentanmeldung Nr. 51219/76 vom 8. Dezember 1976 beschrieben.

In der britischen Patentanmeldung Nr. 51219/76 wird ein Katalysator beschrieben, der ein metallisches Substrat umfaßt, auf dem ein Oberflächenüberzug aus einem oder mehreren intermetallischen Verbindungen der allgemeinen Formel AB aufgebracht ist, bei der A aus der Gruppe Ru, Rh, Pd, Ir und Pt und B aus der Gruppe Al, Sc, Y, den Lanthaniden, Ti, Zr, Hf, V„ Nb und Ta ausgewäht ist und χ und y ganze Zahlen ab 1 sind.

In der britischen Patentanmeldung Nr₀ 51219/76 hat der Oberflächenüberzug der intermetallischen Verbindung vorzugsweise die Form eines dünnen Films, dessen Stärke zwischen 2 und 15 Mikron beträgt.

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Viele Verbindungen des Typs AB sind miteinander mischbar und Strukturen, bei denen die Oberflächenüberzüge, die auf das metallische Substrat aufgebracht werden, mehr als sine Verbindung des Typs AB umfassen, befinden sich im Schutzbereich dieser Erfindung.

Wenn die intermetallische Verbindung in der Form eines nicht mehr als 15 Mikron starken Überzuges auf die Oberfläche eines metallischen Substrates aufgebracht wird, ist keine übermäßige Sprödigkeit vorhanden und das überzogene Substrat kann normal behandelt werden.

Eine Anzahl von verschiedenen Verfahren kann zur Herstellung eines Überzuges in Form eines dünnen Films aus einer intermetallischen Verbindung auf der Oberfläche des metallischen Metallmonolithen verwendet v/erden. So kann z.3. Aluminium auf die Oberfläche von Rhodium- Platingeweben mittels eines Packungsverfahrens (pack-aluminising process) aufgebracht werden. Bei diesem Verfahren werden die Gewebe in einem hitzebeständigen Behälter in eine Mischung von Chemikalien gepackt, so daß Aluminium über die Dampfphase auf die Gewebeoberfläche aufgetragen wird. Bei der Aluminierungstemperatur, typischerweise bei 800 - 900 C, tritt die Wechselwirkung zwischen dem Platin und dem Aluminium auf und erzeugt die benötigte intermetallische Verbindung.

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Alternativ kann eine chemische Dampfablagerung von ZrCl. verwendet werden, um eine Schicht aus Pt-Zr zu bilden, oder es kann eine galvanische Metallabscheidung entweder von einer wässrigen oder geschmolzenen Salzelektrolyse verwendet werden, um die benötigte Verbindung zu erzeugen.

Unabhängig von dem verwendeten Verfahren ist das Ziel, eine Schicht einer fest haftenden, intermetallischen Verbindung auf den Drähten des Gewebes oder einem anderen Substrat zu bilden.

Bei einem anderen Verfahren werden die die intermetallische Verbindung bildenden Metalle als geeignete Lösung in Wasser oder als organisches Lösungsmittel gebildet. Durch Hinzufügen eines Reduktionsmittels wird die Verbindung gezwungen, sich auf das metallische Substrat oder Gewebe niederzuschlagen.

Das metallische Substrat wird in die Lösung gebracht, während der Niederschlag stattfindet und wird mit einer gleichmäßigen, mikrokristallinischen Schicht der intermetallischen Verbindung überzogen.

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Vorzugsweise enthält die Reaktionskammer (g) einen Nachbrenner, der die Stabilisierung der in dem katalytischen Brennerteil (f) begonnenen Gasphasenreaktion bewirkt.

Geeignete Nachbrenner werden aus demselben Stoff wie der temperaturstabile und oxidationsfeste metallische Monolith des Teiles (f) hergestellt. Die Zusammensetzung derartiger Legierungen wird ausführlich und vollständig oben beschrieben. Beispiele von Legierungen, die brauchbar sind, sind Inconel 600 und 601. Die Nimonic Legierungen, Incoloy 800 und die Nichrome Legierungen (eingetragene Warenzeichen), nichtrostende Stähle und Metalle der Platingruppe können ebenfalls verwendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben, die einen schematischen Querschnitt eines bevorzugten Ausführungsbeispieles zeigt, das wahlweise ein verstellbares Schaufel-Flüssigkeits-(Luft-) Steuersystem besitzt. Eine Anzahl von verschiedenen Motorformen kann verwendet werden, so z.B. die in Fig. dargestellte. In Fig. 2 wird ein Flüssigkeitsfluss-Steuersystem gezeigt, bei dem keine verstellbaren Schaufeln verwendet werden.

In Fig. 1 erzeugt eine Verdichterturbine (nicht gezeigt) heiße verdichtete Zuluft, die durch den Pfeil F dargestellt wird und sich in die von ihm gezeigte Richtung bewegt.

l.V.il ¹⁴² 809836/0885 - 21 -

Teil (b) kann, wie oben beschrieben, ein verstellbares Schaufelsystem zur Steuerung des Flusses von P (Luft vor dem Brenner) F„ (Dilutions- oder Kernluft vor dem Brenner) und F- (Bypaß-Luft) einschließen. Aus Fig. 1 geht hervor, daß der Fluß F₁ zu einer Einspritzvorrichtung I₁ vor dem Brenner und der Zündvorrichtung L gerichtet ist, während die Luftströme F_ und F_ an I₁ und L. vorbeigehen. Während des Anlaufens sind F₂ und F-. ziemlich niedrig und fast die gesamte eintretende heiße Verdichterzuluft F geht an der vor dem Brenner befindlichen Einspritzvorrichtung I₁ und der Zündvorrichtung L₁ vorbei. Bei der Zündung können die Ströme F_ und/oder die Treibstoffeinspritzvorrichtung I so eingestellt werden, daß sie Temperaturen des Stromes F. (d.h. F₁ - F₂) erzeugen, die für die Zündung des Hauptbrenners durch Zündung von I₂ und demzufolge für eine optimale Leistung geeignet sind. Wenn diese Bedingungen erreicht sind, kann der Kauptbrenner in Teil (e) gestartet werden und der Strom F„ ungehindert fließen. Bei diesen Bedingungen wird ein Strom F_g (der durch die verstellbaren Schaufeln V_ gesteuert wird) zugelassen und die durch die Haupteinspritzvorrichtung I~ eingespritzte Kraftstoffmenge so eingestellt, daß die Zufuhr F_g zur Nutzturbine die für eine optimale Leistung erforderliche Gastemperatur besitzt. Der Anlaufvorgang erreicht normalerweise den Zündungspunkt

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vor der Beendigung des "Motoranlassens", die Geschwindigkeit für einen selbstständigen Lauf ist jedoch noch nicht erreicht und das "Motoranlassen" kann bis zu dieser Geschwindigkeit fortgesetzt werden. Der Strom F_ schafft die gegebenenfalls erforderliche Kontaktluft für die Kühlung der Wand und der Schaufeln.

Erhitztes Gas von der Kernströmung vor dem Brenner (Zündbrenner) wird mit Luft in der Kammer (d), wie oben beschrieben, gemischt und bei ausreichender Temperatur dem katalytischen Hauptbrenner (f) zugeführt, wo es sich mit Kraftstoff von der Einspritzvorrichtung I~ (e) vermischt und über den Katalysator-Monolith C fließt. Der Katalysator C verbrennt einen Teil oder den gesamten Kraftstoff und ein etwaiger Rest wird durch freie radikale Reaktion unmittelbar hinter dem Katalysator verbrannt. Eine weitere Verdünnung ist möglich, indem Luft von dem Strom F₃, falls erforderlich, eingeführt wird. Weiterhin schafft ein grosser Strom F_ß, der durch eine Nachbrennerzündvorrichtung I, gezündet wird, gegebenenfalls Leistung für besondere Bedarfsfälle.

Durch Steuerung der Kraftstoffeinspritzung und durch aufeinanderfolgende Betätigung der Zünder I₁ und I„ wird gedrosselt.

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Ein verstellbares Schaufelsysteiti ist nicht wesentlich und in Fig. 2 (in der dieselben Bezugssymbole verwendet sind) ist eine alternative Anordnung abgebildet, bei der die Teilung des Luftstromes durch eine geometrische Strömung ssteuerung erzielt wird. T stellt eine Temperatursonde dar, die über einen Rückführungskreis mit der Steuerungseinsnrätzvorrichtung I₁ verbunden ist. In Fig. 1 und 2 wird durch das Bezugszeichen B ein wahlweise vorhandener Nachbrenner dargestellt.

Beispiel

Es wurde eine einkreisige Rover/Lucas Turbine mit 60 Brems P.S. auf einem Heenan und Froude Dynamometer Typ G geprüft. Die folgende analytische Ausrüstung wurde verwendet:

Gas Detektorver f ahren

CO, CO₂ Nicht-dispersives Infrarot

(Analytical Development Ltd.)

HC Flammen-Ionisations-Detektor (IPM)

NO Luminox 201 (BOC)

Ο» Servomex.

Für die Temperaturmessung wurden Chrome1-Alumel Thermoelemente, die mit einem MBM Hochgeschwindigkeits-Meßwert-

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erfasser und einer Lochvorrichtung verbunden waren, verwendet. Der Kraftstoffverbrauch wurde mittels gravimetrischer Systeme und der Luftverbrauch mittels einer Venturierohrmeßvorrichtung bestimmt. Im Handel erhältlicher Dieselkraftstoff (DERV= diesel engined road vehicle) wurde verwendet.

Der Motor lief zuerst mit dem herkömmlichen Flammenbrenner zur Bestimmung der normalen Parameter. Die Ergebnisse befinden sich in Tabelle 1. Die bei diesen Läufen erhaltenen Analysen des Auspuffgases befinden sich in Tabelle 2. Auf der Grundlage der Leerlauf- und Nachbrennerleistungseinstellung wurde der Emissionsindex für jedes Gas errechnet. Diese Werte befinden sich in Tabelle 3.

Dann wurde der herkömmliche Brenner durch das oben beschriebene katalytische System ersetzt, das schematisch in Fig. dargestellt ist. Unter denselben Bedingungen wie bei dem Flammenbrenner wurde ein Leerlauftest vorgenommen. In Tabelle 4 befindet sich die Auspuffanalyse für den katalytischen Brenner zusammen mit Zahlen des Emissionsindex.

Während dieses Katalysatortests wurde festgestellt, daß das Kraftstoffeinspritzsystem dem Katalysator ein zu

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fettes Gemisch zuführte. Trotzdem liegt der Emissionsindex beträchtlich unter dem des Flammenbrennermotors.

Der verwendete Katalysator war ein Fecralloy-Substrat (eingetragenes Warenzeichen), ein metallisches mono-

lithisch.es Substrat mit 400 Zellen pro 6.45 cm und einer Wandstärke von 0.002 χ 2.54 cm. Das verwendete Überzugssubstrat bestand aus fünf Teilen Kaiser "SAM" Aluminiumoxid auf einem Teil Barium-stabilisierten "Sol-Gel" Aluminiumoxid (UKAEA) bei einer Ladung von 1 g

2
pro 16,38 cm des Monolithen. Auf dem überzug wurde mittels bekannter Verfahren bei einer Ladung von 150 g pro 0.027 cm (1 Kubikfuß) des Überzugssubstrates Platin aufgebracht.

Ein Kanthai D (eingetragenes Warenzeichen) metallisches monolithisches Substrat, das ebenfalls eine Wandstärke von 0.002 χ 25,4 mm besitzt, kann das Fecralloy-Substrat in diesem Test ersetzen.

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Tabelle 1

Werte einer mit einem herkömmlichen Flammenbrenner
laufenden Gasturbine

Testbedingungen +) 12 3 4 5

Bremslast (relativ) 10 40 70 95.2 10

Zeit für den Verbrauch

von 21 Kraftstoff (Sek.) 230 201 167 145 230 Druck auf der Spitze des

Schaufelrades (pounds per

square inch) 3.4 3.6 3.7 3.8

Verdichteraustrittsdruck
(pounds per square inch) 26 26.6 27.9 28.1 26

Verdichteraustrittsdruck
(pounds per square inch) 41 41.6 42.9 43.1 41 Brennerrückdruck (cm Hg) 15.5 15.7 14.4 14.0 15.7 Abgasdruck (cm H₂O) 5.3 3.2 2.0 -2.3

Luft (Venturi-Entspannung

cm H„0) 24.6 22.1 22.0 20.5 24.5

Lufttemperatur (⁰F) 68 68 68 68 68

Düsentemperatur (⁰C) 385 453 535 594 378

+) 1 = dauernder Leerlauf; 2 = mittlere Leistung,
3 = untere Leistung; 4 = Notleistung;
5 = Leerlauf

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³*³·⁷⁸ 809836/Q885

Tabelle 2 Abgasanalyse

Test	Nr.	U	Nr.	per millions	Tabelle	3	in	1	1	2	1	P 1 78	Abgasanalyse	ppm	03	1	3	.7	4	5	.5	1	(g/kg Kraftstoff)
HC parts	H		η si	indices		.4	350	180		30				50	.7	140	360	.1	1
No	Il		Ii Il		53	.5	13	22		1				33		44	17	.1
NO_x	%		Il It		1	.3	22	24		1				42		58	18	.5
CO					2	.0	1450	150		150	%			97		112	1560
CO₂					50	4	2.;	5 3		4			3	26	4.	.5 2.4
O₂ %				1	Tabelle	18	17. ί		17	50 983?		16	82	15.	.7 18.2
		Abgas				g/kg Kraftstoff	! 42				72
							24
Test					4
HC					2.
NO					2.
NO					3.
CO					6.
		Abgasanalyse und Emissionswerte des	5/
				katalytischen Brenners
	HC			Emissionswert
	NO
	NO_x
	CO
	^C02
	°2
	J 21








4
0
0
15

Le

eerse i t e

Claims

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Anmelder; JOHNSON, MATTHEY & CO., LIMITED,

43 Hatton Garden, London, ECIN 8EE, England

Titel: Gasturbine
Patentansprüche

0) Gasturbine, gekennzeichnet durch einen katalytischen Brenner, der mit einem thermisch stabilen und oxydationsresistenten metallischen Monolithen versehen ist, der eine Vielzahl von Durchflußbahnen oder Kanälen besitzt, in denen die katalytische Verbrennung der brennbaren Gase und des eingespritzten Kraftstoffes stattfindet, wobei die Bahnen oder Kanäle einen Druckabfall der Gas/Kraftstoffmischung von nicht mehr als 10 % bewirken.
2. Gasturbine, gekennzeichnet durch die folgenden Bestandteile:

a) eine Verdichterturbine, die heiße, verdichtete Luft zu der Brennkammer fördert;

b) hinter dem Eingang der verdichteten Luft von der Verdichterturbine Mittel für die Aufspaltung des Luftstromes in einen Mantelstrom und einen Kernstromj

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c) einen Zündbrenner, der Kraftstoff von einer Kraftstoff einspritzvorrichtung erhält;

d) eine Kammer für die Vereinigung des von dem Zündbrenner c) kommenden heißen Gases mit einem Teil der heißen verdichteten Luft, die im Bestandteil abgespalten wurde;

e) eine Einspritzvorrichtung, die zumindest einen größeren Teil das restlichen Kraftstoffes in die von der Kammer (d) fließenden heißen Gase einspritzt;

f) einen katalytischen Brenner, der einen temperatur- und oxydationsresistenten metallischen Monolithen umfaßt, wobei der metallische Monolith katalytische Kanäle besitzt, die mit den verbrennenden und mit dem eingespritzten Treibstoff im Bestandteil (e) verbundenen Gasen so in Berührung kommen und sie durchfließen lassen, daß die katalytische Verbrennung eines wesentlichen Teiles des nicht verbrannten Treibstoffes stattfindet, bei der aber ein Druckabfall von nicht mehr als 10 % erzeugt wird;

g) eine dem katalytischen Brenner folgende Reaktionskammer , in der sich die Verbrennung fortsetzt und

h) eine Gaserzeugerturbine, die auf mechanisch feste Weise mit der Verdichterturbine (a) zusammenwirkt und wahlweise eine Leistungsabgabeturbine, die durch die Ausdehnung der von dem Motor erzeugten

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heißen verbrennenden Gase angetrieben werden und dadurch Wellen- und Schubkraft erzeugen.

3. Gasturbine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Monolith des Bestandteiles (f) aus einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe, die Ru, Rh, Pd, Ir und Pt umfaßt, gebildet wird und daß jedoch auch unedle Metalle oder Legierungen aus unedlen Metallen verwendet werden können, die ebenfalls einen Bestandteil aus der Platinmetallgruppe enthalten.

4. Gasturbine gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Monolith aus einer Legierung von 10 % Thodiuia/Platin hergestellt ist.

5. Gasturbine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Monolith aus einer Nickel/Chrom-Legierung hergestellt ist, die einen Gesamtgehalt an Ni und Cr besitzt, der größer als 20 Gew.% ist.

6. Gasturbine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Monolith aus einer Eisenlegierung hergestellt ist, die mindestens eines der Elemente Chrom (3 bis 40 Gew.%), Aluminium (1 bis 10 Gew.%),

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Kobalt (eine Spur bis 5 Gew.%), Nickel (eine Spur bis 72 Gew.% und Kohlenstoff (eine Spur bis 0.5 Gew.%) enthält.

7. Gasturbine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Monolith aus einer Legierung hergestellt ist, die 0.5 bis 12 Gew.% Al, 0.1 bis 3.0 Gew.% Y, 0 bis 20 Gew.% Cr und den Rest Fe enthält.

8. Gasturbine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Monolith aus einer Legierung aus 0.5 bis 4 Gew.% Al, 0.5 bis 3.0 Gew.% Y, 2O.O bis 95.0 Gew.% Cr und den Rest Fe enthält.

9. Gasturbine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Monolith aus einer Legierung hergestellt ist, die mindestens 40 Gew.% Ni oder mindestens 40 Gew.% Co, eine Spur bis zu 30 Gew.% Cr und eine Spur bis zu 15 Gew.% eines oder mehrerer der Metalle Pt, Pd, Rh, Ir, Os und Ru enthält.

10. Gasturbine gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie von einer Spur bis zu der folgenden Prozentzahl eines oder mehrerer der folgenden Elemente enthält:

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_ C

2809407 Gewichtsprozent Co 25 Ti 6 Al 7 W 20 Mo 20 Hf 2 Mn 2 Si 1 .5 V 2.0 Nb 5 B 0.15 C 0.05 Ta 10 Zr 3 Fe 20 Th und seltene Erdmetalle 3 oder Oxide

11. Gasturbine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Monolith die Form eines gewobenen Drahtgewebes, Drahtgeflechtes oder gewellten Bleches oder Folie besitzt.

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12. Gasturbine gemäß einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Monolith eine erste Schicht eines Sauerstoff enthaltenenden Stoffes und eine zweite katalytische Schicht enthält.

13. Gasturbine gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht ein Oxid aus der Gruppe ist, die aus Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Titaniumoxid, Zirkonoxid, Hafniumoxid, Thoriumoxid, Berylliumoxid Magnesiumoxid, Kalziumoxid, Strontiumoxid, Bariumoxid, Chromoxid, Boroxid, Scandiumoxid, Yttriumoxid und Oxiden der Lanthaniden besteht.

14. Gasturbine gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht ein Sauerstoff enthaltendes Anion aus der Gruppe Chromat, Phosphat, Silikat und Nitrat ist.

15. Gasturbine gemäß Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite katalytische Schicht durch ein Metall aus der Gruppe Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, Au, Ag, eine Legierung, die mindestens eines der besagten Metalle und Legierungen, die mindestens eines der besagten Metalle und ein unedles Metall enthalten, gebildet wird.

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16. Gasturbine gemäß Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite katalytische Schicht eine oder mehrere intermetallische Verbindungen der allgemeinen Formel A B umfaßt, wobei A aus der Gruppe aus Ru, Rh, Pd, Ir und Pt und B aus der Gruppe aus Al, Se, Y, den Lanthaniden, Ti, Zr, Hf, V, Nb und Ta gewählt ist und χ und y ganze Zahlen ab 1 sein können.

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