DE2953515A1 - Gas turbine power system with fuel injection and combustion catalyst - Google Patents

Description

Leistungserzeugungs-System mit einer Gasturbine
mit Kraftstoffeinspritzung und Verbrennungs-Katalysator

Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungserzeugungs-System mit einer Gasturbine; insbesondere mit einer Gasturbine, in der ein Verbrennungsvorgang stattfindet.

Zur Zeit werden konventionelle Gasturbinen für die Erzeugung von elektrischer Energie verwendet, weil derartige Turbinen einfach sind, wenig Kosten verursachen und rasch in Betrieb gesetzt werden können. Trotzdem sind die Kraftstoff-Wirkungsgrade niedrig etwa 25 % gegenüber 35 % für Alternativen, welche Dampfsysteme verwenden - und bei den momentan hohen Preisen von Kraftstoff haben Gasturbinen deshalb keine Anwendung gefunden ausser für kurze Spitzenbelastungen, bei denen der Wirkungsgrad kein entscheidender Faktor ist. Turbinen erfordern ausserdem verhältnismässig sauberen Kraftstoff, der zu niedrigen Kosten nicht mehr langer in der Form von,natürlichem Gas erhältlich ist. Trotzdem werden Gasturbinen in grosser Zahl angewendet, um die Nachfrage nach elektrischer Energie während Spitzenzeiten zu befriedigen, wie z.B. für mehrere Stunden während des Abends. Wenn der Wirkungsgrad nachhaltig verbessert werden könnte, wären Turbinen auch als Basis-Energielieferant attraktiv, d.h. für Dauer-Betrieb.

Ol -X-

04 Der Turbinen-Wirkungsgrad kann durch Erhöhen der maximalen Be-

05 triebstemperatur verbessert werden, auch wenn dadurch die AnIa-

06 gekosten bedingt durch die erforderlichen speziellen Konstruk-

07 tionsmaterial ien steil ansteigen. Zur Zeit werden Eingangstem-

08 peraturen von 2000O bis 2200° F (Fahrenheit) bei Gasturbinen

09 verwendet, wobei in der Zukunft die Steigerung der Temperatur

10 bis vielleicht 3000O ρ innerhalb der nächsten ein oder zwei

11 Dekaden erwartet wird. Normalerweise wird von einer Brennkammer,

12 die Kraftstoff mit Luft verbrennt, heisses Gas in die Turbine

13 geleitet, dessen maximal zulässige Temperatur durch die mechani-

14 sehen Eigenschaften der Konstruktion begrenzt ist. Die Brenn-

15 kammer steht dabei unter erhöhtem Druck und arbeitet in der

16 Regel mit sauberem Gas oder flüssigem Kraftstoff. Sowohl Tempe-

17 ratur als auch Druck des Gases sinken während der Expansion in

18 der Turbine wesentlich, was hauptsächlich vom Verhältnis zwi-

19 sehen Eingangs- und Ausgangsdruck abhängt, so dass die Abgase

20 z.B. lOOOO F haben können. Die Restwärme wird dann durch Wär-

21 metauscher zurückgewonnen, meistens durch Wärmeaustausch mit dem

22 kalten komprimierten Gas oder der Luft, die zur Brennkammer

23 strömt. Der Wärmetauscher wird Rekuperator genannt und kann den

24 Wirkungsgrad eines Turbinensystems wesentlich verbessern» wobei

25 jedoch sein Anwendungsbereich beschränkt ist durch die Betriebs-

26 temperatures bei denen er arbeiten kann, beispielsweise bei

27 lOOOo bis maximum 1200° F. Daraus ergibt sich, dass der

28 Wirkungsgrad für herkömmliche Turbinensysteme ein weites Feld

29 für Verbesserungen offen lässt.
30

31 Maximale Turbinen-Eingangstemperaturen haben heute eine prakti-

32 sehe mechanische Begrenzung bei ca. 2000O bis 2200° F und

33 der potentiell hohe Wirkungsgrad, der theoretisch möglich wäre,

34 wird somit in der Praxis noch nicht erreicht. Es werden grosse

35 Anstrengungen unternommen, um höhere Betriebstemperaturen zuzu-

36 lassen, wie z.B. durch Kühlung der Schaufeln mittels Luft oder

37 Wasser oder durch verbesserte Materialien und keramische Schau-

38 fein oder überzüge. Der Betriebsdruck könnte mit der heutigen

39 Technologie erhöht werden, wobei jedoch mit den heutigen Syste-

40 men keine Erhöhung des Wirkungsgrades möglich ist.

Ol -Jg-

04 Eine Vielzahl von Modifikationen an Gasturbinen wurde schon vor-

05 geschlagen, um die Arbeitsleistung zu erhöhen. So beschreiben

06 die US-Patente Nr. 2,238,905 und Nr. 2,478,851 ein Aufheizen des

07 Gases zwischen den Turbinen. Das letztere Patent schlägt auch

08 vor, externe Brennkammern zwischen den Turbinenstufen zu verwen-

09 den, um einen Teil des Gases zwischen den Stufen auf hohe Tempe-

10 raturen zu bringen. Ein derartiger Prozess kann jedoch ausser-

11 ordentlich heisse Gase auf die Turbinenschaufeln bringen und

12 dadurch mechanische Probleme verursachen. Andere Publikationen

13 von Interesse sind die US-Patente Nr. 2,243,467, 2,305,785 und

14 2,407,166.
15

16 Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein Verfahren und ein

17 System für die Leistungserzeugung in Gasturbinen. Dabei wird

18 erfindungsgemäss Kraftstoff direkt in Anwesenheit eines Verbren-

19 nungs-Katalysators in der Gasturbine verbrannt, vorzugsweise

20 unter weitgehend isothermischen Bedingungen. Im speziellen

21 erreicht die vorliegende Erfindung wesentlich höhere Kraftstoff

22 Wirkungsgrade und andere Vorteile in einem Gasturbinen-Lei-

23 stungserzeugungssystem durch Zuführen und Verbrennen von Kraft-

24 stoff an verschiedenen Punkten bzw. in verschiedenen Zonen des

25 heissen Gasstroms durch eine Expansions-Turbine, wobei weitge-

26 hend der ganze Temperaturabfall kompensiert wird, der sonst mit

27 der Expansion des Gases verbunden wäre. Der maximale Druck im 28· System wird im Vergleich mit konventionellen Systemen erhöht,

29 wodurch sich mit einer gegebenen Gasmenge mehr Leistung erzeugen

30 lässt, ohne dass dabei der Turbinendurchmesser wesentlich ver-

31 grössert werden müsste. Einfacher ausgedrückt besteht das neue

32 System aus einer "Verbrennungsturbine", in der das Gas sich in

33 einem Druckverhältnis von z.B. 2/1 bis 20/1 ausdehnt, während

34 die Gastemperatur mehr oder weniger konstant gehalten wird; dies

35 wird durch Verbrennen von Kraftstoff während des Expansions-Pro-

36 zesses, gefolgt durch einen Turbo-Expansionsvorgang erreicht,

37 während welchem weder Wärmeenergie zugeführt noch abgeführt

38 wird, z.B. um die Temperatur des Abgases zu senken. Das austre-

39 tende Abgas wird dann zu einem Wärmetauscher geführt, wobei es

40 eine ausreichend niedrige Temperatur aufweist, um die Verwendung

Ol - β -

04 eine ausreichend eines Wärmetauschers von akzeptabler Grosse und

05 niedrigen Kosten zu erlauben, bei dem Materialien verwendet

06 werden, wie sie für solche Zwecke bereits Verwendung gefunden

07 haben.
08

09 Der Wärmetauscher dient zur Kühlung des Abgases, und gleichzei-

10 tig zum Aufheizen eines Luft- oder Gasstroms, der komprimiert

11 worden ist. Nach dem Aufheizen wird das Gas einem Kompressor

12 zugeführt, in dem sein Druck auf das gewünschte Niveau gebracht

13 wird. Die Gastemperatur wird dabei ebenfalls steigen, da keine

14 nennenswerte Wärmemenge während diesem Kompressions-Schritt ver-

15 loren geht. Das Gas kann anschliessend in einer Brennkammer

16 weiter aufgeheizt werden, bevor es in die vorher erwähnte "Ver-

17 brennungs-Turbine" eintritt.
18

19 Verglichen mit anderen Systemen, die mit der gleichen Gasmenge

20 arbeiten, ist das neue System gemäss der Erfindung gekennzeich-

21 net durch einen viel höheren Wirkungsgrad, einen höheren Be-

22 triebsdruck, eine höhere Kraftstoffausnutzung und eine höhere

23 Energieabgabe ohne das Erfordernis, die maximale Betriebstempe-

24 ratur zu erhöhen. Andere nennenswerte Vorteile werden in der

25 nachstehenden Beschreibung erläutert.
26

27 Ersichtlicherweise besteht also eine wesentliche Aufgabe der

28 Erfindung darin, ein Gasturbinensystem zu schaffen, das auf

29 einfache und wirtschaftliche Weise Leistung mit viel höherem

30 Wirkungsgrad erzeugen kann, ohne das Erfordernis neuer und

31 schwieriger Technologien und höherer Maximaltemperaturen in der

32 Turbine. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Erhöhung der

33 abgegebenen Leistung bei einer gegebenen Gasmenge.
34

35 Die detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird in

36 Verbindung mit den Zeichnungen zeigen, wie bekannte Bereiche der

37 Technologie neuartig kombiniert werden können, um ungewöhnlich

38 hohe Kraftstoff-Wirkungsgrade zu erzielen verglichen mit alter-

39 nativen Turbinensystemen, und insbesondere um Wirkungsgrade zu

40 erzielen, die besser sind als die besten modernen Dampfkraft-

Ol * J -

04 anlagen. Zudem werden die Einfachheit und andere wünschenswerte

05 Merkmale von Turbinensystemen beibehalten, mit dem Resultat,

06 dass diese sowohl für den Grundlast- oder Dauerbetrieb als auch

07 für Spitzenbelastungen Verwendung finden. 08

09 Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dar-

10 gestellt und werden nachstehend beschrieben. Es zeigen:

11 . . ■

12 Figur 1 die schematische Darstellung einer bevorzugten Ausge-

13 staltung eines erfindungsgemässen Krafterzeugungs-

14 Systems,
15

16 Figur 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestal-

17 tung der Erfindung mit einer Vereinfachung des Systems

18 gemäss Fig. 1,
19

20 Figur 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestal-

21 tung der Erfindung mit einer zusätzlichen Vereinfachung

22 des Systems gemäss Fig. 2, 23

24 Figur 4 einen Teil schnitt durch eine Verbrennungsturbine in

25 schematischer Darstellung, 26

27 Figur 5 einen Teil querschnitt durch eine Verbrennungsturbine in

28 abgewandelter Ausführungsform, 29

30 Figur 6 eine Graphik zur Darstellung der Beziehung zwischen

31 Kompressionsverhältnis und Wirkungsgrad sowie zwischen

32 Kompressionsverhältnis und Leistungsverhältnis, und 33

34 Figur 7 eine perspektivische Darstellung eines Katalysator-

35 Elements mit den Merkmalen der Erfindung. 36

37 Um das Verbrennungsturbinen-System darzustellen, wird seine

38 Funktion anhand von Figur 1 beschrieben. Diese zeigt die wesent-

39 liehen Elemente des Prozesses, bei dem ein Gas, das im einfach-

Ol - / -

04 sten Fall Umgebungsluft 1st, durch eine Leitung 10 dem System

05 zugeführt und komprimiert wird. Vorzugsweise erfolgt dies unter

06 Wärmeentzug in einem isothermischen Kompressor 12. Eine derar-

07 tige Kühlung durch Wärmeentzug dient der Erhöhung des Prozess-

08 Wirkungsgrades durch Reduzierung der erforderlichen Kompres-

09 sionsleistung und kann auf einfachste Weise ausgeführt werden,

10 wie nachstehend noch beschrieben sein wird. Idealerweise ist die

11 Kompression isothermisch, wobei konventionelle Zwischenkühler

12 Verwendung finden können. Die Kühlung ist zwar ein wünschenswer-

13 ter, aber nicht unbedingt erforderlicher Teil des Prozesses.
14

15 Nach einer Kompression auf ca. 10 atm geht das Gas über eine

16 Leitung 14 zu einem Wärmetauscher 16, wo es mittels indirektem

17 Austausch mit hei ssen Abgasen aufgeheizt wird, bevor diese an

18 die Atmosphäre abgegeben werden. Komprimiertes Gas tritt dabei

19 mit etwa 140O f (oder bei Kühlung mit etwa 80° F) in den

20 Wärmetauscher ein und verlässt ihn mit einer Temperatur von etwa

21 940O f. Der Druckabfall des Gasstromes ist nur gering.
22

23 Das vorgeheizte Gas strömt dann über die Leitung 18 durch einen

24 Kompressor 20, der dazu dient, den Druck auf das erforderliche

25 Niveau von ca. 62 atm zu bringen; gleichzeitig wird, was ebenso

26 wichtig ist, die Gastemperatur durch die Kompressionsarbeit auf

27 1900O bis 2000° F gebracht. Jeder Wärmeverlust während

28 dieses Schrittes ist unerwünscht, und eine Abkühlung erfolgt nur

29 durch unvermeidbare, konstruktionsbedingte Verluste.
30

31 Als nächstes strömt das Gas über die Leitung 22 zu einer Brenn-

32 kammer 24, wo es mit Hilfe von Kraftstoffeinspritzungen durch

33 eine Leitung 26 in Gegenwart eines Verbrennungs-Katalysators

34 durch die Leitung 26 auf die maximale Temperatur von beispiels-

35 weise 2000O bis 2200<> F aufgeheizt wird. Da das Gas an-

36 schliessend in eine Expansionskammer bzw. in eine Turbine 28

37 über eine Leitung 30 geleitet wird, beginnt es zu expandieren

38 und gleichzeitig abzukühlen. Der mögliche Temperaturabfall wird

39 jedoch durch zusätzliche Verbrennung von Kraftstoff in der "Ver-

ο ι - f.-

04 brennungs-Turbine" 28 ausgegl1chen. Der Kraftstoff wird dabei

05 über eine Leitung 32 zugeführt. Auf diese Weise können flüssige

06 oder gasförmige Kraftstoffe an verschiedenen Punkten des Turbi-

07 nenmantels und in entsprechenden Schritten in die "Verbrennungs-

08 Turbine" 28 eingespritzt werden. Herkömmliche Kraftstoffe bren-

09 nen bei der genannten Turbinentemperatur und in Gegenwart eines

10 Verbrennungs-Katalysators, wobei eine relativ langsame Verbren-

11 nung meist genügend und in vielen Fällen unter Konstruktions-

12 Gesichtspunkten sogar wünschenswert ist. 13

14 Die Gase verlassen die Verbrennungs-Turbine 28 mit einem niedri-

15 gen Druck von 6,2 atm, aber immer noch mit einer sehr hohen Tem-

16 peratur, so dass es schwierig sein würde, einen wirtschaftlichen

17 Wärmetauscher für direkten Wärmeaustausch zu konstruieren. Aus

18 diesem Grund werden die Gase abgekühlt, indem sie über die Lei-

19 tung 34 einer Expansionsanordnung in Form einer Turbine 36 zuge-

20 führt werden, die mit einer herkömmlichen Turbine verglichen

21 werden kann. Keine nennenswerte Erwärmung oder Abkühlung findet

22 bei diesem im wesentlichen adiabaten Expansionsschritt statt,

23 dagegen kann die Verbrennung von verbleibendem Kraftstoff zur

24 Freisetzung von etwas Wärmeenergie führen. In der Turbine kamm

25 im Detail auch eine Kühlanordnung, beispielsweise durch die Ein-

26 leitung von kalter Luft durch die Rotorschaufeln, vorgesehen '27 sein. Die Turbine 36 kann dabei z.B. eine Eingangstemperatur von

28 ca. 2000O f und eine Ausgangstemperatur von ca. 1000° F

29 haben. Der Auslassdruck kann etwa '.. atm sein. 30

31 Das expandierte Gas aus der Turbine 36 strömt über die Leitung

32 38 zum vorher erwähnten Wärmetauscher 16, wo es abgekühlt wird,

33 um die Wärmeenergie auf die ktlte, vorkomprimierte Luft zu über-

34 tragen. Eine Temperaturdifferenz von lOOo f reicht aus, um

35 Wärme durch die Metalloberfläche ces Wärmetauschers zu übertra-

36 gen. Die Gase verlassen diesen Wärmetauscher über die Leitung 40

37 mit beispielsweise etwa 240ο ρ und mit etwa atmosphärischem

38 Druck und können entweder direkt ohne weitere Behandlung in die

39 Atmosphäre abgegeben werden oder bei Bedarf vorher gereinigt 40

31 - J/0 -

04 werden. Die Auslass-Gase können auch in kleineren oder grösseren

05 Mengen durch Recycling zum Kompressor oder einem anderen geeig-

06 neten Punkt des Systems wieder genutzt werden.
07

08 Aus dieser Serie von einzelnen Prozess-Vorgängen resultiert eine

09 nutzbare Leistungserzeugung. Die an den beiden Expandern bzw.

10 Turbinen zur Verfügung stehende bzw. abgegebene Energie ist

11 wesentlich grosser als die von den beiden Kompressoren aufgenom-

12 mene Energie.
13

14" Um die Vorteile der Erfindung noch eindrücklicher zu zeigen,

15 wird nachstehend ein Vergleich in Form tabellarischer Aufstel-

16 lungen von Betriebsdaten durchgeführt. Der erste Vergleich ist

17 in Tabelle 1 wiedergegeben, die auf dem oben beschriebenen

18 System basiert, wobei ein fiktiver Turbinenwirkungsgrad von 100

19 % angenommen wird. Beim Wärmetauscher wird an beiden Enden eine

20 Temperatur von etwa lOOo ρ angenommen. Aus Gründen der Ein-

21 fachheit wurde die Auswirkung der Kraftstoff-Gaskompression und

22 -Expansion sowie der spürbaren Wärmeverluste vernachlässigt, was

23 jedoch die Aussagekraft des Vergleichs nicht wesentlich beein-

24 trächtigt. Als Vergleich sei darauf hingewiesen, dass ein kon-

25 ventionelles Gasturbinen-System für die Energieerzeugung einen

26 Wirkungsgrad von etwa 35 % erzielen würde.
27

28 Tabelle 1

30 Kompressionsarbeit:

32 Isothermisch 2483 Btu/mol gas.
3.3 (Btu =

34 British Thermal Units)

35 Adiabat 6730

36 *

37 Total 9213
38

pi 02 03 04 05 06 07 08 09

Il

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

-χι -

Expansionsarbeit: Isothermisch

Adiabat

Total

Netto Energieüberschuss

11320

7020

18340

9127

Eingespeiste Wärmeenergie

total 12120

Thermischer Wirkungsgrad %:

bei 100 % Turbinen-Wirkungsgrad 75.0

bei 90 % Turbinen-Wirkungsgrad 61.8

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, ergibt das neue System einen Kraftstoff-Wirkungsgrad* der 50 % über demjenigen konventioneller Systeme liegt. Dies erfolgt ohne Erhöhung der maximalen Temperatur. Der Betriebsdruck ist erhöht, liegt jedoch immer noch innerhalb der Kapazität der zur Zeit bekannten Technologie. Es wird eine zusätzliche Turbineneihrichtung benutzt, die Erhöhung des Energieüberschusses steht jedoch in einem Verhältnis dazu. Der überraschend hohe Kraftstoff-Wirkungsgrad ist damit der überragende Vorteil der Erfindung.

Ein Betrieb bei 2200O f wird gegenüber 2000O F eine vernünftige Verbesserung des Wirkungsgrades ergeben, welche es sich lohnt auszunützen. In den gegebenen Beispielen ist die Expansionsanordnung bzw. Turbine für eine Ausgangstemperatur von lOOOo ρ konstruiert, was eine angemessene Temperatur ist für die Konstruktion von Wärmetauschern. Man könnte jedoch auch mit höheren oder tieferen Temperaturen arbeiten und würde immer noch

Di - μ -

04 wesentliche Vorteile durch die "Verbrennungs-Turbine" erreichen.

05 Wie in der letzten Zeile von Tabelle 1 dargestellt, sind die

06 Wirkungsgrade niedriger, wenn realistische Turbinen-Wirkungs-

07 grade von 90 % angenommen werden.
08

09 Die adiabate Expansionsanordnung bzw. Turbine 36 und der zugehö-

1Ö rige Kompressor 20 sind hauptsächlich zur Temperatur-Regelung

11 eingesetzt; dabei ist es wünschenswert, dieses System derart zu

12 kontruieren, dass seine Energiemengen etwa derart ausgeglichen

13 sind, dass der Expander die meiste oder alle Energie für den

14 Betrieb des Kompressors liefert. Es ist daher vorteilhaft, diese

15 Komponenten auf der gleichen Welle anzuordnen. 16

17 Die Wärmezufuhr zur Verbrennungsturbine 24 kann durch verschie-

18 dene Mittel erfolgen, wie z.B. durch stufenweises oder schritt-

19 weises Hinzugeben von Kraftstoff bzw. Kraftstoff durch den Tur-

20 binenmantel wie nachstehend noch detailliert beschrieben wird.

21 Ein Teil des Kraftstoffes kann auch vorteilhaft vor der eigent-

22 liehen Turbine zugeführt werden, oder über die Statorschaufeln,

23 durch Kanäle im Rotor usw. Das Beigeben von Kraftstoff über die

24 Rotoranordnung erleichtert eine gute Verteilung des Kraftstoffes

25 im Gasstrom. Zudem erzeugt die Rotation eine relative Geschwin-

26 digkeit, die beim Einspeisen von flüssgem Kraftstoff eine gute

27 Zerstäubung fördert. Wasser kann als Emulsion dem Kraftstoff

28 zugefügt werden, um die Zerstäubung zu fördern, wobei beispiels-

29 weise 3 bis 100 % Wasser mit dem flüssigen Kraftstoff vermischt

30 werden können. Das Wasser kann in Form von Dampf verwendet wer-

31 den, um den Kraftstoff zu zerstäuben und mit Luft anzureichern. 32

33 In bestimmten Fällen wird es vorteilhaft sein, die Verbrennung

34 durch Vorheizen des Kraftstoffes zu erleichtern. Es können auch

35 erweiterte Bereiche am Gehäuse der Turbine vorgesehen sein, die

36 als Verbrennungszonen dienen. Generell ist eine relativ langsame

37 Verbrennung erwünscht, um eine gleichförmige Temperatur auf-

38 rechtzuerhalten, wobei jedoch der Verbrennungsvorgang 1m wesent-

39 liehen abgeschlossen sein sollte, bevor die Gase die Expansions-40

οι - y> -

04 Turbine verlassen. Wie bekannt kann auch Luft durch oder entlang

05 der rotierenden Flügel oder Schaufeln geblasen werden, um eine

06 Kühlung und Temperaturregelung zu bewirken. 07

08 Es ist auch vorgesehen, dass das Gas innerhalb der Turbine durch

09 Einspeisen eines brennbaren Gases "kraftstoffhai tig" sein kann,

10 um dann eine kontrollierte Verbrennung durch schrittweises Zugell ben von Luft statt von Kraftstoff zu erreichen. Dies ist beson-

12 ders vorteilhaft, wenn Gas mit niedrigem Btu-Wert verwendet

13 wird, wie z.B. 200 Btu/scf oder weniger. Es ist auch denkbar,

14 dass derartiges Gas durch einen integrierten Vergaser geliefert

15 wird, bei dem das Arbeitsgas durch eine Zone strömt, in der

16 Kohle oder ein anderer Kraftstoff vergast wird, um Kraftstoff

17 für die Turbine zu liefern. Anstelle des Betriebes mit einer

18 "kraftstoffhal tigen" Atmosphäre kann Gaskraftstoff vom irtte-

19 grierten Vergaser auch während der Expansion hinzugefügt werden,

20 wie oben beschrieben wurde.
21

22 Luft kann im System im Einwegverfahren verwendet werden, oder es

23 ist denkbar, verbrauchtes Gas wieder zu verwerten, um die. Gas-

24 zusammensetzung in den Turbinen oder im Vergaser zu kontrollie-

25 ren. Aufbereitete Luft kann dem Vergaser hinzugefügt werden, um

26 Wärme zu erzeugen.
27

28 Ein charakteristisches Merkmal des neuen Systems, das vor allem

29 für Flugzeuge und andere Transportmittel von Interesse ist,

30 besteht darin, dass die Expansionsturbinen derart konstruiert

31 werden können, dass ein beliebiger Bereich von Leistungsabgabe

32 und. Kraftstoffwirkungsgrad.'erzielt wird. So kann für eine be-

33 stimmte Betriebsstufe Kraftstoff über eine längere Strecke in

34 der Verbrennungs-Turbine verbrannt werden, um die Leistungsab-

35 gäbe nachhaltig zu erhöhen, ohne dabei die Maximal temperatur zu

36 erhöhen. Dann kann für einen maximalen Wirkungsgrad weniger

37 Kraftstoff und nur im Zustrombereich der Turbine verbrannt wer-

38 den, während der Rest der Turbine als adiabater Expander dient,

39 um die Leistungsabgabe zu maximieren. Es versteht sich, dass die 40

45

οι . μ .

04 Kompressoren und der Rest des Systems für einen derartigen Be-

05 trieb entsprechend konstruiert sein müssen.
06

07 Ein anderer Aspekt dieses Systems soll nachstehend noch be-

08 schrieben werden, da er die Methode beeinflusst, die für die

09 Kompression bei niederen Temperaturen verwendet wird. Es ist

10 bereits ausreichend bekannt, dass einerseits die Kompressions-

11 arbeit für isothermische Kompression kleiner ist als für adia-

12 bate Kompression, und ebenfalls, dass die Kompressionsarbeit bei

13 tiefen Temperaturen kleiner ist. Eine gebräuchliche Technik

14 besteht in der Verwendung von Zwischenkühlern zwischen den Kom-

15 pressionsstufen. Eine abgewandelte Methode kann erfindungsgemäss .16 vorteilhaft verwendet werden, um den Temperaturanstieg beim

17 neuen System zu begrenzen. Diese Methode verwendet die Latent-

18 wärme von Wasser, um die Kompressionswärme dadurch aufzunehmen,

19 . dass vorsichtig kontrollierte Schübe von sauberem Wasser während

20 der Kompression oder zwischen den Stufen eingespritzt werden.

21 Das Wasser kann in der Turbine durch den Mantel eingespritzt

22 werden oder über den Rotor, um die Zerstäubung und Verteilung zu

23 fördern.
24

25 In vielen Fällen könnte das Hinzufügen von Wasser nachteilig

26 sein; trotzdem ist es im vorliegenden System ein Vorteil, da es

27 dazu beiträgt, die Quantität des durch die folgenden Expansions-

28 anordnungen strömenden Gases zu erhöhen ohne entsprechende ErhÖ-

29 hung der zu komprimierenden Luftmenge. Die Kompressionsarbeit

30 erzeugt dann mehr Arbeitsmedium. Wenn eine integrierte Vergasung

31 angewendet wird, ist der hinzugefügte Wasserdampf nützlich, um

32 mit der Kohle oder einem anderen zu vergasenden Kraftstoff zu

33 reagieren.
34

35 Das Ausmass der Kühlung ist abhängig vom Dampfdruck des Wassers,

36 wobei jedoch beim beschriebenen System die Ausgangstemperatur am

37 Kühlungs-Kompressor auf 20Oo bis 3000 f begrenzt werden

38 kann. Das Wasser kann als sehr feiner Nebel und an verschiedenen

39 Punkten in den Kompressor gesprüht werden, um ihn nicht.zu be-40

Ol - A -

04 schädigen. Das Wasser kann auch zwischen einzelnen Kompressions-

05 stufen eingesprüht werden, wobei spezielle Kontakt- oder Misch-

06 zonen verwendet werden, so dass flüssiges Wasser nicht in die

07 Kompressoren eindringen kann. Das Wasser kann destilliert, ent-

08 salzt oder sonstwie gereinigt sein, um Ablagerungen unter Kon-

09 trolle zu halten.
10

11 Typische Bedingungen für dieses neue System sind in Tabelle I

12 wiedergegeben, wobei die heute zur Verfugung stehende Technolo-

13 gie wirtschaftliche Maximaltemperaturen von etwa 2000ο bis H 220QO ρ erlaubt. In der Zukunft werden die optimalen Tempera-

15 türen derart steigen, wie die Hochtemperatur-Einrichtungen und

16 -Materialien Verbesserungen erfahren. So sind beispielsweise für

17 die neunziger Jahre bereits Turbinentemperaturen von 300Oo F

18 angekündigt worden.
19

20 Figur 2 zeigt eine Vereinfachung des Leistungserzeugungssystems

21 gemäss Figur 1, wobei nur ein Kompressor verwendet wird, gefolgt

22 \on einem Wärmetauscher. Obwohl der theoretische Wirkungsgrad

23 kleiner ist als bei der Anordnung gemäss Figur 1, ist der prak-

24 tische Wirkungsgrad (unter Berücksichtigung von Turbinen-Lei-

25 stungsverlusten) sehr hoch, wie nachstehend in Fall A von

26 Tabelle II dargestellt und näher beschrieben sein wird. Wie im

27 alternativen Fall B der untenstehenden Tabelle II gezeigt ist,

28 ergibt eine Temperatur von 1600O ρ -j_m isothermischen Expander

29 ebenfalls einen sehr attraktiven Wirkungsgrad. 30

31
32
33
34
35
36
37
38
39
40

Tabelle II Kompressionsarbeit Expansionsarbeit,

isothermisch adiabat

Total Energieüberschuss

Eingespeiste Wärmeenergie

total

Thermischer Wirkungsgrad %:

- 4450 Btu/mol Gas Fall A

11,320 7,020

18,340 13,890

20,120

Fall B*

12,010 4,210

16,220 11,770

17,610

bei 100 % Turbinenwirkungsgrad 69.1
bei 90 % Turbinenwirkungsgrad 63.1

66.8 61.7

*Die Zahlen im Fall B gelten für isothermische Expansion bei 1600O ρ von 62 atm auf 3,36 atm, plus adiabate Expansion auf 1 atm.

Wie in Figur 2 dargestellt ist, wird Luft über die Leitung 42 dem isothermischen Kompressor 44 zugeführt, wo diese auf 62 atm bei 800 ρ komprimiert wird. Anschliessend wird die komprimierte Luft über die Leitung 46 einem indirekten Wärmetauscher 48 zugeführt, wo die Luft auf 900O f durch Wärmeaustausch mit den hei ssen Abgasen aufgeheizt wird.

Die aufgeheizte komprimierte Luft wird dann über eine Leitung 50 einer Brennkammer 52 zugeführt, wo ein Kraftstoff, eingeführt durch Leitungen 54 und 56, verbrannt wird/ um die Temperatur des Gases auf ca. 2000ο F zu bringen. Das Gas gelangt dann über

οι - y) .

04 Leitung 58 1η die Verbrennungsturbine 60 und wird dort unter im

05 wesentlichen isothermisehen Bedingungen auf 6.2 atm expandiert,

06 wobei eine Verbrennung von durch die Leitungen 54 und 62 zuge-

07 führten) Kraftstoff in Gegenwart eines Verbrennungs-Katalysators

08 erfolgt. Anschliessend gelangt das Gas über die Leitung 64 zum

09 adiabaten Expander 66, wo es unter adiabaten Bedingungen auf

10 eine Atmosphäre Druck bei ca. lOOOO f expandiert. Die abgell kühlten Abgase gelangen dann über die Leitung 68 in den Wärme-

12 tauscher 48, wobei sie infolge Wärmeübergang auf die in den

13 Wärmetauscher eingeführte Frischluft durch die Leitung 46 weiter

14 abgekühlt wird. Das Abgas tritt sodann durch die Leitung 30 aus

15 dem Wärmetauscher 48 aus.
16

17 Figur 3 zeigt eine vereinfachte Version mit nur einem Kompressor

18 und einer Expansionsanordnung. Obwohl der Wirkungsgrad nicht so

19 hoch ist wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbei-

20 spielen, ist er immer noch sehr gut, wie in der nachstehenden

21 Tabelle III in Fall A aufgezeigt wird. Attraktiv ist ausserdem

22 die einfache Bauweise. Wie im alternativen Fall B in der unten-

23 stehenden Tabelle III dargestellt ist, unterscheidet sich die

24 Situation bei einem Druck von 82 atm nicht wesentlich vom Ver-

25 lauf bei einem Druck von 62 atm beim Fall A, die Leistungsabgabe

26 per mol Gas ist jedoch wesentlich grosser. 27

28 Tabelle III

30 Fall A Fall B*

32 Kompressionsarbeit 4450 Btu/mol 4740

34 Expansionsarbeit 12031 12816

36 Energieüberschuss 7581 8076

38 Eingespeiste Wärme 12831 13616

οι - yb -

04 Thermischer Wirkungsgrad %:

06 bei 100 % Turbinenwirkungsgrad 59.1 59.3

07 bei 90 % Turbinenwirkungsgrad 51.6 50.8
08

09 *Die Angaben in diesem Fall betreffen einen maximalen Druck von

10 82 atm gegenüber 62 atm bei Fall A.

12 Wie in Figur 3 dargestellt tritt die Luft durch Leitung 72 in

13 den isothermischen Kompressor 74, wo sie bei 8Oo ρ auf 62 atm

14 komprimiert wird. Die komprimierte Luft wird dann über Leitung

15 76 einem indirekten Wärmetauscher 78 zugeführt, wo die Luft auf

16 ca. 900O f durch Wärmeaustausch mit den hei ssen Abgasen des

17 Systems aufgeheizt wird.

19 . Das aufgeheizte und komprimierte Gas wird dann über Leitung 80

20 einer Verbrennungs-Turbine 82 zugeführt, wo in Gegenwart eines

21 Verbrennungs-Katalysators Kraftstoff durch Leitung 84 zugeführt

22 und verbrannt wird, wobei das Gas unter isothermischen Bedingun-

23 gen auf eine Atmosphäre bei ca. lOOOo f expandiert. Das Kraft-

24 Stoffgemisch kann derart hinzugefügt werden, dass die Rotor-

25 schaufeln gekühlt werden, z.B. durch einen Methanol-Sprühregen,

26 der verdampft. Anschl iessend werden die Abgase über Leitung 86

27 dem Wärmetauscher 78 zugeführt, um durch indirekten Wärmeaus-

28 tausch mit der durch die Leitung 76 in den Wärmetauscher eintre-

29 tenden Luft weiter abzukühlen. Die Abgase verlassen dann den

30 Wärmetauscher 78 durch die Leitung 88.
31

32 Bezugnehmend auf Figur 4 ist mit 100 eine Verbrennungs-Turbine

33 gemäss der Erfindung bezeichnet, wobei durch den Mantel der

34 Maschine Kraftstoff zugeführt wird. Die Verbrennungsturbine 100

35 enthält eine rotierende Welle 102 mit einer Dichtung 104, einem

36 Aussengehäuse 106, einer Mehrzahl rotierender Schaufeln 108, die

37 die Kraft auf die Welle 102 übertragen und fest mit dieser ver-

38 bunden sind, sowie eine Mehrzahl stationärer Flügel 110 zum Ver-

39 teilen bzw. Steuern der kinetischen Energie. Die Verbrennungs-40

Ol - J^ -

04 turbine 100 ist mit einer Mehrzahl von Kraftstoffeinlässen 112

05 versehen, die durch das Gehäuse 106 führen und mit einer Mehr-

06 zahl von Kraftstoffdüsen 114 versehen sind.
07

08 Die Verbrennungsturbine 100 enthält auch eine Katalysator-Vor-

09 richtung 116, die den Verbrennungsvorgang fördert oder unter-

10 stützt. Die Katalysator-Vorrichtung 116 kann in der Form von

11 Waben, Maschen, einer Mehrzahl von Röhren usw. konstruiert sein

12 (oder es kann ein Katalysator in der Form einer Beschichtung auf

13 äusseren Oberflächen der Turbine, insbesondere auf den festen

14 Flügeln 110 vorgesehen sein, wobei der Katalysator auf einer

15 Unterlage auf der Basis von Metall, Keramik, Silikon, Karbid

16 oder Nitrid angeordnet sein kann). Verbrennungs-Katalysatoren,

17 wie sie für die vorliegende Erfindung Verwendung finden, sind

18 bereits bekannt wie beispielsweise Eisen, Nickel, Molybdän,

19 Pal 1adium,.Kupfer, Zink, Magnesium oder ähnliche Elemente inner-

20 halb jeder dieser Gruppen, oder Thorium oder andere seltene

21 Katalysatoren sowie Kombinationen und Mischungen derselben.

22 Eisenverbindungen wie z.B. Oxyde verteilt auf einer metallischen

23 Unterlage oder einer Unterlage aus Zirkon, Aluminium oder

24 Silicium können ebenfalls verwendet werden. Edelmetalle wie

25 Platin, Palladium etc. können verwendet werden und Rhenium und

26 . Ruthenium können ebenfalls hinzugefügt werden. Verschiedene

27 kommerziell erhältliche Katalysatoren werden bei katalytisehen

28 Verbrennungsvorgängen verwendet und können nach Bedarf verwendet

29 werden.
30

31 Die Verbrennungsturbine 100 ist mit einer konventionellen Brenn-

32 kammer 120 versehen, die die Temperatur des zugeführten Gases

33 durch Verbrennen von Kraftstoff erhöht, der in die Brennkammer

34 120 durch eine Kraftstoffeintrittsleitung 122 zugeführt wird.

35 Luft wird der Brennkammer 120 durch eine Luftzufuhrleitung 124

36 zugeführt und die Verbrennung in der Brennkammer wird durch

37 einen Zerstäuber 126 oder ähnliche Mischvorrichtungen gefördert.

38 Die vorgeheizten Gase verlassen die Brennkammer 120 und treten

39 über eine Leitung 128 in die Verbrennungsturbine 100 ein. Die 40

Ol · - ^o -

04 Abgase der Verbrennungsturbine 100 treten über eine Leitung 130

05 wieder aus.
06

07 Eine andere Ausgestaltung einer Verbrennungsturbine gemäss der

08 Erfindung ist in Figur 5 dargestellt, die eine Verbrennungstur-

09 bine 200 darstellt, bei der Kraftstoff durch eine Hohlwelle 202

10 über eine Rotoranordnung 204 zugeführt wird. Die Verbrennungstur-

11 bine 200 ist mit einer Mehrzahl rotierender Schaufeln 206 verse-

12 hen, die mit der Rotoranordnung 204 verbunden sind, sowie mit

13 einer Mehrzahl stationärer Schaufeln oder Flügel 208.
14

15 Wie oben erwähnt wird Kraftstoff in die Verbrennungsturbine 200

16 durch die Hohlwelle 202 eingeführt, von wo aus dieser durch Lei-

17 tungen 210, von denen jede mit einer Mehrzahl von Sprühdüsen 212

18 versehen ist, in die Turbine eintritt. Die Verbrennungsturbine

19 200 ist mit einer Dichtung 214 für die Welle 202 versehen und

20 hat ein äusseres Gehäuse 216. Die Verbrennungsturbine 200 ent-

21 hält ebenfalls eine Katalysator-Vorrichtung 218, die den Ver-

22 brennungsvorgang unterstützt oder fördert.
23

24 Die Verbrennungsturbine 200 ist mit einer konventionellen Brenn-

25 kammer 220 versehen, welche die Temperatur des eingeführten

26 Gases durch Verbrennen von Kraftstoff, der durch einen Kraft-

27 stoffeinlass 222 zugeführt wird, auf das gewünschte Niveau

28 bringt. Luft wird der Brennkammer 220 durch eine Lufteingangs-

29 leitung 224 zugeführt und die Verbrennung wird durch die Verwen-

30 dung von Zerstäubern 226oder ähnlichen Mischvorrichtungen er-

31 leichtert. Die vorgeheizten Gase verlassen die Brennkammer 220

32 und treten über eine Leitung 228 in die Verbrennungsturbine 200

33 ein. Die Abgase der Verbrennungsturbine 200 treten über eine

34 Leitung 230 aus.
35

36 Die nachstehenden drei Fälle wurden berechnet, um drei verschie-

37 dene Systeme darzustellen, wobei alle mit 200Oo f Eingangs-

38 temperatur an der Gasturbine, 90 % Wirkungsgrad von Kompressoren

39 und Expandern und mit vorgeheizter Luft durch den Abgasstrom der 40

Ol 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18

22

J* -

Turbine gerechnet wurden. Aus technischen Gründen ist die Luft nicht über lOOOo F vorgeheizt, und es besteht ein Temperaturunterschied von wenigstens lOOO ρ zur Abgastemperatur.

Fall 1: Konventionelles System mit adiabatem Kompressor und Expander.

Fall 2: Ein zweites System wie oben aber mit einem zusätzlichen isothermischen Expander vor dem adiabaten.

Fall 3: Ein erfindungsgemasses System wie Fall 2, aber mit isothermischem Luftkompressor anstelle des adiabaten.

Die errechneten Resultate sind in der nachstehenden Tabelle IV dargestellt.

Tabelle IV Basis: 200QO ρ _am Einlass der Gasturbine

90 % Wirkungsgrad für Kompressoren und Expander bzw. Turbinen

Kompressions-Verhältnis

20 40 80 160

Fall 1

Expander Btu/mol Kompressor

Netto

7435 8870 10046 11011 11804 3746 5449 7521 10049 13131 3689 3421 2525 962 negativ

Total Maschinen 11181 14319 17567 21060 24935 Verhältnis Total/Netto 3.03 4.19 6.96 21.9 unendlich Kraftstoffverbrauch

Btu/mol

Wirkungsgrad % Kraftstoffverbrauch (2) 8729

10515 8685 6450 3735 0 35.1 39.4 39.1 25.7 0

— nicht anwendbar —

Wirkungsgrad (2)

42.3

Kompressions-Verhältnis

Fall 2

20

160

Expander (1)	8395	11421	14475	17529	20583
Kompressor	3747	5449	7521	10049	13131
Netto	4648	5972	6954	7480	7452
Total Maschinen	12142	16870	21996	28578	33714
Verhältnis	2.61	2.82	3.16	3.82	4.52
Kraftstoffverbrauch	11940	13258	14226	14746	14314
Wirkungsgrad	38.9	45.0	48.9	50.7	52.1
Kraftstoffverbrauch (2)	9126	12152	-- ni	ent anwendbar
Wirkungsgrad (2)	50.9	49.1
Fall 3

Expander (1) 8395 11421 14475 17529 20583

Kompressoren 2851 3709 4568 5426 6284

Netto 5544 7712 9907 12103 14299

Total Maschinen 11246 15130 19043 22955 26867

Verhältnis 2.03 1.96 1.92 1.90 1.88

Kraftstoffverbrauch 15426 18452 21506 24560 27614

Wirkungsgrad 35.9 41.8 46.1 49.3 51.8

Kraftstoffverbrauch (2) 9126 12152 15206 18260 21314

Wirkungsgrad (2) 60.7 63.5 65.2 66.3 67.1

(1) Enthält isothermischen Expander plus 6269 vom adiabaten Expander

(2) Rekuperator verwendet wo immer möglich, jedoch nicht anwendbar, wenn die Luft vom Kompressor heisser ist als die Turbinenabgase.

2\

Es kann festgestellt werden, dass die Berechnungen in Tabelle IV einen Bereich von 10 bis 160 Kompressionsverhältnis (nachstehend KV) mit einigen Optimierungen enthält, um jeweils die besten Bedingungen für jeden Fall zu finden. Die Resultate sind nachstehend zusammengefasst:

Tabelle V

20

80 z.B.

Fall

KV Optimum

Leistung, Btu/mol Luft Isothermischer Expander Adiabater Expander

Summe

Luftkompressor Netto Abgabe Wirkungsgrad %

Total Maschinen Verhältnis zur Abgabe

Nennenswerte Verbesserungen ergeben sich bei den dargestellten Fällen 1 bis 3 insbesondere bei der Netto-Abgabe und beim Wirkungsgrad. Eine hohe Netto-Abgabe ist erwünscht, da dies geringere Luftmengen und einen geringeren Aussendurchmesser der Maschine erlaubt. Diese Resultate sind ebenfalls in der graphischen Darstellung gemäss Figur 6 dargestellt, in der sich das Leistungsverhältnis bezieht auf das Verhältnis der Leistung von Kompressor plus Expander zur Netto-Leistungsabgabe. In Figur 6 beziehen sich die Linien la, 2a und 3a auf die Fälle 1, 2 und 3 ohne Rekuperator und die Linien Ib, 2b und 3b auf die Fälle 1, 2 und 3 mit Rekuperator, Konventionelle Systeme haben ein Verhältnis von etwa 3, während 2 eine grosse Verbesserung bedeuten würde, aber 4 unwirt-

	5152	11260
7435	6269	6269
7435	11421	17529
3746	5449	5426
3689	5972	12103
42	49	66
11181	16870	22955
3.03	2.82	1.90

Ol - ?A -

04 schaftlich erscheinen würde. Fall 2 ist eine geringfügige Verbes-

05 serung gegenüber 1 und hat auch einen höheren Wirkungsgrad. Fall 3

06 ist eine durchschlagende Verbesserung mit anerkennenswerten Werten

07 bezüglich Aufwand und Wirkungsgrad. Optimale KV-Werte weichen

08 ebenfalls voneinander ab. In Fall 1 führt die höhere Kompression

09 effektiv zu einem Verlust von Netto-Aubgabe und Wirkungsgrad. In

10 Fall 2 ergeben 40 KV 16 % mehr Leistung bei gleichem Wirkungsgrad,

11 aber die zusätzliche Energie benötigt 5 PS der Maschinenleistung,

12 um ein zusätzliches PS Leistungsabgabe zu gewinnen, was unwirt-

13 schaftlich ist. Bei 80 KV ist dieses Verhältnis 12, so dass hohe

14 Drücke nicht sinnvoll sind für diese Art von System.
15

16 Fall 3 ist am besten bei 80 KV oder möglicherweise mehr, da sowohl

17 Netto-Leistung als auch Wirkungsgrad weiter ansteigen. Anders

18 als in den Fällen 1 und 2 sinkt das Verhältnis langsam bei ste.i-

19 gendem Kompressionsverhältnis und nur 1.9, d.h. 1.9 PS der Maschi-

20 nen-Leistung (Kompressor plus Expander) wird benötigt für jedes

21 zusätzliche PS Leistungs-Abgabe. Über 200 KV kann die Vorrichtung

22 infolge des Druckes zu teuer werden. Die Höchstgrenze ist er-

23 reicht, wenn der ganze Sauerstoff in der Luft während der Verbren-

24 nung aufgebraucht wird. Beispielsweise werden 64 % des Sauerstoffs

25 aufgebraucht bei 200 KV oder 53 % bei 80 KV in Fall 3 verglichen

26 mit 36 % in Fall 2 und 26 % in Fall 1. Der Wirkungsgrad in Fall 3

27 ist 85 % des theoretischen Carnot¹sehen Wirkungsgrades und lässt

28 wenig Raum für Verbesserungen.
29

30 Die Verbesserung in Fall 3 resultiert aus der Kühlung während des

31 Kompressions-Vorgangs. Dadurch wird die erforderliche Energie für

32 die Kompression reduziert, erlaubt jedoch auch eine viel effizien-

33 tere Wärmerückgewinnung der Abgase. Eine adiabate Kompression auf

34 160 KV bei 90 % Wirkungsgrad lässt dagegen die Lufttemperatur auf

35 2000ο F ansteigen und die Wärmerückgewinnung wird bereits bei

36 wesentlich tieferen KV unpraktikabel und ist in Fall 2 bei 30 KV

37 oder darüber bereits nicht mehr sinnvoll.
38

2b> Vy- ■

Ol - γ*> -

04 Die Kühlung während der Kompression ist wichtig. Eine praktische

05 Möglichkeit, um diese Kühlung durchzuführen, besteht in der Ver-

06 wendung einer feuchten porösen Packung zwischen den Stufen des

07 Kompressors, um durch Verdampfung zu kühlen. Die Packung kann eine

08 poröse Wabe sein, ähnlich wie diejenige, die für die Verbrennung

09 verwendet wird, und kann durch Flüssigkeit nach Bedarf feucht

10 gehalten werden. Die Flüssigkeit kann gereinigtes Wasser oder in

11 einigen Fällen flüssiger Kraftstoff wie z.B. Alkohol sein. So

12 können auch Methanol und/oder Wasser der Packung zugeführt werden,

13 die Mischung verdampft (und kühlt) und der Kraftstoff wird später

14 verbrannt.
15

16 Eine andere Möglichkeit, um Kühlung während der Kompression zu

17 bewirken, ist die Verwendung konventioneller Zwischenkühler. Eine

18 weitere Möglichkeit der Kühlung besteht im Einspritzen von Wasser

19 in den Luftkompressor unter der Verwendung von Sprühdüsen oder

20 "Vernebelungs-Düsen". Eine Ausweitung dieser Möglichkeit besteht

21 in der Verwendung einer Flüssigkeit mit höherem Dampfdruck als

22 Wasser wie beispielsweise Methanol. Dies ermöglicht höhere Ver-

23 dampfung und tiefere Temperaturen. Das endgültig komprimierte Gas

24 wird gekühlt, um das Methanol durch Kondensieren zurückzugewinnen.

25 Einiges Methanol wird im Gas verbleiben und kann vor der Gastur-

26 bine verbrannt werden, beispielsweise unter Verwendung katalyti-

27 scher Verbrennung. Die Temperaturen bei der Kompression können

28 zwischen 30 bis 200° f liegen und der Druck beispielsweise bei

29 60 bis 200 atm.
30

31 Kalte komprimierte Gase können vor der Verbrennung aufgeheizt

32 werden durch indirekten Wärmeaustausch mit den Abgasen mittels

33 eines Rekuperators. In der Regel ist ein Wärmeüberschuss von den

34 Abgasen verfügbar, da diese dichter sind und einen höheren mol-

35 Wert aufweisen als die Luft allein. Um diesen Wärmeüberschuss

36 effektiv auszunützen, besteht eine Möglichkeit darin, eine ein-

37 stellbare Menge von Wasser vor dem Eingang des Rekuperators in das

38 Gas einzusprühen, so dass das Wasser verdampft und den mol-Wert

39 zur Turbine erhöht.
40

2Ψ

Ol -pt -

04 Figur 7 zeigt im Detail eine bevorzugte Ausführungsform der Kata-

05 lysator-Elemente 116 und 218 gemäss der Erfindung, die in Figur 7

06 einheitlich mit 116 bezeichnet sind. In dieser spezifischen Ausge-

07 staltung ist das Katalysator-Element 116 als Wabe bestehend aus

08 porösen, dünnen Röhrchen 132 ausgebildet, die beispielsweise 1/16

09 bis 1/2 Inches Durchmesser haben können. Das Konstruktionsmaterial

10 besteht beispielsweise aus 0.1 bis 10 % Platin oder Aluminium. Das

11 Katalysator-Element 116 enthält eine Anzahl von Bypass-Durchlässen

12 134 und 136, welche mit beweglichen Platten 138 versehen sind,

13 welche die Durchlässe 134 oder 136 sowie einen Teil der dünnen Γ4 Röhrchen 132 abdecken können. .

16 In der bevorzugten Ausführungsform gemäss der Erfindung ist der

17 Katalysator in der Form von separaten Elementen unmittelbar vor

18 den Sprühdüsen des Expanders befestigt. Diese Düsen expandieren

19 das Gas über ein Druckverhältnis von 2 bei ca. 1000 ft/see.

20 Gleichzeitig kühlt das Gas ab von 2000O ρ _auf i670° F. Gas

21 beaufschlagt die Rotorschaufeln mit einer Geschwindigkeit von 1000

22 ft/sec, gibt seine Energie ab und verlangsamt sich auf eine Ge-

23 schwindigkeit von ei-nigen hundert Fuss pro Sekunde. Das Gas wird

24 wieder beschleunigt in der nächsten Düsenanordnung und würde in

25 einem konventionellen Expander weiter abkühlen auf 139Oo p. Der

26 Katalysator kann nicht innerhalb der Düsen angeordnet werden, da

27 die Ausströmgeschwindigkeit hoch ist und jede Katalysator-Anord-

28 nung einen hohen Druckabfall bewirken würde. Der Katalysator ist

29 . am besten plaziert unmittelbar vor der Düse wie in Figur 4 darge-

30 stellt, und zwar in der Form einer porösen Wabe aus Keramik, die

31 . Platin und/oder Palladium enthält.
32

33 Die Gas-Verweilzeit in einer konventionellen Gasturbine liegt im

34 Bereich von 0,01 bis 0,1 Sekunde. Die Verweilzeit ist so kurz,

35 dass das Ausmass der Verbrennung oft eher durch den Grad der

36 Mischung als durch die Reaktion in heissen Zonen begrenzt ist.

37 Wenn die Erhöhung der Durchschnittstemperatur in einer Turbinen-

38 stufe 500O f ist und einige Zonen das doppelte Durchschnittsver-39

οι - yt -

04 hältnis Kraftstoff/Luft haben, wird der Temperaturanstieg lOOOO

05 F sein, was zu viel sein kann. Dieser Punkt betont die Wichtigkeit

06 eines guten Mischens von Kraftstoff und Luft, bevor die Verbren-

07 nung stattfindet. Die gewünschte Mischung kann daher nicht erzielt

08 werden, wenn öltropfen ohne Katalysator verbrannt werden. Beim

09 Verdampfen der Tropfen verteilen sich die Kraftstoffdä.mpfe und

10 erreichen einen Punkt, wo das Luft/Kraftstoff-Verhältnis stöchio-

11 metrisch ist und bei theoretischer Flammtemperatur verbrennen

12 kann.
13

14' Daher wird erfindungsgemäss bevorzugt, die Verdampfung und Vermi-

15 schung von Kraftstoffdämpfen mit Luft vor dem Verbrennungskataly-

16 sator. Dies kann auf einer inerten porösen Keramikplatte gesche-

17 hen, worauf die Mischung durch den Verbrennungskatalysator strömt,

18 der Temperaturen von 2000° bis 3000° F erreichen kann. Bei dem

19 erfindungsgemassen "Impuls- Turbinentyp" strömt das Gas dann durch

20 eine befestigte Expansionsdüse, wo der Gas-Temperaturabfall etwa

21 500O ρ bei einem Druckverhältnis von 3/1 beträgt, so dass die

22 rotierenden Schaufeln einer vorteilhaft niedrigeren Temperatur

23 ausgesetzt sind.
24

25 Das Gas strömt durch den Kreisring einer Turbine in relativ gera-

26 den Linien mit geringer Vermischung am Umfang. Es ist daher vor-

27 teilhaft, den Kraftstoff durch Sprühen vom Rotor her hinzuzufügen,

28 so dass der Kraftstoff besser verteilt wird. Flüssiger Kraftstoff

29 ist innerhalb der Turbine schwierig zu handhaben. Es ist leichter,

30 ihn vorher zu verdampfen und aufzuheizen, bevor er in die Turbine

31 eingespritzt wird, um die Durchmischung, Zündung und Verbrennung

32 zu fördern. Eine gute Möglichkeit für die Vorheizung ist die Ver-

33 brennung eines Teiles des Kraftstoffes mit Luft oder die teilweise

34 Verbrennung. Die Temperatur kann beispielsweise 2000O ρ _sein.
35

36 Eine andere Variante der vorliegenden Erfindung besteht im Kon-

37 zept, einen Teil des Kraftstoffes, der der Turbine von der Vorver-

38 brennungszone zugeführt wird, unverbrannt zu lassen. Dieser

39 Kraftstoff verbrennt nicht völlig, weil die Zeit dazu zu kurz ist, 40

οι .

04 selbst beim Vorhandensein von Sauerstoff. Der Kraftstoff verbrennt

05 nach der ersten Expansionssvjfe in der Turbine, um die Gastempera-

06 tür mit Hilfe des Katalysators aufrecht zu erhalten. Dieser Ver-

07 fahrensschritt verbrennt nur einen Teil der brennbaren Teile im

08 Gas, während andere Teile gleicherweise in einem späteren Stadium

09 verbrannt werden. Das Ausmass der Verbrennung kann durch Umleiten

10 von Gas um den Katalysator geregelt werden, oder auch durch Ab-

11 deckung eines Teils des Katalysators, um seine Effizienz zu redu-

12 zieren. Mehr Kraftstoff kann an jedem beliebigen Punkt hinzugefügt

13 werden, um die erforderliche Temperatur aufrecht zu erhalten.

14 Extrem gute Mischungen von Kraftstoff und Sauerstoff sind erfor-

15 derlich, um vollständige Verbrennung zu bewirken, zusammen mit

16 einem guten Kontakt mit dem Katalysator.
17

18 Obwohl die Erfindung anhand von speziellen Ausgestaltungen und

19 Beispielen beschrieben worden ist, ist es für den Fachmann nahe-

20 liegend, Modifikationen und Varianten der Erfindung anzuwenden,

21 ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

-so-

Leerseite

Claims (8)

1. —14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
2. 2.
3. 3.
4. 4.
5. 5.

   PATENTANSPRÜCHE

   Leistungserzeugungs-System mit einer Gasturbine,
   gekennzeichnet durch eine Verbrennungsanordnung zum Einspritzen und Zünden eines Kraftstoffes in die bzw. der Gasturbine und Mittel zum Bereitstellen bzw. Zugeben eines Katalysators in der Gasturbine zum Verbessern der Verbrennung des Kraftstoffes.

   Leistungserzeugungs-System nach Anspruch 1, dadurch
   gekennzeichnet, dass die Verbrennungsanordnung Mittel zum Einspritzen des Kraftstoffes in Teilmengen an wenigstens zwei Punkten aufweist.

   Leistungserzeugungs-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kompressionsvorrichtung zum Komprimieren der Luft, welche der Gasturbine zugeführt wird.

   Leistungserzeugungs-System nach Anspruch 3, dadurch
   gekennzeichnet, dass das System eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Luft während der Kompression aufweist.

   Leistungserzeugungs-System nach Anspruch 3, gekennz e i c h η et durch eine Wärmetauscher-Vorrichtung zum indirekten Aufheizen der komprimierten Luft mit den Abgasen der Gasturbine.

   οι - Λ -

   04
6. 6. Leistungserzeugungs-System nach Anspruch 1, g e k e η η -

   05 ζ e i c h η e t d u r c h eine Verbrennungsvorrichtung zum

   06 Einspritzen und Zünden von Kraftstoff in der komprimierten

   07 Luft zum Erwärmen der Luft vor dem Eintritt in die Gastur-

   08 bine.
   09

   10
7. 7. Leistungserzeugungs-System mit einer Gasturbine,

   11 gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum

   12 Einspritzen und Zünden eines Kraftstoffes in die bzw. in der

   13 Turbine, um dadurch bei der Expansion des Gases im wesentli-

   14 chen isothermische Bedingungen aufrecht zu erhalten, sowie

   15 durch Mittel zum Bereitstellen bzw. Zuführen eines Katalysa-

   16 tors in der Gasturbine zum Verbessern der Verbrennung des

   17 Kraftstoffes. .
   18

   19
8. 8. Verfahren zur Leistungserzeugung in einer Gasturbine,

   20 dadurch gekennzeichnet, dass in Gegen-.

   21 wart eines Verbrennungs-Katalysators in der Gasturbine ein

   22 Kraftstoff eingebracht und mit Luft verbrannt wird.