DE3739197A1

DE3739197A1 - Verfahren zur vermeidung der selbstentzuendung eines brennstoff/luft-gemisches im bereich der vormischkammer und des drallkoerpers zwischen vormischkammer und brennkammer einer gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE3739197A1
Application number: DE19873739197
Authority: DE
Inventors: Johannes Dipl Chem Schober
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1986-11-21
Filing date: 1987-11-19
Publication date: 1988-06-01

Description

Verfahren zur Vermeidung der Selbstentzündung eines Brennstoff/ Luft-Gemisches im Bereich der Vormischkammer und des Drallkörpers zwischen Vormischkammer und Brennkammer einer Gasturbinenanlage.

Technisches Gebiet

Gasturbinenanlagen zur Umwandlung der in einem flüssigen oder gasförmigen Brennstoff verfügbaren chemischen Energie in mecha nische Arbeit. Offener Gasturbinenkreislauf (Ioule-Prozeß) mit direkter Wärmeübertragung: Verbrennungsgas als thermo dynamisches Arbeitsmittel.

Die Erfindung bezieht sich auf die Vorgänge im Bereich der Bereitstellung eines Gemisches chemischer Stoff/Oxydations mittel (z. B. Brennstoff/Luftgemisch) vor der Arbeitsmaschine (Gasturbine) unter besonderer Berücksichtigung der Zündbedin gungen.

Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Vermeidung der Selbstentzündung eines Brennstoff/Luft-Gemisches im Bereich der Vormischkammer und des Drallkörpers zwischen Vormisch kammer und Brennkammer einer Gasturbinenanlage.

Stand der Technik

Im offenen Gasturbinen-Kreisprozeß wird der Brennstoff mit dem Sauerstoff enthaltenden Oxydationsmittel (Luft) gemischt und das Gemisch zur Zündung gebracht. Die Verbrennungsgase durchströmen als Arbeitsmittel die Turbine. An die der Turbine vorgeschalteten Misch- und Zündungsorgane werden besondere materialtechnische und konstruktive Anforderungen gestellt. Diese werden mehr und mehr zusätzlich durch vom Umweltschutz her bedingte Forderungen bestimmt. Die Bildung umweltschädlicher Stickstoffoxyde bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe zum Betrieb von Gasturbinen oder Kesselanlagen hängt u. a. weit gehend vom Temperaturprofil der Flamme ab, welches wiederum vom über den Flammenquerschnitt mehr oder weniger stark variie renden Brennstoff/Luft-Verhältnis beeinflußt wird. Eine häufig angewendete Möglichkeit zur Senkung der Stickoxyd-Emission solcher Anlagen besteht darin, daß man hohe Temperaturspitzen vermeidet, indem ein Teil der Verbrennungsluft dem Brennstoff bereits vor Eintritt in die eigentliche Brennkammer zugemischt wird, um so Flammenzonen mit hohem Brennstoffüberschuß zu vermeiden. Vergleiche A. Sotheran, D. E. Pearce und D. L. Oberton, Some Practical Aspects of Staged Premixed, Low Emissions, Combustion Transactions of the ASME, 107, 1985, Januar, S. 2 bis 9.

Das derart gebildete Brennstoff/Luft-Teilgemisch passiert vor Eintritt in die Brennkammer in der Regel noch sogenannte "Drallkörper", in denen es beschleunigt wird und zwecks Stabi lisierung der Flamme einen Rechts- oder Linksdrall erhält. Der Drallkörper besteht aus einem mit gekrümmten Leitschaufeln versehenen Ringspalt. In diesem Fall sind vor der Turbine Vormischkammer, eine Brennkammer und ein dazwischenliegender Drallkörper vorgesehen.

Obwohl die Austrittsgeschwindigkeit des Brennstoffs/Luft in die Brennkammer ein Vielfaches der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flammenfront beträgt und damit ein Zurückschlagen der Flamme in die Vormischkammer ausgeschlossen werden kann, konnten in der Praxis Fälle beobachtet werden, in denen die dünnen Drallkörperschaufeln durch hohe thermische Beanspruchung an geschmolzen und zerstört wurden, obwohl sie durch den etwa 320°C warmen Gasstrom ausreichend gekühlt sein sollten.

Die weiteren Untersuchungen haben folgendes ergeben:

Es ist bekannt, daß sich Methan/Sauerstoff-Gemische bei Tem peraturen über 1000°C von selbst entzünden können und die Selbstentzündungstemperatur mit steigendem Wasserstoffgehalt bis auf ca. 700°C absinken kann (siehe R. K. Cheng und A. K. Oppenheim, Autoignition in Methane-Hydrogen Mixtures Combustion and Flame 58, 1984, S. 125 bis 39). In den beobachteten Fällen war der Wasserstoffgehalt des als Brennstoff verwendeten Erd gases aber so niedrig, daß die Selbstentzündungstemperatur des in der Vormischkammer erzeugten Gasgemischs mit Sicherheit über 1000°C gelegen hat. Daß selbst Metalle wie das als Katalysator wohlbekannte Nickel Erdgas/Luft-Gemische erst über 1000°C zur Entzündung bringen, wurde gezeigt (siehe N. M. Laurendeau, Thermal Ignition of Methane-Air Mixtures by Hot Surfaces, Combustion and Flame 46, 1982, S. 29 bis 49).

Aus der Petrochemie ist ferner bekannt, daß sich Methan bei Temperaturen über 700°C bei Kontakt mit der Reaktoroberfläche zu zersetzen beginnt, wobei das aus Stahl bestehende Reaktor material in die Reaktion mit einbezogen wird. Um die daraus resultierenden Rußablagerungen zu verhindern, verwendet man chromhaltige Stähle, auf deren Oberflächen durch gezielte Voroxydation spinellartige Oxydschichten erzeugt werden, die einen Angriff des darunterliegenden Materials verhindern sollen (siehe G. J. Horsley und J. A. Cairns, the Inhibition of Carbon Deposition on Stainless Steel by Prior Selective Oxidation, Application of Surface Science 18, 1984, S. 273 bis 86). Hin weise, daß derartige Reaktionen auch bei Temperaturen ablaufen, die wesentlich unterhalb von 700°C liegen, scheinen indessen zu fehlen. Trotzdem spricht alles dafür, daß die beobach teten Schäden an den Drallkörpern durch katalytische Zündung des Brennstoff/Luft-Gemisches an der Metalloberfläche selbst zurückzuführen sind.

Aus dem Gesagten geht hervor, daß ein Bedürfnis zur Verbesse rung des Verhaltens von Brennstoff/Luft-Gemischen im Bereich vor der Turbine vorhanden ist. Eine unkontrollierbare Selbst zündung des Gemisches ist unerwünscht.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Vermeidung der Selbstzündung eines Brennstoff/Luft-Gemisches im Bereich der Vormischkammer und des Drallkörpers zwischen Vormischkammer und Brennkammer einer Gasturbinenanlage anzu geben, welches einen kontrollierbaren Betrieb gewährleistet und Schäden an den besagten Organen verhindert.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im eingangs erwähnten Verfahren die vom Gasstrom berührten Oberflächen mit einer glatten, temperaturbeständigen nichtmetallischen Oberflächen schicht versehen werden, oder daß die vom Gasstrom berührten Oberflächen der Vormischkammer mit einer glatten, temperatur beständigen nichtmetallischen Oberflächenschicht versehen werden und daß der Drallkörper aus einem eine glatte Ober fläche aufweisenden, temperaturbeständigen keramischen Werk stoff gefertigt wird.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 den schematischen Längsschnitt durch die der Turbine vorgeschalteten Organe einer Gasturbinenanlage,

Fig. 2 den Längsschnitt durch einen vereinfachten Drallkörper einer Gasturbinenanlage.

In Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch die der Turbine vorgeschalteten Misch- und Zündungsorgane einer Gas turbinenanlage dargestellt. 1 ist eine im wesentlichen durch ein zylindrisches Rohr nach außen begrenzte Vormischkammer, welche das Brennstoff/Luftvorgemisch 7 führt. In der Regel ist eine Vielzahl derartiger Vormischkammern vorhanden. (In Fig. 1 nur deren 3 eingezeichnet.) Nach innen wird die Vormisch kammer 1 durch ein zentrales Brennstoffzuführungsrohr 2 begrenzt, welches vom Brennstoff 8 durchströmt wird. Das Ganze mündet in den Drallkörper 3 ein, welcher nach außen durch einen kegelförmigen Mantel begrenzt ist und im Innern eine Vielzahl von im Raum gekrümmten Leitschaufeln 4 besitzt. 5 ist die im wesentlichen aus einem zylindrischen Rohr bestehende Brenn kammer. 6 stellt die zum Beispiel aus einem temperaturbestän digen keramischen Werkstoff oder einem Oxyd bestehende Ober flächenschicht dar. (In Fig. 1 nur in einer Vormischerkammer und in einem Drallkörper eingezeichnet.)

Fig. 2 zeigt den Längsschnitt durch einen vereinfachten Drall körper einer Gasturbinenanlage. Der Drallkörper 3 ist allsei tig, inklusive im Raum gekrümmter Leitschaufeln 4, mit einer die Selbstentzündung des durchströmenden Brennstoff/Luft-Ge misches verhindernden temperaturbeständigen Oberflächenschicht 6 überzogen.

Laboratoriumsversuche an einem von einem Brennstoff/Luft-Ge misch (Luftverhältnis = l,8) durchströmten, von außen be heizten Drahtnetzmantel aus korrosionsbeständigem Cr/Ni-Stahl haben folgendes gezeigt:

Beim Durchströmen des blanken, nichtbeschichteten, nicht mit weiteren Stoffen belegten Drahtnetzes konnte bei Temperatu ren bis zu 500°C keinerlei Oxydation des Brennstoffes fest gestellt werden. Wurde dagegen das gleiche Drahtnetz mit fri schem Fe₂O ₃ belegt, wurde die Oxydation des Brennstoffs bereits bei verhältnismäßig tiefen Temperaturen katalytisch eingelei tet und bei 350 bis 400°C derart beschleunigt, daß Selbst entzündung des Gemisches mit Flammenerscheinungen eintrat. Es konnte gezeigt werden, daß die Gefahr der Selbstentzündung immer dann bestand, wenn feinverteiltes Eisen oder Eisenoxyde auf dem Substrat vorhanden war. Dies gilt auch für nicht zusam menhängende Oxydschichten des Substrats, welche die darunter liegende Metallmatrix nicht genügend zu schützen vermögen. Wurde das obige Drahtnetz mit einem nichtmetallischen, anor ganischen Überzug (Keramik, Oxyd) oder einem eine dichte zusammenhängende Schutzoxydschicht bildenden Metall beschichtet, konnte die Selbstentzündung des Gemisches auch dann wirksam verhindert werden, wenn diese Oberflächenschicht zusätzlich mit Eisenoxyden belegt (verschmutzt) war.

Als die Selbstentzündung von Brennstoff/Luft-Gemischen verhindern de Stoffe bieten sich an: Keramische Stoffe, Oxyde, Emaille, Siliziumnitrid, Titannitrid, Bornitrid etc.

Ausführungsbeispiel I Siehe Fig. 2!

Der aus einem legierten Stahl bestehende Drallkörper 3 mit 16 im Raum gekrümmten Leitschaufeln 4 wurden allseitig mit einer 0,01 mm dicken Oberflächenschicht aus mit Y₂O₃ stabili siertem ZrO₂ überzogen. Zu diesem Zweck wurde das Plasmaspritz- Verfahren herangezogen. 7 derartig beschichtete Drallkörper 3 wurden zwischen die Vormischkammern und die Brennkammer einer Gasturbinenanlage eingebaut. Nach 1000 h Betriebsdauer mit einem Erdgas/Luft-Gemisch konnten keinerlei Rückzündungen und keine Anschmelzungen an den Drallkörpern 3 festgestellt werden.

Ausführungsbeispiel II Siehe Fig. 1!

Nach dem chemischen Niederschlagsverfahren aus der Dampfphase wurden die vom Gasstrom berührten Oberflächen der Vormisch kammern 1, der zentralen Brennstoffzuführungsrohre 2 und der Drallkörper 3 mit einer Oberflächenschicht von ca. 0,005 mm Dicke aus Siliziumnitrid versehen. Auch bei hoher Luftvor wärmtemperatur konnten nach 800 h bei einem Betrieb der Gas turbinenanlage mit einem Schweröl/Luft-Gemisch keine Verän derungen oder Anschmelzungen an den besagten Bauteilen fest gestellt werden.

Ausführungsbeispiel III Siehe Fig. 1!

Die Vormischkammern 1, die zentralen Gaszuführungsrohre 2 und die Drallkörper 3 einer mit Erdgas betriebenen Gasturbinen anlage wurden durch Emaillieren mit einer ca. 0,03 mm dicken Oberflächenschicht überzogen. Nach 2000 h Betriebsdauer konnten keinerlei Rückzündungen in der Anlage festgestellt werden.

Ausführungsbeispiel IV Siehe Fig. 1 und 2!

Die Innenflächen von Vormischkammern 1 sowie die zentralen Brennstoffzuführungsrohre 2 einer Gasturbinenanlage wurden nach dem Auftragsverfahren mit einer 0,01 mm dicken Schicht von metallischem Aluminium versehen. Dann wurden diese Werk stücke einer oxydierenden Atmosphäre zur Erzielung dichter Oxydschichten ausgesetzt. Die Oberflächenschichten hatten durchschnittlich eine Dicke von 0,01 mm.

Der Drallkörper 3 mit 15 Leitschaufeln 4 wurde vollständig aus Al₂O₃-Pulver durch Dichtsintern hergestellt. Die fertigen Sinterkörper wiesen eine Dicke von 97% des theoretischen Wertes auf.

Nach einem Betrieb von 1200 h in einer mit Heizöl betriebenen Gasturbinenanlage konnten an den genannten Misch- und Zündor ganen keinerlei Schäden festgestellt werden.

Die Erfindung ist keineswegs auf die Ausführungsbeispiele be schränkt. Als die Selbstzündung von Brennstoff/Luft-Gemischen verhindernde Stoffe für die Oberflächenschicht 6 sowie deren gesamten Drallkörper 3 kommen unter anderem folgende Werk stoffe und Werkstoffkombinationen in Betracht:

ZrO₂
TiO₂
ZrO₂/TiO₂
ZrO₂/Y₂O₃
ZrO₂/SiO₂
TiO₂/Y₂O₃
TiO₂/SiO₂
ZrO₂/TiO₂/Y₂O₃
ZrO₂/TiO₂/SiO₂
ZrO₂/Y₂O₃/SiO₂
TiO₂/Y₂O₃/SiO₂
ZrO₂/TiO₂/Y₂O₃/SiO₂
Al₂O₃
Si-Nitride
Ti-Nitride
B N
Emaille

Zur Erzeugung dichter Al₂O₃- oder TiO₂-Oberflächenschichten können ferner die Metalle Al und Ti herangezogen und nach Auftrag auf dem Werkstück in oxydierender Atmosphäre O₂-haltiges Medium in ihre Oxyde übergeführt werden.

Die temperaturbeständige nichtmetallische Oberflächenschicht, welche grundsätzlich aus einem keramischen Überzug, aus Oxy den oder Mischungen von Oxyden etc. bestehen, kann durch Emaillie ren, Plasmaspritzen, mittels Methode des physikalischen oder chemischen Niederschlags aus der Dampfatmosphäre (PVD bzw. CVD) auf die Innenseite der Vormischkammer 1 und auf dem Drall körper 3 aufgebracht werden.

Der Drallkörper 3 kann auch vollständig aus temperaturbeständi gem keramischen Werkstoff gefertigt werden, während die Vor mischkammer 1 lediglich mit dem gleichen oder einem anderen oben angegebenen Werkstoff beschichtet wird.

Claims

1. Verfahren zur Vermeidung der Selbstentzündung eines Brenn stoff/Luft-Gemisches (7, 8) im Bereich der Vormischkammer (1) und des Drallkörpers (3) zwischen Vormischkammer (1) und Brennkammer (5) einer Gasturbinenanlage, dadurch ge kennzeichnet, daß die vom Gasstrom berührten Oberflächen mit einer glatten, temperaturbeständigen nichtmetallischen Oberflächenschicht (6) versehen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (6) aus einem keramischen Überzug aus einem oder mehreren Oxyden besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Überzug aus ZrO₂, TiO₂ oder einer Mischung dieser Oxyde, mit Zusätzen von Y₂O₃ und/oder SiO₂ oder aus Al₂O₃besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (6) aus Siliziumnitrid oder Bor nitrid besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (6) durch Emaillieren, Plasmaspritzen, physikalischen oder chemischen Niederschlag aus der Dampf phase auf der Innenseite der Vormischkammer (1) und auf dem Drallkörper (3) aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (6) durch Auftragen von metallischem Aluminium oder Titan und nachfolgendem Oxydieren in einem sauerstoffhaltigen Medium erzeugt wird.

7. Verfahren zur Vermeidung der Selbstentzündung eines Brenn stoff/Luft-Gemisches (7, 8) im Bereich der Vormischkammer (1) und des Drallkörpers (3) zwischen Vormischkammer (1) und Brennkammer (5) einer Gasturbinenanlage, dadurch ge kennzeichnet, daß die vom Gasstrom berührten Oberflächen der Vormischkammer (1) mit einer glatten, temperaturbe ständigen nichtmetallischen Oberflächenschicht ( 6) versehen werden und daß der Drallkörper (3) aus einem eine glatte Oberfläche aufweisenden, temperaturbeständigen keramischen Werkstoff gefertigt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (6) der Vormischkammer (1) sowie der gesamte Drallkörper (3) aus ZrO₂, TiO₂ oder einer Mi schung dieser Oxyde, mit Zusätzen von Y₂O₃ und/oder SiO₂ oder aus Al ₂O₃ besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (6) der Vormischkammer (1) sowie der gesamte Drallkörper (3) aus Siliziumnitrid oder Bornitrid besteht.