DE4140653C2 - Gasturbineneinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbineneinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Gasturbineneinrichtung ist aus der DE-OS 22 61 262 bekannt. Bei dieser Gasturbineneinrichtung ent­ hält der Gasgenerator als Einzelkomponenten einen Luftver­ dichter, eine Brennkammer und eine Verdichterturbine. Der Verdichter und die Verdichterturbine sind auf einer gemein­ samen Welle angeordnet. Die Leistungsturbine ist als soge­ nannte Freifahr-Turbine ausgeführt, also nicht mechanisch, sondern aero-thermodynamisch mit der Verdichterturbine ge­ koppelt. Der Brennkammer ist ein größerer Teil der verdich­ teten Luft und ein gasförmiger Brennstoff zugeführt. Das in der Brennkammer erzeugte Heißgas treibt die Verdichtertur­ bine an und wird weitergeleitet zur Leistungsturbine.

In der aus der DE-OS 22 61 262 bekannten Einrichtung wird ein Teil der verdichteten Luft verwendet, um das in der Brennkammer erzeugte Heißgas in einer Kühlzone der Kammer auf eine Gaseintrittstemperatur der Verdichterturbine abzu­ kühlen.

Als eine alternative Maßnahme zum Schutz der Verdichtertur­ bine ist dem Fachmann die Möglichkeit bekannt, einen Teil der verdichteten Luft der Verdichterturbine direkt als Kühlmittel zuzuführen. Die Luft wird in die innere Struktur der Turbinenschaufeln eingeführt, um die Temperatur der Schaufeln unter einem bestimmten vom Schaufelwerkstoff ab­ hängigen Wert zu halten. Die Kühlluft leistet keine Arbeit und ist für den thermodynamischen Kreisprozeß als verloren anzusehen.

Aus der CH-PS 646 492 ist eine Gasturbinenanlage bekannt, bei der in die dort einzige Turbine Brennstoff eingespritzt und mit katalytischer Unterstützung verbrannt wird. Diese Maßnahme erfolgt allerdings nicht zu Kühlzwecken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinen­ einrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei der die Kühlluft im Gesamtprozeß besser genutzt ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Gasturbineneinrich­ tung, mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Die vorgeschlagene Gasturbineneinrichtung hat eine vorteil­ haft erhöhte Ausgangsleistung, bezogen auf eine gegebene Turbinengröße. Eine Leistungserhöhung um etwa 15% ist mög­ lich. Außerdem kann aufgrund der erhöhten Abgastemperatur in einem kombinierten Prozeß, d. h. mit nachgeschalteter Dampfturbine, ein erhöhter thermischer Wirkungsgrad erzielt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine Gasturbineneinrichtung mit einem Gasgenerator 1 und einer Leistungsturbine 2. Der Gasgenera­ tor 1 enthält einen Verdichter 3 für atmosphärische Luft L, der gemeinsam mit einer Verdichterturbine 4 auf einer Welle 5 angeordnet ist. Ein größerer Teil der Verdichterluft und gasförmiger Brennstoff B sind einer Brennkammer 6 zuge­ führt. Das in der Brennkammer 6 durch Entzündung des Brenn­ stoffs B erzeugte Heißgas H ist der Verdichterturbine 4 zu­ geführt. Ein kleinerer, aber nicht unwesentlicher Teil der verdichteten Luft ist als Kühlmittel K vom Verdichter 3 ab­ gezweigt und nach Zumischung eines gasförmigen Zusatzbrenn­ stoffs ZB in einer Menge von etwa 2 bis 4 Vol.-% der Luft­ menge der Verdichterturbine 4 zugeführt. Anstelle einer Mischung von Kühlluft und Zusatzbrennstoff vor der Zufüh­ rung zur Verdichterturbine kann auch eine getrennte Zufüh­ rung der Gase zur Verdichterturbine erfolgen. Der übliche gasförmige Brennstoff B bzw. Zusatzbrennstoff ZB ist Erd­ gas.

An der Verdichterturbine 4 tritt ein Kühlmittel-Heißgas-Ge­ misch G aus, das über eine Leitung 7 einem katalytischen Reaktor 8 zugeführt ist. Das im Reaktor 8 katalytisch nachverbrannte Gemisch G ist der Leistungsturbine 2 als energiereiches Gas E zugeführt, die schließlich Abgas A abgibt.

Der katalytische Reaktor 8 enthält einen Katalysator, der bevorzugt mit einer keramischen oder metallischen Honigwa­ benstruktur als Träger und mit einer Platin- oder Palla­ dium-Beschichtung auf dem Träger ausgeführt ist.

Zur Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Maßnahmen wird nachstehendes ausgeführt.

Es versteht sich, daß das Verhältnis von Zusatzbrennstoff ZB zu Kühlluft K unterhalb einer unteren Grenze gehalten werden muß, um die Gefahr einer Explosion zu vermeiden. Diese Grenze ist durch Prozeßbedingungen, insbesondere die Temperatur und den Druck gegeben.

Sobald das Heißgas G mit dem Kühlmittel K in der Verdich­ terturbine 4 gemischt wird, beginnt eine Oxidation des hauptsächlich im Zusatzbrennstoff ZB enthaltenen Methans CH₄, wobei Wärme frei wird. Allerdings ist die Verweilzeit der Gasmischung in der Verdichterturbine 4 und der Leitung 7 zu kurz, um eine vollständige Umwandlung in CO₂ und Wasser sicherzustellen. Es käme somit zu einer unerwünsch­ ten Emission von Kohlenmonoxid CO und von unverbrannten Kohlenwasserstoffen UHC, wenn kein katalytischer Reaktor 8 vorhanden wäre. Der katalytische Reaktor 8 beschleunigt jedoch den Oxidationsvorgang so, daß keine Schadstoff­ emission entsteht.

Claims (2)

1. Gasturbineneinrichtung mit

   • a) einem Gasgenerator (1), der einen Luftverdichter (3), eine Brennkammer (6) und eine Verdichterturbine (4) aufweist,
   • b) einer Leistungsturbine (2), die aero-thermodynamisch mit der Verdichterturbine (4) gekoppelt ist durch Führung eines aus der Verdichterturbine (4) austre­ tenden Gasgemisches (G) in einer Leitung (7) zur Lei­ stungsturbine (2), und
   • c) einem katalytischen Reaktor (8), der in die Leitung (7) zwischen Verdichter- und Leistungsturbine einge­ fügt ist,
2. dadurch gekennzeichnet, daß

   • d) einem als Kühlmittel (K) abgezweigten Teil der ver­ dichteten Luft ein gasförmiger Zusatzbrennstoff (ZB) in einer Menge von etwa 2 bis 4 Vol.-% des Luftvolu­ mens zugeführt ist,
   • e) dieses Gasgemisch der Verdichterturbine (4) zu Kühl­ zwecken zugeführt ist, und
   • f) im katalytischen Reaktor (8) durch Nachverbrennung aus dem gasförmigen Zusatzbrennstoff (ZB) ein ener­ giereiches Gas für die Leistungsturbine (2) gebildet ist.