Gasturbinenanlage

Abstract

 Um bei Gasturbinenanlagen, die bevorzugt als Kraftfahr­zeugantrieb eingesetzt werden sollen, eine schadstoff­arme Verbrennung zu erreichen, wird eine Zweistufen­brennkammer mit katalytischer Verbrennung in der ersten Stufe vorgeschlagen. Die zweite Stufe hat die Aufgabe, bei Beschleunigungs- und Vollastbetrieb die benötigte Zusatzenergie bereitszustellen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage der im Oberbegriff des ersten Anspruchs angegebenen Art sowie auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Gasturbinenanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 18.

[0002] Bei der bisherigen Auslegung von Brennkammern für Gasturbinen, die in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Personenkraftwagen eingesetzt werden sollen, hat man bisher nur Wert darauf gelegt, einen hohen Ausbrenngrad und eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erzielen.

[0003] Aufgrund gesetzlicher Verschärfungen auf dem Abgassektor von Brennkraftmaschinen müssen nun auch bei der Kon­struktion von Gasturbinen und hier insbesondere deren Brennkammern auf die festgelegten Schadstoffemissions­grenzen erhöhter Wert gelegt werden. Die bei der Aus­legung zu berücksichtigenden Einflußgrößen, die für die Schadstoffentstehung bestimmend sind, ergeben sich aus der Analyse der reaktionskinetischen Vorgänge in der Brennkammer. Die wichtigsten Einflußgrößen hierbei sind die Primärzonentemperatur und das Äquivalenzverhältnis, der Grad der Vorvermischung und der Verbrennungshomo­genität in der Primärzone, die Verweilzeit der Verbren­nungsprodukte in der Primärzone, das "Einfrieren" der Reaktionsprodukte in Wandnähe der Brennkammer und die Zwischenzonentemperatur und -verweilzeit.

[0004] Die Schwierigkeit der Auslegung schadstoffarmer Brenn­kammern besteht in der gegensätzlichen Auswirkung der Einflußgrößen auf die einzelnen Schadstoffanteile. So führen z.B. niedrige Primärzonentemperaturen zu einer geringen NO-Emission, jedoch gleichzeitig zu einer hohen CO-Konzentration aufgrund der verminderten Oxidations­rate.

[0005] Um diese Probleme zu lösen, ist es aus der EP-A 0 144 094 bekannt, eine katalytisch unterstützte Verbrennung vorzusehen, indem ein Katalysator in der Brennkammer vorgesehen wurde. Aufgrund der katalytisch unterstützten Verbrennung kann die Brennstoffoxidation über die Erlöschgrenze hinaus in sehr mageren Brennstoff-Luft-Verhältnissen und niedrige Reaktions­temperaturen verlagert werden. Somit besteht eine Möglichkeit, gleichzeitig die NO- und CO-Emission zu vermindern, ohne die Leistungsausbeute oder den Brenn­stoffverbrauch zu erhöhen. Als Brennstoffe können in der Brennkammer flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe, Kohlesuspension und Wasserstoff eingesetzt werden.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art einen platzsparenden Aufbau vorzuschlagen.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­nenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß kompakte Abmessungen der gesamten Anlage erzielt werden, da sämtliche Ver­sorgungsleitungen für die zweite Stufe der Brennkammer in den Ringraum gelegt werden können. Die Verbrennungs­luft für die zweite Stufe übt hierfür eine Kühlwirkung aus.

[0008] Die Strömungsverengung zwischen der ersten und zweiten Stufe - wie die Weiterbildung nach Anspruch 2 beschreibt - hat den Vorteil, daß hierdurch Flammenrückschläge aus der zweiten Stufe der Brennkammer vermieden werden.

[0009] Eine bevorzugte Einbringungsmöglichkeit des Brennstoffs in die erste Stufe der Brennkammer, die eine gute und schnelle Vermischung mit der Luft sicherstellt, be­schreibt Anspruch 3. Hierbei ist bzw. sind der bzw. die Vorverdampfer so auszulegen, daß er bzw. sie einen geringen Druckverlust bewirken und eine ausreichende Aufenthaltszeit zur nahezu vollständigen Verdampfung des Brennstoffs gewährleisten.

[0010] Die Weiterbildung nach Anspruch 4 hat den Vorteil, daß dadurch der bereits verdampfte Brennstoff homogen mit der Luft gemischt wird. Dadurch wird eine ungleichför­mige Vermischung verhindert, so daß keine lokalen Brennstoffanreicherungen, die bei Erreichen stöchio­metrischer Verhältnisse zur Ausbildung von Flammenrück­schlägen in das insgesamt magere Brennstoff-Luft-­Gemischführen, stattfinden können. Die Auslegung der Vermischungszone nach dem Prinzip des Diffusionsbrenners hat darüber hinaus den Vorteil, daß die Mischungszeiten unterhalb der Zündverzugszeiten begrenzt werden.

[0011] Durch die Weiterbildung nach Anspruch 5 ist es möglich, einen einfach aufgebauten und zu fertigenden Katalysator zu schaffen, der den Erfordernissen nach einer voll­ständigen Verbrennung bei gleichzeitiger Verminderung der NO- und CO-Emission durch einen einfachen Aufbau gewährleistet.

[0012] Eine bevorzugte Anordnung des Katalysators beschreibt Anspruch 6. Aufgrund der fortschreitenden Temperatur­erhöhung bei der Brennstoffoxidation sind die ersten Katalysatorsegmente so aufgebaut, daß sie bei niedrigen Reaktionstemperaturen aktiv werden. Die sich an­schließenden Katalysatorsegmente weisen einen hohen Oxidationseffekt auf, so daß sich die Reaktionstempera­tur und damit die Luftaufheizung erhöht.

[0013] Durch die Weiterbildung nach Anspruch 7 werden Kataly­satorsegmente geschaffen, die wirtschaftlich herstellbar sind. Sie zeichnen sich durch eine Tragestruktur aus, die aus einem Substrat sowie einer Zwischenhaftschicht bestehen, auf die der Katalysator aufgedampft wird. Die Ansprüche 8 und 9 beschreiben geeignete Werkstoffe.

[0014] Die Porösität des Substrates wird so gewählt, daß der Druckverlust klein ist. Mit der Weiterbildung nach Anspruch 10 wird ein Druckverlust in der gesamten Brennkammer erreicht, der nicht größer als 5 % ist.

[0015] Zur Steuerung der Verbrennung in der zweiten Stufe der Brennkammer wird die Weiterbildung nach Anspruch 11 vorgeschlagen. Damit wird eine gesteuerte Nachverbren­nung zur Einstellung von maximalen Prozeßtemperaturen erreicht.

[0016] Da die Brennkammer als Ringbrennkammer ausgebildet ist, kann der in Längsachse liegende Raum für zusätzliche Bauteile - wie Anspruch - 12 lehrt genutzt werden. Hierbei wird durch die Luft eine Kühlung und Wärme­isolation gegenüber den heißen Wänden der Brennkammer geschaffen. Auch können dort die Brennstoffleitungen zur zweiten Stufe der Brennkammer angeordnet werden, ohne daß zusätzliche Wärmeisolationsmaßnahmen vorgesehen werden müssen, ohne die der Brennstoff in seinen Lei­tungen verdampfen würde, so daß sich Ablagerungen bilden könnten, die zu einem Zuwachsen der Leitungen führen würden.

[0017] Aufgrund der vorgeschlagenen Brennkammergeometrie ist hierbei auch eine ausreichende Lagerungsmöglichkeit für den Stellmotor und die Betätigungsglieder gegeben, so daß eine exakte Steuerung der Lufteinlaßöffnungen bei hoher Lebensdauer der Betätigungsglieder und des Stell­motors erzielt wird.

[0018] Zwei alternative Möglichkeiten zur Steuerung der Luft­einlaßöffnungen beschreiben Anspruch 13 und 14. Eine Vereinfachung - ohne negative Beeinflußung der Verbren­nung in der zweiten Stufe der Brennkammer - der Steue­rung der Lufteintrittsöffnung beschreibt Anspruch 15.

[0019] Um eine gute Zerstäubung zu erreichen, wird die Weiter­bildung nach Anspruch 16 vorgeschlagen. Die Lage der notwendigen Zündeinrichtungen beschreibt Anspruch 17.

[0020] Die Ansprüche 18 - 20 beschreiben ein bevorzugtes Verfahren zum Betreiben der Gasturbinenanlage mit der erfindungsgemäß aufgebauten Brennkammer. So kann auf­grund der Ausbildung der zweistufigen Brennkammer dort die Verbrennung zum Starten eingeleitet werden und so der Katalysator gleichsam von rückwärts erwärmt werden. Dies geschieht sehr schnell, so daß bereits kurze Zeit nach dem Start die Brennstoffoxidation in der ersten Stufe der Brennkammer eingeleitet werden kann.

[0021] Durch die Weiterbildung nach Anspruch 19 wird erreicht, daß die Temperaturerhöhung in der Brennkammer gesteuert werden kann, um optimale Ausbrenngrade zu erzielen.

[0022] Um Beschleunigungswerte der Gasturbine ähnlich dem Hubkolbenmotor zu erzielen, sowie um Leistungsspitzen abzudecken, eignet sich ebenfalls die zweite Stufe der Brennkammer, wie Anspruch 20 vorschlägt.

[0023] Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 einen schematisierten Aufbau einer Gasturbinenanlage für Fahrzeuge;

Fig. 2 eine Längsansicht, teilweise als Längsschnitt der erfindungsgemäß aufgebauten Brennkammer.

[0024] In Fig. 1 ist als Beispiel schematisiert einen Zwei­wellen-Gasturbinenanlage dargestellt. Sie besteht in an sich bekannter Weise aus dem Verdichter 1, dem Wärme­tauscher 2, der Brennkammer 3, der Verdichterturbine 4 sowie der Nutzturbine 5. An der Ausgangswelle der Nutzturbine 5 ist ein an sich bekanntes Untersetzungs­getriebe 6 angeordnet, dessen Ausgangswelle bei der Verwendung der Gasturbinenanlage in einem Kraftfahrzeug - mit dem Kraftfahrzeuggetriebe verbunden ist.

[0025] Der Verdichter 1 saugt Umgebungsluft an und führt sie durch den Wärmetauscher 2, der von den erwärmten Abgasen nach Verlassen der Nutzturbine 5 durchströmt wird. Die so verdichtete und erwärmte Luft wird in die Brennkam­mer 3 geleitet, wo sie mit Hilfe von Brennstoff eine weitere Temperaturerhöhung erfährt. Sodann wird sie zu der Verdichterturbine 4 zum Antrieb des Verdichters 1 und zu der Nutzturbine 5 zum Antrieb des Untersetzungs­getriebes 6 geleitet, von wo aus sie nach Durchströmen des Wärmetauschers 2 und evtl. Schalldämpfeinrichtungen in die Umgebung abgeführt wird.

[0026] Um eine derartige Gasturbinenanlage mit max. Prozeßtem­peraturen und geringer Schadstoffemission sowie optima­len Start- und Vollast- sowie Beschleunigungsbedingungen betreiben zu können, wird die in Fig. 2 dargestellte Brennkammer vorgesehen.

[0027] Fig. 2 zeigt in der oberen Bildhälfte eine Seitenansicht und in der unteren Bildhäfte einen schematisierten Querschnitt durch die erfindungsgemäß aufgebaute Brenn­kammer 3. Diese ist als zweistufige Kopf-Ringbrennkammer mit einer Längsachse 7 und den beiden Stufen 8 und 9 aufgebaut. Die erste Stufe 8 ist als Hauptbrennkammer ausgeführt. Der Brennstoff wird über Vorverdampfer 10, die sternförmig auf der äußeren Stirnseite 11 verteilt angeordnet sind, eingebracht. Über Lufteinlaßöffnun­gen 12, die auf dem diffusorartig ausgebildeten Umfang der ersten Stufe 8 angeordnet sind, strömt die zur Brennstoffoxidation notwendige, von dem Verdichter 1 verdichtete und über den Wärmetauscher 2 erhitzte Luft in die Brennkammer. In der Vorvermischungszone 13 mischen sich Luft und verdampfter Brennstoff zu einer homogenen Mischung, wobei die Mischungszeiten aufgrund der Auslegung der Hauptbrennkammer unterhalb der Zünd­verzugszeiten bleiben.

[0028] Sodann gelangt das dampfförmige Brennstoff-Luft-Gemisch zu dem Katalysator 14, welcher aus einzelnen koaxial zur Längsachse 7 angeordneten ringförmigen Segmenten 15 aufgebaut ist. Dadurch wird eine gestufte Katalyse bewirkt. Am Eintritt des Brennstoff-Luft-Gemisches werden Segmente 15 verwendet, die bei niedrigen Reak­tionstemperaturen aktiv sind. Ihnen schließen sich weitere Segmente 15 hoher Oxidationseffektivität an, in denen sich die Reaktionstemperatur und damit die Luft­aufheizung erhöht. Diese katalytischen Segmente sind in Tragstrukturen befestigt und bestehen aus einem Substrat sowie einer Zwischenhaftschicht, auf die der Katalysa­torwerkstoff aus der Werkstoffgruppe des Platins aufge­dampft ist. Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen von ca. 1 450° K werden hohe Anforderungen an die Werkstoffe gestellt. Die Porösität des Substrates, für das man Legierungen aus Magnesium, Aluminium und Titan verwen­ det, wird so eingestellt, daß der Druckverlust klein ist. Man kann einen Druckverlust der gesamten Brenn­kammer von nicht mehr als 5 % erreichen, wenn die Substratstruktur mindestens 50 Zellen/cm² aufweist.

[0029] Aus dem Katalysator 14 strömen die Reaktionsprodukte durch die Strömungsverengung 16 in die zweite Stufe 9 der Brennkammer 3. Die Strömungsverengung 16 hat die Aufgabe, Flammenrückschläge aus der zweiten Stufe der Brennkammer in den Katalysator, die zu seiner unweiger­lichen Zerstörung führen würden, zu verhindern.

[0030] In die zweite Stufe 9 der Brennkammer 3 wird der Brenn­stoff mit Hilfe luftunterstützter Zerstäuberdüsen 17 eingeleitet. Neben den Zerstäuberdüsen 17 sind die Zündkerzen 18 zum Zünden des in der zweiten Stufe 9 befindlichen Brennstoff-Luft-Gemisches vorgesehen. Aufgrund des Aufbau der Ringbrennkammer werden die Zerstäuberdüsen 17 auf der Innenwand der Brennkammer angeordnet und über innerhalb der Ringbrennkammer liegende Brennstoffversorgungsleitungen 19 mit Brenn­stoff versorgt. Diese zweigen von der Hauptbrennstoff­leitung 20, an die die Vorverdampfer 10 angeschlossen sind, ab.

[0031] Die zweite Stufe 9 der Brennkammer 3 weist auf ihrem Umfang verteilt angeordnete Lufteinlaßöffnungen 21 und 22 auf, wobei die Lufteinlaßöffnungen 21 auf der Außen­seite und die Lufteinlaßöffnungen 22 auf der Innenseite der ringförmigen Kopfbrennkammer angeordnet sind. Zur Steuerung der Luftzufuhr in die zweite Stufe der Brenn­kammer sind die inneren Lufteinlaßöffnungen 22 mit einem Lochring 23 versehen, welcher von einem Stellmotor 24 über Betätigungsglieder 25 gedreht werden kann. Sowohl der Stellmotor 24 als auch die Betätigungsglieder 25 können koaxial zur Längsachse 7 der Brennkammer ange­ ordnet werden. Separate Wärmeisolationsmittel sind hier nicht notwendig, wenn der von der Ringbrennkammer umschlossene Innenraum aufgrund der zugeführten Luft gekühlt wird.

[0032] In Strömungsrichtung der Reaktionsprodukte am Ausgang der zweiten Stufe der Brennkammer 9 sind weitere Luft­einlaßöffnungen 26 und 27 auf dem inneren bzw. äußeren Umfang der Brennkammer verteilt angeordnet. Durch diese Lufteinlaßöffnungen 26 und 27 kann das geforderte Temperaturprofil am Brennkammeraustritt, insbesondere in deren Wandbereich, beeinflußt werden.

[0033] Zum Starten der Gasturbinenanlage wird Brennstoff über die Leitungen 20 und 19 zu den luftummantelten Zerstäu­berdüsen 17 geleitet. Gleichzeitig wird die Verdichter­turbine über einen entsprechenden Anlassersatz beschleu­nigt, so daß verdichtete und mäßig erwärmte Luft über den noch kalten Wärmetauscher zu den Lufteinlaßöffnun­gen 12 sowie 21, 22 und 26, 27 in die erste und zweite Stufe der Brennkammer strömen kann. Da zum Starten der Gasturbinenanlage der Lochring 23 so eingestellt wird, daß der max. Öffnungsquerschnitt Lufteintrittsöffnung 22 freigegeben wird, kann sich dort ein brennfähiges Gemisch bilden, welches über die Zündeinrichtung 18 gezündet wird. Die dort eingeleitete Verbrennung bewirkt eine Erwärmung der Katalysatorsegmente 15 und liefert gleichzeitig erwärmte Reaktionsprodukte, die im Wärme­tauscher 2 die von dem Verdichter 1 gelieferte verdich­tete Luft weiter erwärmen.

[0034] Sobald der Katalysator 14 seine Arbeitstemperatur erreicht hat, wird Brennstoff über die Vorverdampfer 10 in die erste Stufe 8 der Brennkammer eingeleitet. Damit liefert die Brennkammer Reaktionsprodukte, die sowohl die Verdichterturbine 4 als auch die Nutzturbine 5 antreiben können. Die Verbrennung wird in der zweiten Stufe 9 der Brennkammer nach dem Anlaufen des Gasturbi­nensatzes zurückgefahren, indem der Lochring 23 so verdreht wird, daß sich die Lufteinlaßöffnungen 22 verschließen. Jedoch wird durch luftummantelten Ver­stäuberdüsen 17 weiterhin eine geringe Menge Brennstoff zugeführt, so daß dort eine Art Pilotflamme aufrechter­halten wird.

[0035] Zum Beschleunigen des von dem Gasturbinensatz angetrie­benen Fahrzeuges wird in der zweiten Stufe der Brennkam­mer 3 die Luftzufuhr über den Lochring 23 sowie der Brennstoffzufuhr über die Zerstäuberdüsen 17 wieder erhöht, so daß hier eine merkliche Nachverbrennung stattfindet und damit eine merkliche Temperaturerhöhung. Ebenso wird dies bei Vollast durchgeführt.

Ansprüche

1. Gasturbinenanlage, insbesondere zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, mit einer Brennkammer (3) zum Erzeugen des Arbeitsmediums der Nutzturbine (5), wobei die Brennkammer (3) als Zweistufen-­Brennkammer mit katalytischer Verbrennung in der als Kopf-Brennkammer ausgebildeten ersten Stufe (8) aufgebaut ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (3) als Ring-Brennkammer mit einem als Ring ausgebildeten Katalysator aufgebaut ist.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten (8) und zweiten Stufe (9) der Brennkammer (3) eine Strömungsverengung (16) in Richtung auf die zweite Stufe (9) vorgesehen ist.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff in die erste Stufe (8) über einen Vorverdampfer (10) eingebracht wird.

4. Gasturbinenanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (3) der ersten Stufe (8) aus einer Vorvermischungszone (13) nach dem Diffusionsbrennerprinzip und einer Ver­brennungszone mit Katalysator (14) - in dieser Reihenfolge in Strömungsrichtung der Luft betrach­tet - aufgebaut ist.

5. Gasturbinenanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (14) aus mehreren ringförmigen Einzelscheibensegmen­ten (15) aufgebaut ist.

6. Gasturbinenanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung des Brennstoff-Luftgemisches zuerst die Segmente mit niedrigerer Reaktionstemperatur und dann anschließend die Segmente mit hoher Reaktionstem­peratur angeordnet sind.

7. Gasturbinenanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente aus einem Substrat mit einer Zwischenhaftungsschicht und einer darauf aufgebrachten Katalysatorschicht bestehen.

8. Gasturbinenanlage nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Legierungen aus Magnesium, Aluminium und Titan besteht.

9. Gasturbinenanlage nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysatorwerk­stoff Werkstoffe aus der Werkstoffgruppe des Platins vorgesehen sind.

10. Gasturbinenanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes Katalysatorseg­ment zwecks geringen Druckverlustes mindestens 50 Zellen/cm² aufweist.

11. Gasturbinenanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stufe (9) der Brennkammer (3) ansteuerbare, verstellbare Lufteinlaßöffnungen (22) aufweist.

12. Gasturbinenanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Lufteinlaßöffnungen (22) aus einem in der Längs­achse (7) der Ring-Brennkammer (3) angeordneten Stellmotor (24) mit Betätigungsgliedern (25) besteht.

13. Gasturbinenanlage nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Luftein­laßöffnungen (22) von einem verdrehbaren Loch­ring (23) bestimmt ist.

14. Gasturbinenanlage nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Luftein­laßöffnungen (22) von einem verschiebbar angeord­neten Ring bestimmt ist.

15. Gasturbinenanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß Lufteintrittsöff­nungen (21,22,26,27) auf dem inneren und äußeren Umfang der zweiten Stufe (9) der Brennkammer (3) angeordnet sind und nur die inneren Lufteintritts­öffnungen (22) mit einem Ring (Lochring 23) ver­sehen sind.

16. Gasturbinenanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Einbringung des Brennstoffs in der zweiten Stufe (9) mindestens eine luftunterstützte Zerstäuberdüse (17) vorge­sehen ist.

17. Gasturbinenanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß in unmittelbarer Nähe der Zerstäuberdüse (17) eine Zündkerze (18) ange­ordnet ist.

18. Verfahren zum Betreiben der Gasturbinenanlage nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Starten der Brenn­kraftmaschine die Verbrennung in der zweiten Stufe eingeleitet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Luftzufuhr in der zweiten Stufe der Brennkammer in Abhängigkeit des Luftbedarfs im Katalysator durch­geführt wird.

20. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Beschleunigen und bei Vollast die Leistungsabgabe der zweiten Stufe der Brennkammer erhöht wird.

Zeichnung