DE102004004911A1 - Gasturbogruppe - Google Patents

Abstract

Eine Gasturbogruppe weist eine Brennkammer auf, welche eine katalytische Brennerstufe (2), eine stromauf der katalytischen Brennerstufe angeordnete Vorbrennerstufe (1) sowie eine stromab der katalytischen Brennerstufe angeordnete nichtkatalytische zweite Stufe (11, 5, 6) umfasst. Die Vorbrennerstufe dient dazu, am Eintritt in die katalytische Stufe eine Temperatur bereitzustellen, welche wenigstens einer zum Betrieb der katalytischen Brennerstufe erforderlichen Mindesttemperatur (T¶MIN¶) entspricht. Die Vorbrennerstufe ist nichtkatalytisch und bevorzugt im Interesse der Flammenstabilität als Diffusionsbrennerstufe ausgelegt. Es zeigt sich überraschenderweise, dass die markant erhöhte Stickoxidbildung, welche solche Vorbrennerstufen im Verbund mit katalytischen Brennern unattraktiv erscheinen lassen, bei einer Konfiguration mit einer nachgeschalteten nichtkatalytischen zweiten Brennerstufe weitgehend vermieden werden kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verbrennungsluft bereits eine hohe Temperatur aufweist, und die thermische Leistung der Vorbrenner dementsprechend gering ist. Gasturbogruppen mit hohem Druckverhältnis sind daher besonders geeignet. Mit Vorteil wird die Verbrennungsluft vorgängig dem Eintritt in die Brennkammer zur Kühlung von Maschinenkomponenten verwendet.

Description

• Technisches Anwendungsgebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbogruppe gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Die katalytische Umsetzung von Brennstoffen stellt eine Möglichkeit zur schadstoffarmen Wärmeerzeugung dar. Beim Einsatz in Gasturbogruppen ist aber die insbesondere aus Lebensdauergründen erforderliche Begrenzung der erreichbaren Temperaturen nachteilig. Das Erreichen der heute im Interesse guter Wirkungsgrade und hoher Einheitenleistungen angestrebten Turbineneintrittstemperaturen ist mit katalytischen Brennkammern alleine nicht möglich: Während die Brennkammern moderner Gasturbinen beispielsweise Heissgastemperaturen um 1450°C erzeugen, kann eine katalytische Brennkammer nur bis zu Temperaturen von rund 1000°C betrieben werden. Weiterhin erfordert der Betrieb einer katalytischen Brennkammer eine mindeste Eintrittstemperatur.
• Bei einer stationären Gasturbine, die ohne Verdichter-Zwischenkühlung bei Vollast-Druckverhältnissen über 20 bis 30 arbeitet, ist das Erreichen der mindesten Eintrittstemperatur bei Volllast aufgrund der Temperaturerhöhung der Luft bei der Verdichtung an sich unproblematisch; beim Anfahren und im Teillastbetrieb kann die mindesterforderliche Temperatur jedoch im Wesentlichen nicht erreicht werden. Zur Erreichung der mindesten Eintrittstemperatur unter allen Umständen sind Vorbrennersysteme bekannt. US 5,395,235 gibt solche Vorbrennersysteme an. Das dort zugrundeliegende Problem ist, über den gesamten Betriebsbereich einer Gasturbogruppe wenigstens eine Temperaturerhöhung von rund 350°C Verdichterendtemperatur auf rund 450°C Katalysator-Eintrittstemperatur zu realisieren. Gemäss der Lehre aus der US 5,395,235 soll die Verwendung einer nichtkatalytischen Vorbrennerstufe im Allgemeinen und einer Diffusionsvorbrennerstufe im Besonderen vermieden werden, da die hohen Stickoxidemissionen der nichtkatalytischen Vorbrenner bei der gezeigten Konfiguration die Vorteile der katalytischen Stufe zunichte machen. Die US 5,395,235 schlägt daher vor, den Diffusions-Vorbrenner durch einen katalytischen Vorbrenner zu ersetzen, der nur mit einem Teil des gesamten Brennluft-Massenstromes beaufschlagt wird, und der aufgrund der niedrigeren Strömungsgeschwindigkeit bereits bei niedrigeren Eintrittstemperaturen zu arbeiten vermag.
• EP 694 740 gibt an, eine selbstzündende Brennkammer des auch aus EP 669 500 bekannten Typs stromab einer katalytischen Stufe anzuordnen. Die maximale Austrittstemperatur des Katalysators von rund 1000°C – es werden in der EP 694 740 800°C bis 1100°C spezifiziert – passt bestens zu der für die stabile und sichere Funktion einer selbstzündenden Brennkammer notwendigen Mindesttemperatur, die je nach Brennstoff beispielsweise bei 900–950°C liegt. Derartige selbstzündende Brennkammern weisen aufgrund der vergleichsweise geringen thermischen Belastung – der zu bewältigende Temperaturunterschied liegt im Allgemeinen bei weniger als 600°C – des Betriebes bei einer guten Vormischung von Brennstoff und Verbrennungsgas, sowie einer sehr brennstoffarmen Verbrennung, was wiederum aufgrund der hohen Anströmtemperatur unproblematisch ist, einen sehr geringen Stickoxidausstoss und einen guten Ausbrand auf. EP 694 740 gibt an, einen Drallerzeuger eines aus EP 321 809 bekannten Vormischbrenners zur Aufbereitung der Brennstoff-Luft-Mischung für den Katalyten einzusetzen, betont jedoch, dass dort keine Flammenstabilisierung stattfinden dürfe. Insofern gibt EP 694 740 keinen Hinweis darauf, wie die mindesterforderliche Einströmtemperatur des Katalysators über einen breiten Betriebsbereich einer Gasturbogruppe zu gewährleisten sei.
• Darstellung der Erfindung
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gasturbogruppe der eingangs genannten Art anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere soll eine Gasturbogruppe so angegeben werden, dass über einen weiten Betriebsbereich der Gasturbogruppe eine hinreichend hohe Eintrittstemperatur für den sicheren und stabilen Betrieb einer katalytischen Brennerstufe bereitsteht, die Turbineneintrittstemperatur derart hoch gefahren werden kann, dass die Gasturbogruppe insbesondere auch in einer Kombianlage mit besten Wirkungsgraden betreibbar ist, und, dass die Schadstoffbildung, insbesondere an Stickoxiden, signifikant niedriger ist als bei konventionellen, nichtkatalytischen Brennkammern, so, dass der vergleichsweise aufwändige Einsatz einer katalytischen Brennkammer gerechtfertigt ist.
• Die Aufgabe wird mit der Gasturbogruppe gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Gasturbogruppe sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.
• Kern der Erfindung ist also, in einer Brennkammer einer Gasturbogruppe stromab einer katalytischen ersten Brennerstufe eine nichtkatalytische zweite Brennerstufe anzuordnen, welche bevorzugt als selbstzündende Brennkammer des aus EP 669 500 bekannten Typs ausgeführt ist. Die zweite Brennkammer ermöglicht es, die für moderne Gasturbogruppen üblichen Heissgastemperaturen zu erreichen, und damit höchste Wirkungsgrade und Leistungsdichten zu erreichen. Diese Kombination ist aus der EP 694 740 an sich bekannt. In Bezug auf den diesbezüglichen Offenbarungsgehalt wird ausdrücklich auf die EP 669 500 und die EP 694 740 verwiesen, welche diesbezüglich integrierende Bestandteile der vorliegenden Beschreibung darstellen. Es zeigt sich nunmehr, dass in Verbindung mit dieser Kombination die Verwendung einer nichtkatalytischen Vorbrennerstufe, welche im Interesse des stabilen und sicheren Betriebes bevorzugt als Diffusionsbrennerstufe ausgeführt wird, überraschenderweise äusserst vorteilhaft ist, und keineswegs die im Stand der Technik zitierten Nachteile in einer dramatischen Weise entfaltet. Im Vergleich zu der in US 5,395,235 beschriebenen Konfiguration ist die Austrittstemperatur aus der Brennkammer nämlich deutlich höher, weil ja stromab der hinsichtlich der Temperatur begrenzten katalytischen Brennerstufe eine nichtkatalytische zweite Brennerstufe angeordnet ist. Gerade dann, wenn die zweite Brennkammer als selbstzündende Brennkammer des aus EP 669 500 bekannten Typs ausgeführt ist, resultieren aufgrund des vergleichsweise geringen Temperaturhubes, der guten Vormischung der Reaktionskomponenten, und der kurzen Verweilzeiten der Gasspezies geringe Stickoxidemissionen. Weil der gesamte Temperaturhub vom Brennkammereintritt bis zum Brennkammeraustritt aber im Vergleich zur US 5,395,235 gross ist, ist der Anteil des Leistungsumsatzes in der Vorbrennerstufe gering, derart dass dessen Stickoxidproduktion nahezu nicht ins Gewicht fällt. Auf diese Weise wirkt die aus der EP 694 740 bekannte Brennkammer geradezu synergetisch mit der nichtkatalytischen Vorbrennerstufe zusammen.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Brennluftführung zur Brennkammer mit Vorteil derart beschaffen, dass nur ein Teilstrom des gesamten Verbrennungsluftmassenstroms durch die Brenner der Vorbrennerstufe geführt wird. Der verbleibende Teilstrom, welche im Allgemeinen deutlich mehr als die Hälfte des gesamten Brennluft-Massenstroms beträgt, wird über eine stromab der Vorbrennerstufe und stromauf der katalytischen Brennerstufe angeordnete Mischvorrichtung zugeführt, welche mit Vorteil so beschaffen ist, dass sie eine möglichst gute und homogene Vermischung der beiden Teilströme vor dem Eintritt in die katalytische Brennerstufe gewährleistet. Hierzu wird die Mischvorrichtung beispielsweise in der Form des Drallerzeugers eines aus EP 321 809 bekannten Vormischbrenners ausgeführt. So besteht die Mischvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform aus wenigstens zwei Umfangssegmenten eines zylinderartigen und/oder kegelstumpfartigen Hohlkörpers, die mit ihren Längsachsen im wesentlichen parallel zur Durchströmungsrichtung der Brennkammer angeordnet sind, wobei die Längsachsen der einzelnen Umfangssegmente quer zur Durchströmungsrichtung gegeneinander versetzt sind, wodurch tangential-radial orientierte Einströmöffnungen gebildet werden, wobei ein Brenner der Vorbrennerstufe mit einer stromaufwärtigen Stirnseite der Mischvorrichtung in Fluidverbindung steht, die katalytische Brennerstufe mit einer stromabwärtigen Stirnseite in Fluidverbindung steht, und die Einströmöffnungen mit einem Zuströmbereich der Brennkammer in Fluidverbindung stehen, derart, dass im Betrieb der Gasturbogruppe die Mischvorrichtung im Wesentlichen axial mit einem ersten, von der Vorbrennerstufe kommenden Gasmassenstrom durchströmt wird, und ein Brennluftmassenstrom mit einer tangentialen Strömungskomponente in die Mischvorrichtung einströmt.
• Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Vorbrennerstufe eine möglichst geringe Temperaturerhöhung bewirken muss. Dabei ist es einerseits von Vorteil, wenn die Gasturbogruppe derart gebaut ist, dass sie ein hohes Auslegungs-Druckverhältnis bei Nennleistung aufweist, welches beispielsweise grösser als 12 ist. Damit einher geht eine hohe Verdichter-Endtemperatur, welche vorteilhaft über 420°C liegt. Dabei ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Brennluftführung derart ausgestaltet ist, dass die Verbrennungsluft bevor sie zur Brennkammer gelangt thermisch hochbelastete Komponenten der Gasturbogruppe durch- oder umströmt, diese so kühlt, und dabei Wärme aufnimmt. Insbesondere wird die Verbrennungsluft vorteilhaft im Gegenstrom zur Heissgaströmung in der Brennkammer um die Aussenwände der Brennkammer herumgeführt. Auf diese Weise wird einerseits die thermisch hochbelastete Brennkammerwand konvektiv gekühlt, und andererseits wird die Verbrennungsluft sehr effizient weiter vorgeheizt, wodurch die von der Vorbrennerstufe aufzubringende thermische Leistung und damit deren Stickoxidproduktion weiter vermindert wird. Bei einer geeigneten Ausführung der erfindungsgemässen Gasturbogruppe, mit einem hohen Auslegungsdruckverhältnis und einer entsprechenden Führung der Verbrennungsluft zur Vorwärmung, ist die Temperatur der Verbrennungsluft beim Eintritt in die Brennkammer in einem weiten Betriebsbereich schon hoch genug für einen stabilen Betrieb der katalytischen Brennerstufe, derart, dass die Vorbrennerstufe überhaupt nicht mehr notwendigerweise betrieben werden muss; in einer bevorzugten Betriebsweise der erfindungsgemässen Gasturbogruppe bleiben die Brenner der Vorbrennerstufe dennoch fortwährend auf einer Minimalleistung zur Sicherstellung eines stabilen Eigenbetriebes zugeschaltet, was in transienten Betriebszuständen sehr von Vorteil ist, wie unten Ausführlich beschrieben wird.
• Beim Betrieb der erfindungsgemässen Gasturbogruppe ist es sehr von Vorteil, wenn die katalytische Stufe beim Anfahren bei einem thermischen Leistungsumsatz in Betrieb genommen wird, der bereits bei einer unterhalb der Nenndrehzahl der Gasturbogruppe liegenden Drehzahl vorliegt. Daraus folgt, dass im Betrieb der Gasturbogruppe bei Nenndrehzahl, und bevorzugt auch bei Abweichungen von der Nenndrehzahl innerhalb gewisser Grenzen, die katalytische Stufe vom Leerlaufbetrieb der Gasturbogruppe bis zur Volllast in allen Lastzuständen in Betrieb ist. Das bedeutet mit anderen Worten, dass die katalytische Stufe bereits vor dem Erreichen der netzsynchronen Drehzahl in Betrieb genommen wird, und erst beim Abstellen der Gasturbogruppe wieder ausser Betrieb genommen wird, dazwischen aber fortwährend in Betrieb ist. Temperaturwechselbeanspruchungen des Katalysators werden damit auf ein Minimum beschränkt. Wenn die Maschinendrehzahl, bei welcher die katalytische Stufe in Betrieb genommen wird, bevorzugt bei etwa 60% bis 85%, insbesondere 60% bis 75% der Nenndrehzahl liegt, erweist sich dies als besonders günstig. Der Abstand der Einschaltdrehzahl von der Nenndrehzahl von 15% oder 25% bis 40% gewährleistet, dass die katalytische Stufe auch bei Frequenzschwankungen eines Elektrizitätsnetzes und insbesondere bei instationären Vorgängen wie beispielsweise beim Abfangen einer Überdrehzahl zuverlässig in Betrieb bleibt. Auch beim Leerlaufbetrieb und beim Betrieb im unteren Lastbereich befindet sich die katalytische Brennerstufe im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren fortwährend im Betrieb. Die Maschinenregelung muss daher gerade bei geringer Last keine Schalttransienten auffangen, und starke Temperaturwechselbeanspruchungen des Katalysators werden vermieden.
• Die Aufteilung der Brennstoffmenge auf die katalytische Brennerstufe und die dieser nachgeschaltete nichtkatalytische Brennerstufe kann auf verschiedene Weisen erfolgen. In einer ersten Betriebsweise wird eine weitere Leistungssteigerung alleine durch eine Erhöhung der der katalytischen Stufe zugeführten Brennstoffmenge erreicht, solange, bis die Temperatur am Austritt aus der katalytischen Stufe wenigstens näherungsweise der maximal zulässigen Temperatur der katalytischen Stufe entspricht. Das heisst, der schadstoffarme Betrieb der katalytischen Stufe wird über einen maximalen Betriebsbereich genutzt. Die zweite, nichtkatalytische Brennerstufe wird beim Erreichen einer Schwellentemperatur am Austritt aus der katalytischen Brennerstufe gezündet, welche wenigstens näherungsweise der maximal dauerhaft zulässigen Temperatur der katalytischen Brennerstufe entspricht. In einer zweiten vorteilhaften Betriebsweise wird die zweite, nichtkatalytische Brennerstufe bereits vor Erreichen dieser maximal zulässigen Temperatur in Betrieb genommen, und mit einer wenigstens für einen stabilen und sicheren Betrieb ausreichenden Brennstoffmenge versorgt. Damit kann über die nichtkatalytische Brennerstufe besser auf schnelle Leistungsänderungen reagiert werden. Insbesondere wird die zweite nichtkatalytische Brennerstufe beim Erreichen oder Überschreiten einer Schwellentemperatur am Austritt aus der katalytischen Stufe in Betrieb genommen, welche wenigstens der minimal erforderlichen Eintrittstemperatur für den Betrieb einer selbstzündenden Brennkammer entspricht. In einer praktisch zu bevorzugenden Betriebsweise wird die Schwellentemperatur zwischen den beiden genannten Temperaturen festgelegt; damit ist eine hinreichend grosse Sicherheitsmarge sowohl gegen ein Verlöschen einer selbstzündenden zweiten nichtkatalytischen Brennerstufe als auch ein Überhitzen der katalytischen Brennerstufe gewährleistet.
• Auch hinsichtlich der Regelung einer verstellbaren Vorleitreihe sind verschiedene Betriebsweisen denkbar. Im Teillastbereich wird eine steigende Leistung der Gasturbogruppe bevorzugt durch eine Steigerung der der katalytischen Stufe zugeführten Brennstoffmenge erreicht. Das heisst, wenn eine Regelabweichung der Leistung vorliegt, wobei die Soll-Leistung über der Ist-Leistung liegt, wird die Brennstoffmenge zur katalytischen Stufe erhöht, und umgekehrt. Dabei erhöht sich die Austrittstemperatur aus der katalytischen Brennerstufe. Falls das Gesamt-Fahrkonzept der Gasturbogruppe, insbesondere auch die weiteren massgeblichen Temperaturen und Drücke, dies zulassen, wird dabei eine verstellbare Vorleitreihe soweit möglich geschlossen gehalten. Grundsätzlich sind bei der weiteren Leistungserhöhung zwei Betriebsarten sinnvoll und möglich: Einerseits wird die Vorleitreihe geschlossen gehalten, und die der katalytischen Brennerstufe zugeführte Brennstoffmenge wird erhöht, bis die Temperatur am Austritt aus dem Katalysator einem Zielwert, insbesondere näherungsweise der maximal zulässigen Temperatur, entspricht. Eine weitere Leistungssteigerung wird durch Erhöhung der Brennstoffzufuhr zur katalytischen Brennerstufe erreicht, wobei deren Austrittstemperatur durch eine Verstellung der Vorleitreihe konstantgehalten wird. Erst, wenn die Vorleitreihe vollständig geöffnet ist, wird die Brennstoffzufuhr zur zweiten Brennerstufe erhöht. Dieser Betriebsmodus gewährleistet im Allgemeinen den schadstoffärmsten Teillastbetrieb. Abhängig von den speziellen Randbedingungen, insbesondere beim Betrieb in einer Kombianlage, kann es aber auch hinsichtlich des Wirkungsgrades sehr vorteilhaft sein, nachdem bei geschlossener Vorleitreihe ein Zielwert für die Austrittstemperatur der katalytischen Stufe erreicht ist zunächst die Brennstoffzufuhr zur nichtkatalytischen zweiten Brennerstufe zu erhöhen, und dabei die Vorleitreihe geschlossen zu halten, bis entweder die Turbineneintrittstemperatur oder die Turbinenaustrittstemperatur einen Maximalwert erreicht. Die Brennstoffzufuhr der katalytischen Stufe wird dabei auf eine Konstanthaltung der Austrittstemperatur auf einem Sollwert geregelt. Weiterhin wird dann durch ein Öffnen der Vorleitreihe auf an sich bekannte Weise die Leistung weiterhin gesteigert, wobei diese auf bekannte und an anderen Orten ausführlich beschriebene Weise so geregelt wird, dass entweder die Turbineneintrittstemperatur oder die Turbinenaustrittstemperatur auf ihrem Maximalwert bleiben. Die gesamte Brennstoffmenge wird dabei in Abhängigkeit von der Regelabweichung der Leistung eingestellt. Dabei wird immer soviel Brennstoff zur Vorbrennerstufe geleitet, wie nötig ist, um die mindesterforderliche Eintrittstemperatur der katalytischen Stufe aufrechtzuerhalten, oder gegebenenfalls, um die Vorbrennerstufe eben im stabilen Betrieb zu halten; die Brennstoffmenge der katalytischen Stufe wird so geregelt, dass die Austrittstemperatur konstant auf dem Sollwert bleibt, und der darüber hinausgehende Anteil der gesamten Brennstoffmenge wird der nichtkatalytischen zweiten Brennerstufe zugeführt. Des Weiteren können zur Anpassung der Leistung auch andere an sich bekannte Massnahmen, wie die Kühlung der Verdichter-Ansaugluft, eine Zwischenkühlung im Verdichter, oder auch eine Einbringung von Dampf oder Wasser in die Turbine oder stromauf der Turbine herangezogen werden.
• Die katalytische Brennerstufe sowie die dieser Brennerstufe zugeführte Brennstoffmenge werden auf eine Austrittstemperatur von beispielsweise 900°C bis 950°C ausgelegt. Die gesamte Verbrennung kann somit innerhalb des Katalysators dieser Brennerstufe stattfinden. Die Brennstoffmenge wird dabei so eingestellt, dass die Austrittstemperatur stets kleiner als die maximal zulässige Temperatur des Katalysators ist. Auf diese Weise wird ein Flammenrückschlag vermieden und der Katalysator kann auch etwas länger dimensioniert sein als im Auslegungspunkt minimal erforderlich. Die Verbrennung ist besser kontrolliert, so dass der Betrieb bei Off-Design Betriebspunkten dadurch erleichtert wird. Weiterhin sind Variationen der Brennstoffeigenschaften unproblematisch und die Wahl des Katalysatormaterials ist freier.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
• 1 ein Beispiel für eine erfindungsgemässe Gasturbogruppe;
• 2 einen beispielhaften Verlauf der den unterschiedlichen Brennerstufen zugeführten Brennstoffmengen in Abhängigkeit von der relativen Drehzahl und der relativen Leistung der Gasturbogruppe;
• 3 einen beispielhaften Verlauf verschiedener Maschinenparameter bei einem Lastabwurf; und
• 4 ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemässe Gasturbogruppe.
• Wege zur Ausführung der Erfindung
• In 1 ist eine Gasturbogruppe dargestellt. Eine Turbine 4 und ein Verdichter 12 sind auf einer gemeinsamen Welle 15 angeordnet. Auf dem gleichen Wellenstrang ist weiterhin ein Generator 13 angeordnet. Der Verdichter 12 saugt Luft 21 aus der Umgebung an und verdichtet diese. Der Verdichter 12 weist weiterhin eine verstellbare Vorleitreihe 121 auf. Deren Position bestimmt im Wesentlichen den Ansaugvolumenstrom und damit bei vorgegebener Umgebungstemperatur und vorgegebenem Umgebungsdruck den Luftmassenstrom der Gasturbogruppe.
• Verdichtete Luft 22 wird zu einer unten noch im Detail erläuterten Brennkammer geführt. Wie ersichtlich ist, wird die verdichtete Luft vorgängig der Einleitung in die Brennkammer im Gegenstrom zu dem Heissgas innerhalb der Brennkammer an deren Aussenwänden vorbeigeführt. Dabei wird die Brennkammerstruktur konvektiv gekühlt und die im Nachgang der Verbrennung zugeführte Luft wird vorgewärmt. In der Brennkammer wird, wie unten ausgeführt, wenigstens eine Brennstoffmenge in der verdichteten luft verbrannt. Heisses gespanntes Rauchgas 24 strömt aus der Brennkammer ab und tritt mit der Turbineneintrittstemperatur T₃ in die Turbine 4 ein, wo der Rauchgasmassenstrom unter Abgabe einer Leistung entspannt wird. Das aus der Turbine abströmende Abgas 25 weist noch eine hohe Turbinenaustrittstemperatur T₄ von beispielsweise 500°C und darüber auf. Dieses Abwärmepotenzial wird bevorzugt auf an sich bekannte Weise genutzt, beispielsweise zur Dampferzeugung in einem Abhitzedampferzeuger. Die bei der Entspannung des Rauchgases erzeugte Leistung wird zum Antrieb des Verdichters 12 und des Generators 13 verwendet. Der Generator erzeugt eine mechanische Nutzleistung P_ACT. Ein Entsprechendes Messsignal wird zu einem Regler 31 geführt, und dort mit der Soll-Leistung P_SET verglichen. Ausgehend von der Regelabweichung der Leistung, P_SET–P_ACT, wird eine Gesamtbrennstoffmengen-Stellgrösse Y_FUEL gebildet. Ein Weiterer Regler 35 erfasst verschiedene Temperaturmesswerte. Die dort erfassten Temperaturen werden auf Sollwerte eingeregelt oder auf Maximalwerte begrenzt, indem über eine Stellgrösse Y_VIGV die Position der verstellbaren Vorleitreihe 121 gesteuert wird. Die Brennkammer umfasst einen Vorbrenner 1, welcher bevorzugt, aus Gründen der Stabilität des Betriebs, als Diffusionsbrenner ausgeführt ist. Ein Teil des Verbrennungsluftstroms wird über den Vorbrenner geführt. Es schliesst sich eine Mischsektion 14 an, welche vorliegend als Drallerzeuger in der Art des Drallerzeugers des aus EP 321 809 bekannten Brenners ausgeführt ist. Dort wird der erste, über den Vorbrenner 1 geführte Luftstrom 26 mit der verdrallten weiteren Verbrennungsluft vermischt. Stromab der Mischstrecke schliesst sich eine katalytische Brennerstufe 2 an. An die katalytische Stufe schliesst sich eine als selbstzündende Brennkammer der aus EP 669 500 bekannten Art ausgeführte nichtkatalytische zweite Brennerstufe an. Aus der katalytischen Stufe abströmendes Fluid strömt mit hoher Geschwindigkeit in einen Strömungskanal ein, in dem Wirbelerzeuger 11, insbesondere der aus CH 688868 bekannten Art, und eine Brennstofflanze 5 angeordnet sind. Der Kanal mündet mit einer sprunghaften Querschnittserweiterung in einem Brennraum 6, aus dem das Fluid 24 schliesslich zur Turbine 4 abströmt. Zur Funktion der katalytischen Brennkammer muss die Temperatur T₁ an deren Eintritt einen bestimmten Mindestwert von beispielsweise 450°C erreichen. Im Betrieb einer modernen Gasturbine liegt eine solche Temperatur im Lastbetrieb häufig ohnehin am Verdichteraustritt vor, wenn der Verdichter ohne Kühlung arbeitet. Die Umströmung der Brennkammer tut ein Übriges zur Erwärmung der Verbrennungsluft vor dem Einströmen in die Brennkammer. Für einen zuverlässigen Betrieb muss aber die Einhaltung der Mindesttemperatur stromauf des Katalysators unter allen Umständen gewährleistet werden. Ein Teilstrom ṁ_P der gesamten Brennstoffmenge ṁ_FUEL wird daher über ein Stellorgan 16 dem Vorbrenner 1 zugemessen. Das Stellorgan 16 wird in Abhängigkeit von einer Steuergrösse Y_P eingestellt. Die Temperatur T₁ am Eintritt in die katalytische Stufe wird bestimmt und zu einem Regler 32 geführt. Der Regler 32 vergleicht den Temperatur-Istwert T₁ mit dem Mindestwert T_MIN und bildet daraus die Stellgrösse Y_P. Es wird daher sichergestellt, dass stets eine mindest notwendige Eintrittstemperatur am Eintritt der katalytischen Brennkammer vorliegt. Die Regelung der Brennstoffmenge des Vorbrenners erfolgt bevorzugt so, dass auch bei einer Eintrittstemperatur der Verbrennungsluft, welche an sich schon den notwendigen Mindestwert überschreitet, immer eine Mindestbrennstoffmenge zugeführt wird, derart, dass der Vorbrenner 1 während des gesamten Betriebes der Gasturbogruppe im Betrieb ist, auch, wenn dies an sich nicht zwingend notwendig ist. Eine solche Betriebsweise erhöht zwar die Stickoxidemissionen der Gasturbogruppe. Dieser Nachteil wird aber durch betriebstechnische Vorteile wieder ausgeglichen. Wenn die Gasturbogruppe beispielsweise bei Volllast betrieben wird, ist der Betrieb des Vorbrenners 1 typischerweise nicht notwendig. Bei einem schnellen Entlasten oder gar einem Lastabwurf fällt die Temperatur der zuströmenden Verbrennungsluft 23 sehr schnell unter den Mindestwert, und der Betrieb des Vorbrenners 1 wird wieder absolut notwendig. Hierbei ist es von Vorteil, wenn nur dessen thermische Leistung erhöht werden muss, anstatt die Flamme des Vorbrenners in einem ohnehin transienten Betriebszustand erst wieder zünden zu müssen. Das von dem Vorbrenner 1 erzeugte Heissgas 26 wird in der Mischsektion 14 mit der weiteren Verbrennungsluft vermischt. Ein weiterer Teil ṁ_C des Brennstoffmassenstroms wird der derart erhitzten Verbrennungsluft stromauf der katalytischen Brennkammer 2 zugemischt. Diese Zumischung muss einerseits so erfolgen, dass beim Eintritt in den Katalysator ein möglichst homogenes Brennstoff-Luft-Gemisch vorliegt, und andererseits derart, dass es zu keiner Zündung und Flammenstabilisierung des Brennstoffs in dem heissen Gas kommt. Selbstverständlich kann in dem Katalysator nicht beliebig viel Brennstoff umgesetzt werden, da dessen maximal zulässige Temperatur begrenzt ist. Zur Zumessung der Brennstoffmenge ṁ_C zum Katalysator dient ein Stellorgan 17, welches mit der Stellgrösse Y_C vom Regler 33 aus angesteuert wird. Der Regler 33 erhält als Eingangsgrösse eine auf geeignete Weise ermittelte Temperatur T₂ am Austritt des Katalysators. Dabei kann die Brennstoffmenge ṁ_C des Katalysators so eingeregelt werden, dass die Temperatur T₂ einen zulässigen Maximalwert T_MAX von zum Beispiel 1000°C nicht überschreitet, die vom Katalysator im Dauerbetrieb ertragen werden kann. Diese Temperatur muss zwangsläufig grösser sein als die zum Betrieb der selbstzündenden Brennkammer 6 notwendige Mindesttemperatur. Dieser Betrieb ist schadstoffarm, da eine maximal mögliche Brennstoffmenge katalytisch umgesetzt wird. Eine von der Stellgrösse Y_FUEL angeforderte Soll-Gesamtbrennstoffmenge, welche den insgesamt vom Vorbrenner und vom Katalysator umsetzbaren Massenstrom überschreitet, wird vom Regler 34 erfasst, welcher daraus die Stellgrösse Y_SEV bildet. Diese wirkt wiederum auf das Stellorgan 18, und steuert damit den Brennstoffmassenstrom ṁ_SEV, welcher der selbstzündenden Brennkammer 6 über die Brennstofflanze 5 zugeführt wird. Eine andere Betriebsweise wäre, bereits beim Erreichen einer minimal notwendigen Eintrittstemperatur der selbstzündenden Brennkammer von zum Beispiel 900°C die Brennstoffmenge ṁ_C zu begrenzen, und den weiteren Teil der Gesamt-Brennstoffmenge ṁ_FUEL der selbstzündenden Brennkammer 6 zuzuleiten. Dieser Betriebszustand ist zwar tendenziell mit mehr Emissionen behaftet, bietet aber mehr Möglichkeiten für schnellere Regeleingriffe, da die thermische Leistung der nichtkatalytischen Brennerstufe im Allgemeinen schneller regelbar ist als die des Katalysators. Ganz entscheidend ist es aber im vorliegenden Beispiel, das Stellorgan 18 vollständig geschlossen zu halten, solange die für den Betrieb einer selbstzündenden Brennkammer erforderliche Mindesttemperatur noch nicht erreicht ist. In der Praxis liegen die beiden Temperaturen mit den heutzutage verwendeten Katalysatoren jedoch relativ nahe beieinander, so, dass nur in einem vergleichsweise kleinen Temperaturbereich für T₂ ein sicherer Betrieb sowohl der katalytischen Brennerstufe 2 als auch der selbstzündenden Brennkammer 6 möglich ist. Es ist daher von Vorteil, einen Sollwert für T₂ festzulegen, der einerseits um eine Sicherheitsmarge oberhalb der Mindest-Eintrittstemperatur der selbstzündenden Brennkammer 6 liegt, und andererseits um eine Sicherheitsmarge unterhalb der dauerhaft zulässigen Temperatur der katalytischen Stufe 2. Unter Zugrundelegung der oben angegebenen Temperaturen wäre hier ein Temperaturbereich von beispielsweise 950°C bis 980°C günstig; abhängig vom verwendeten Katalysatormaterial und dem Brennstoff können sich auch abweichende Temperaturbereiche als günstig erweisen. Der Betrieb erfolgt also im Zusammenspiel der Regler 31, 33 und 34 derart, dass bei einer Temperatur T₂ unterhalb eines Schwellenwertes zunächst nur der katalytischen Brennerstufe Brennstoff zugeführt wird. Bei Erreichen des Temperaturschwellenwertes regelt Regler 33 über die Stellgrösse Y_C die der katalytischen Stufe zugeführte Brennstoffmenge ṁ_C so, dass die Temperatur T₂ auf einem Sollwert verharrt, und ein überschreitender Teil der Gesamtbrennstoffmenge wird vom Regler 34 registriert, welcher über die Stellgrösse Y_SEV auf das Stellorgan 18 eingreift und den weder im Vorbrenner noch in der katalytischen Stufe umsetzbaren Brennstoff der nichtkatalytischen Brennerstufe zuleitet. Die Austrittstemperatur aus der katalytischen Brennerstufe kann weiterhin auch im Vorleitreihenregler 35 ausgewertet und für Regeleingriffe auf die Position der verstellbaren Vorleitreihe 121 verwendet werden. Dabei kann zwischen zwei grundsätzlich unterschiedlichen Betriebsmoden der Vorleitreihenregelung unterschieden werden, nämlich einem wirkungsgradoptimierten und einem schadstoffoptimierten Betriebsmodus. Der wirkungsgradoptimierte Betriebsmodus ist aus dem Stand der Technik an sich wohlbekannt und läuft folgendermassen ab: Der Vorleitreihenregler 35 erfasst auf geeignete Weise die Temperaturen T₃ vor und T₄ nach der Turbine. Im unteren Teillastbereich wird die verstellbare Vorleitreihe geschlossen gehalten. Auf diese Weise steigt die Temperatur T₄ nach der Turbine mit steigender Leistung der Gasturbogruppe sehr schnell an, wodurch bereits bei vergleichsweise geringer Leistung eine Temperatur erreicht wird, der es erlaubt, in einem nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger qualitativ hochwertigen Frischdampf eines bestimmten Druckes und einer bestimmten Überhitzung zu erzeugen, der beispielsweise den Betrieb einer Dampfturbine erlaubt. Beim Erreichen eines Sollwertes der Turbinenaustrittstemperatur T₄ wird die Vorleitreihe geöffnet, und die Temperatur wird konstantgehalten. Gleichzeitig wird die Turbineneintrittstemperatur T₃ überwacht. Wenn diese einen zulässigen Maximalwert erreicht, löst die Turbineneintrittstemperatur T₃ die Turbinenaustrittstemperatur T₄ als Leitgrösse der Regelung ab, umd wird bis zum Erreichen der Volllast, bei maximaler Turbineneintrittstemperatur und vollständig geöffneter Vorleitreihe, konstantgehalten. Dieser Betrieb gewährleistet einen besten Wirkungsgrad, insbesondere beim Kombibetrieb, da über einen weiten Betriebsbereich der Gasturbogruppe günstige Frischdampfdaten einer von einem nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger angespiesenen Dampfturbine gewährleistet werden. In einem emissionsoptimierten Betrieb wird im Teillastbereich die Katalysator-Austrittstemperatur T₂ als Leitgrösse für die Vorleitreihenverstellung verwendet: Sobald diese den Sollwert erreicht, wird die Vorleitreihe geöffnet. Die dadurch bewirkte Steigerung des Verbrennungsluftmassenstroms erlaubt eine Steigerung des Brennstoffmassenstroms ṁ_C der katalytischen Stufe, ohne dass eine zulässige Maximal-Austrittstemperatur T_MAX überschritten wird. Es ist damit möglich, eine maximale Menge an Brennstoff emissionsarm in der katalytischen Stufe umzusetzen. Die Temperatur T₃ vor der Turbine 4 bleibt dabei fortwährend vergleichsweise gering, auf dem Wert T₂, da stromab der katalytischen Stufe nicht mehr gefeuert wird. Erst wenn die Vorleitreihe 121 vollständig geöffnet ist, kann die Brennstoffmenge der katalytischen Stufe nicht mehr weiter gesteigert werden, und die nichtkatalytische Brennerstufe wird zur weiteren Leistungssteigerung in Betrieb genommen, bis die Turbineneintrittstemperatur T₃ ihren zulässigen Maximalwert erreicht, und damit die Maximalleistung der Gasturbogruppe erreicht wird. Dieser Betrieb zeichnet sich dadurch aus, dass über einen weiten Betriebsbereich die gesamte Brennstoffmenge nahezu emissionsfrei in der katalytischen Brennerstufe umgesetzt wird, und auch bis zum Vollastbetriebspunkt ein schadstoffärmerer Betrieb gewährleistet ist als im wirkungsgradoptimierten Betriebsmodus. Im Gegenzug bleibt die Temperatur T₄ nach der Turbine über einen weiten Betriebsbereich niedrig, und zwar zu niedrig, um in einem der Turbine nachgeordneten Abhitzedampferzeuger Frischdampf für einen effizienten Betrieb einer Dampfturbine im Kombibetrieb zu erzeugen. Dadurch, dass die Katalysatoraustrittstemperatur in keinem Betriebsmodus zur Leistungsregelung im oberen Lastbereich herangezogen werden muss, und unabhängig vom Maschinenbetriebspunkt die vorteilhafte Möglichkeit besteht, den Katalysator stets etwas unterhalb der zulässigen Maximaltemperatur zu betreiben, besteht keine Gefahr eines Flammenrückschlags, und der Katalysator kann etwas länger ausgeführt werden, als dies an sich notwendig wäre. Dies resultiert in einer besser kontrollierten Verbrennung, und in einem besseren Betriebsverhalten abseits vom Auslegungspunkt. Weiterhin besteht eine grössere Freiheit bei der Wahl des Katalysatormaterials, was unter Anderem zu einem wesentlichen Kostenvorteil führen kann, und die Bandbreite der umsetzbaren Brennstoffe wird grösser, ohne ein erhöhtes Flammenrückschlagsrisiko in Kauf nehmen zu müssen.
• In 2 ist in einer qualitativen Darstellung ein beispielhafter Verlauf der Brennstoffmassenströme in den verschiedenen Brennerstufen der in 1 dargestellten Brennkammer in Abhängigkeit von der relativen Drehzahl n/n ^, mit n ^ als Nenndrehzahl, und der relativen Leistung P/P ^, mit der Volllastleistung P ^, gezeigt. Dabei handelt es sich um eine schematische Darstellung, bei der nicht alle möglichen Details der Brennstoffmassenstromverläufe dargestellt sind, sondern die auf die Details fokussiert, die für das Verständnis der Erfindung wesentlich sind. Die nach oben aufgetragenen Werte sind jeweils auf einen Referenzwert Y ^ bezogen dargestellt. Auch handelt es sich nicht um Werte einer bestimmten Maschine, sondern um den Betrieb einer fiktiven, aber durchaus repräsentativen Gasturbogruppe. Die Zünddrehzahl der Gasturbogruppe liegt bei rund 25% der Nenndrehzahl. Die gesamte Brennstoffmenge wird zunächst dem Vorbrenner zugeleitet, und über dessen Befeuerung wird die Maschinendrehzahl weiter erhöht. Es ist von grossenm Vorteil, wenn hier zunächst nur der Vorbrenner, bevorzugt als Diffusionsbrenner, in Betrieb ist. Eine stabile Diffusionsflamme reagiert am unempfindlichsten auf schnelle Regeleingriffe während der Beschleunigungsphase, wie sie beispielsweise beim Schliessen der Verdichter-Ausblaseventile auftreten. Bevorzugt erst dann, wenn die Ausblaseventile geschlossen sind, aber noch unterhalb der Nenndrehzahl, kommt die katalytische Brennerstufe in Betrieb. Dabei muss die Befeuerung des Vorbrenners natürlich bereits so stark sein, dass die erforderliche Eintrittstemperatur der katalytischen Stufe oder von in den Betrieb zu nehmenden Segmenten der katalytischen Stufe auf oder über dem Mindestwert liegt. Im Beispiel wird die katalytische Stufe bei 75% der Nenndrehzahl in Betrieb genommen. Diese Drehzahl liegt weit genug von der Nenndrehzahl entfernt, damit die katalytische Stufe im Leerlaufbetrieb, oder auch bei Unterdrehzahlen nach dem Abfangen eins Lastabwurfs, sicher im Betrieb bleibt und keinen Schalttransienten ausgesetzt ist. Beim weiteren Erhöhen der Maschinendrehzahl kann auch die katalytische Stufe verstärkt zur Feuerungsleistung beitragen, weshalb deren Brennstoffmassenstrom ṁ_C steigt. Da mit steigender Maschinendrehzahl auch die Luftmenge steigt, andererseits aber die Temperatur vor der katalytischen Stufe gehalten werden muss, steigt auch der Brennstoffmassenstrom der Vorbrennerstufe ṁ_P weiter an. Ab der Nenndrehzahl beginnt die Gasturbogruppe Leistung aufzunehmen. Im Ausführungsbeispiel erfolgt die gesamte Leistungsaufnahme im Lastbereich bis etwa 20% Relativleistung durch die katalytische Brennerstufe. Erst später wird die nichtkatalytische zweite Brennerstufe durch Zufuhr einer Brennstoffmenge ṁ_SEV in Betrieb genommen. Wie oben dargelegt, hängt die Inbetriebnahme einer selbstzündenden zweiten Brennkammer in erster Linie von der Temperatur nach der katalytischen Stufe ab. Es ist daher an sich eine Frage der Dimensionierung der Brennerstufen, wann die zweite Brennkammer tatsächlich in Betrieb zu nehmen sei. Es ist jedoch von Vorteil, wenn dieses erst bei einer Leistung erfolgt, die oberhalb der im Lastbetrieb möglichen Minimalleistung der Gasturbogruppe liegt, um während des Synchronisiervorgangs nicht mit Schaltvorgängen der Brenner konfrontiert zu werden. In einer weiteren, nicht dargestellten vorteilhaften Betriebsvariante wird bis in einen Bereich zwischen 5 und 10% relativer Leistung die Brennstoffmenge ṁ_C der katalytischen Stufe konstant gehalten, und die gesamte Leistungsfeuerung während des Synchronisierens erfolgt durch den Vorbrenner, da dieser auf den transienten Synchronistionsvorgang wesentlich besser zu reagieren vermag. Gemäss der dargestellten Figur bleibt der Brennstoffmassenstrom der Vorbrennerstufe bis 25% Relativlast konstant. Die Eintrittstemperatur in die katalytische Stufe wird damit komfortabel oberhalb des erforderlichen Minimalwertes eingestellt, da ja mit steigendem Druckverhältnis und steigender Feuerungsleistung die Temperatur der Verbrennungsluft ohnehin ansteigt. Im Bereich von 20% Relativleistung bis 25% Relativleistung wird die Austrittstemperatur der katalytischen Stufe von der Mindesttemperatur für den Betrieb der zweiten Brennkammer auf die zulässige Maximaltemperatur gesteigert.
• Oberhalb von 25% Relativleistung wird der Brennstoffmassenstrom ṁ_P der Vorbrennerstufe langsam zurückgenommen, da mit steigendem Brennstoff-Luft-Verhältnis der katalytischen Stufe deren Betriebssicherheit steigt, und andererseits mit dem Druckverhältnis die Verbrennungslufttemperatur steigt. Bei 75% Relativleistung wäre im Ausführungsbeispiel eine Feuerung der Vorbrennerstufe nicht mehr notwendig. Der Brennstoffmassenstrom ṁ_P der Vorbrennerstufe wird dennoch nicht auf 0 zurückgefahren, um einen sicheren Eigenbetrieb des Vorbrenners aufrechtzuerhalten, und so bei einem plötzlichen Leistungsabfall der Gasturbogruppe spontan und ohne vorheriges Zünden mit einer Erhöhung der Brennstoffmenge der Vorbrennerstufe zu reagieren und ein Verlöschen der katalytischen Stufe zu vermeiden.
• Ein solcher schneller Leistungsabfall liegt bei einem Lastabwurf vor. Diese Vorgänge sind in 3 qualitativ dargestellt. Die Grössenordnung der nach oben aufgetragenen Werte ist nicht quantitativ mit den in 2 dargestellten Werten vergleichbar. Der Lastabwurf erfolgt bei t = 5 Sekunden. In kürzester Zeit geht die Drehzahl n auf eine Überdrehzahl, die durch eine Verminderung der thermischen Leistung abgefangen werden muss, um eine kritische Überdrehzahl zu vermeiden. Während des Vorgangs soll die Gasturbogruppe im Betrieb bleiben. Die nichtkatalytische zweite Brennerstufe wird sofort abgeschaltet. Gleichzeitig wird der Vorbrenner 1 mit einer erhöhten vorgesteuerten Brennstoffmenge versorgt, so dass die katalytische Brennerstufe 2 nicht erlischt. Der Brennstoffmassenstrom ṁ_C zur katalytischen Brennerstufe 2 wird dann so geregelt, dass die Nenndrehzahl erreicht und nicht signifikant unterschritten wird. Die Vorleitreihe VIGV bleibt während des gesamten Vorgangs des Abfangens und Einregelns der Maschinendrehzahl voll geöffnet, um nicht noch weitere variable Parameter in die Maschinenregelung einzubringen; erst nachdem die Maschinendrehzahl stabil auf Nenndrehzahl eingeregelt ist, wird die Vorleitreihe langsam geschlossen.
• 4 zeigt abschliessend, wie sich eine erfindungsgemässe Gasturbogruppe durch eine Umkonstruktion einer an sich aus EP 620 362 bekannten Gasturbogruppe mit sequentieller Feuerung aufbauen lässt. Ein schematische Darstellung des Heissgaspfades einer aus EP 620 362 bekannten Gasturbogruppe zeigt 4a. Stromab eines nicht dargestellten Verdichters 12 ist eine Hochdruckbrennkammer 7, umfassend einen Vormischbrenner 8 und einen Brennraum 9, angeordnet. Dort erzeugtes gespanntes Heissgas wird in einer ersten Hochdruckturbine 10 teilentspannt und in einer sich anschliessenden selbstzündenden zweiten Brennkammer nacherhitzt, bevor es in einer zweiten Turbine 4 weiter entspannt wird. Die Laufschaufeln der Turbinen 4 und 10 sind auf einer gemeinsamen Welle 15 angeordnet, und treiben den Verdichter 12 sowie einen Leistungsverbraucher, beispielswiese einen nicht dargestellten Generator, an. In der Darstellung gemäss 4b ist die erste Turbine weggelassen worden. Der Vormischbrenner 8 ist durch einen Diffusions-Vorbrenner 1 ersetzt. An Stelle des ersten Brennraums 9 ist eine katalytische Brennerstufe 2 installiert. Die selbstzündende Brennkammer 3 und die Turbine 4 sind an sich unverändert übernommen. Die Welle 15 ist im Bereich der jetzt nicht mehr vorhandenen ersten Hochdruckturbine modifiziert und vereinfacht worden. Weiterhin wird zweckmässig der nicht dargestellte Verdichter 12 beispielsweise durch weglassen von zwei Axialverdichterstufen an das niedrigere Druckverhältnis angepasst, mit dem die Gasturbogruppe nach Weglassen der Hochdruckturbine betrieben wird. Ausgehend von einer aus EP 620 362 bekannten Gasturbogruppe mit sequentieller Verbrennung sind also nur Veränderungen im Bereich der Hochdruckturbine, der Hochdruckbrennkammer, sowie der letzten Verdichterstufen notwendig, um eine bei guten Leistungswerten schadstoffarm betreibbare Gasturbogruppe mit katalytischer Brennerstufe zu erhalten; wesentliche Bestandteile wie die Niederdruckturbine 4, die Niederdruckbrennkammer 3, und die Gehäusestrukturen können prinzipiell unverändert übernommen werden.

1

Vorbrenner, Vorbrennerstufe

2

katalytische Brennerstufe

3

Niederdruckbrennkammer, selbstzündende

Brennkammer, nichtkatalytisceh Brennerstufe

4

Turbine

5

Brennstofflanze

6

Brennraum der selbstzündenden Brennkammer

7

Erste Brennkammer, Hochdruck-Brennkammer

8

Vormischbrenner

9

Brennraum der Hochdruckbrennkammer

10

Hochdruckturbine

11

Wirbelerzeuger

12

Verdichter

13

Generator

14

Mischsektion

15

Welle

16

Stellorgan

17

Stellorgan

18

Stellorgan

21

Umgebungsluft

22

verdichtete Luft

23

Verbrennungsluft

24

gespanntes Rauchgas

25

entspanntes Rauchgas, Abgas

26

Luftstrom des Vorbrenners

31

Regler

32

Regler

33

Regler

35

Regler

121

verstellbare Vorleitreihe

ṁ_FUEL

Gesamt-Brennstoffmassenstrom

ṁ_C

Brennstoffmassenstrom zur katalytischen

Brennerstufe

ṁ_P

Brennstoffmassenstrom zum Vorbrenner

ṁ_SEV

Brennstoffmassenstrom zur nichtkatalytischen

Brennkammer

n

Rotordrehzahl

n ^

Rotor-Nenndrehzahl

P_ACT

Ist-Nutzleistung

P_SET

Soll-Nutzleistung

P/P ^

Relativleistung

T₁

Temperatur am Eintritt in die katalytische

Brennkammer

T₂

Temperatur am Austritt der katalytischen

Brennkammer

T₃

Temperatur vor der Turbine

T₄

Temperatur nach der Turbine, Abgastemperatur

T_MIN

minimal erforderliche Temperatur am Eintritt in

die katalytische Brennkammer

T_MAX

maximal zulässige Temperatur am Austritt der

katalytischen Brennkammer

VIGV

Stellung der verstellbaren Vorleitreihe

Y/Y ^

Relativwert

Y_FUEL

Stellgrösse für den Brennstoffmassenstrom

Y_C

Stellgrösse für den Brennstoffmassenstrom zur

katalytischen Brennerstufe

Y_P

Stellgrösse für den Brennstoffmassenstrom zur

Vorbrennerstufe

Y_SEV

Stellgrösse für den Brennstoffmassenstrom zur

nichtkatalytischen Brennkammer

Y_VIGV

Vorleitreihen-Stellgrösse

Claims (10)

1. Gasturbogruppe, umfassend wenigstens einen Verdichter (12), eine Turbine (4), sowie wenigstens eine Brennkammer, welche Brennkammer umfasst eine katalytische erste Brennerstufe (2); eine stromab der katalytischen Brennerstufe angeordnete nichtkatalytische zweite Brennerstufe (6); und eine stromauf der katalytischen Brennerstufe angeordnete Vorbrennerstufe (1); dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbrennerstufe eine nichtkatalytische Brennerstufe ist.
2. Gasturbogruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brenner der Vorbrennerstufe als Diffusionsbrenner ausgestaltet ist.
3. Gasturbogruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Vorbrennerstufe und stromauf der katalytischen Stufe eine Mischvorrichtung (14) zur Zuführung von Verbrennungsluft (23) in die Brennkammer und zur Vermischung der Verbrennungsluft mit den Rauchgasen der Vorbrennerstufe (26) angeordnet ist.
4. Gasturbogruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (14) aus wenigstens zwei Umfangssegmenten eines zylinderartigen und/oder kegelstumpfartigen Hohlkörpers besteht, die mit ihren Längsachsen im wesentlichen parallel zur Durchströmungsrichtung der Brennkammer angeordnet sind, wobei die Längsachsen der einzelnen Umfangssegmente quer zur Durchströmungsrichtung gegeneinander versetzt sind, wodurch tangential-radial orientierte Einströmöffnungen gebildet werden, wobei ein Brenner der Vorbrennerstufe (1) mit einer stromaufwärtigen Stirnseite der Mischvorrichtung in Fluidverbindung steht, die katalytische Brennerstufe (2) mit einer stromabwärtigen Stirnseite in Fluidverbindung steht, und die Einströmöffnungen mit einem Zuströmbereich der Brennkammer in Fluidverbindung stehen, derart, dass im Betrieb der Gasturbogruppe die Mischvorrichtung im Wesentlichen axial mit einem ersten, von der Vorbrennerstufe kommenden Gasmassenstrom (26) durchströmt wird, und ein Brennluftmassenstrom (23) mit einer tangentialen Strömungskomponente in die Mischvorrichtung einströmt.
5. Gasturbogruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennluftführung der Gasturbogruppe zur Führung eines Brennluftstroms durch Kühlkanäle von Komponenten der Gasturbogruppe zur Brennkammer ausgestaltet ist.
6. Gasturbogruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennluftführung der Gasturbogruppe zur Führung der Brennluft entlang einer Aussenwand der Brennkammer im Gegenstrom zur Strömung in der Brennkammer ausgestaltet ist, dergestalt, dass verdichtete Luft die Brennkammerwand im Gegenstrom kühlt und anschliessend als Brennluft der Brennkammer zugeführt wird.
7. Gasturbogruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennluftführung der Brennkammer zur Führung eines Teiles der Verbrennungsluft zur Vorbrennerstufe und eines Teiles der Verbrennungsluft zu einer in der Brennkammer stromab der Vorbrennerstufe angeordneten Mischvorrichtung vorgesehen ist.
8. Gasturbogruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brenner der nichtkatalytischen zweiten Brennerstufe ein selbstzündender Brenner ist.
9. Gasturbogruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbogruppe für ein Nenn-Druckverhältnis grösser als 12 ausgelegt ist.
10. Gasturbogruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter-Endtemperatur bei Nenn-Betriebsbedingungen grösser als 420°C ist.