DE816624C

DE816624C - Method and device for avoiding corrosive components in the working medium of gas turbines

Info

Publication number: DE816624C
Application number: DEP367A
Authority: DE
Original assignee: CA Parsons and Co Ltd
Current assignee: CA Parsons and Co Ltd
Priority date: 1947-06-27
Filing date: 1949-12-02
Publication date: 1951-10-11

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Vermeiden korrodierender Bestandteile im Arbeitsmedium von Gasturbinen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen.Method and device for avoiding corrosive components in the working fluid of gas turbines The present invention relates to gas turbines.

In Gasturbinenanlagen, die nach dem offenen oder gemischten Kreisprozeß arbeiten, wird der jeweils verwendete Brennstoff direkt in Luft verbrannt, die auf einen geeigneten, über dem Atmosphärendruck gelegenen Druck verdichtet wird, und die entstehenden Verbrennungsprodukte bilden zusammen mit zusätzlicher Beimischungsluft das Arbeitsmedium, welches in einer oder mehreren Turbinen expandiert und auf diese Weise Nutzenergie erzeugt. Bei solchen Kreisprozessen müssen, zum Unterschied vom geschlossenen KreisprozeB, bei welchem Luft bzw. ein anderes geeignetes Gas nur in Umlauf gebracht und in der oder den Turbinen expandiert wird, die Verbrennungsprodukte für die Turbine und andere damit verbundene Bauteile geeignet sein, d. h. sie dürfen beispielsweise nicht Bestandteile enthalten, die, wenn sie auf den Turbinenschaufeln oder in anderen Kanälen abgelagert werden, diese ganz oder teilweise verstopfen, noch sollen sie vorzugsweise die Werkstoffe, aus welchen die Turbine und die anderen Bauteile hergestellt sind und durch welche sie mit dem Arbeitsmedium hindurchgeführt werden, chemisch angreifen.In gas turbine systems, the open or mixed cycle work, the fuel used is burned directly in the air that is on a suitable pressure above atmospheric pressure is compressed, and the resulting combustion products form together with additional admixture air the working medium, which expands in one or more turbines and onto them Wise useful energy generated. In such circular processes, in contrast to closed cycle process, in which air or another suitable gas only The combustion products are circulated and expanded in the turbine or turbines be suitable for the turbine and other associated components, d. H. they may For example, it does not contain ingredients that are present when they are on the turbine blades or are deposited in other channels, clog them completely or partially, nor should they preferably be the materials from which the turbine and the others Components are made and through which they are passed with the working medium chemically attack.

Eine solche Ablagerung von oder Angriff durch die chemischen Bestandteile der Verbrennungsprodukte resultiert in erster Linie aus der vollkommenen bzw. teilweisen Verbrennung bestimmter chemischer Bestandteile, die im Brennstoff oder in der zu seiner Verbrennung benutzten Luft enthalten sind. Solche chemischen Bestandteile sind unglücklicherweise oft in den billigen Brennstoffen, deren Verwendung vom wirtschaftlichen Standpunkt aus wünschenswert ist, enthalten. Ihre schädlichen Wirkungen hängen jedoch ganz oder teilweise von ihrer Temperatur ab. Beispielsweise können bei der Verbrennung des Brennstoffs bestimmte Produkte einer ganzen oder teilweisen Verbrennung in Form eines Gases oder einer Flüssigkeit auftreten und in diesem Zustand beim Austritt aus der Verbrennungskammer oder beim Eintritt in die Turbine im Arbeitsmedium verbleiben und mit der Temperaturabnahme des Arbeitsmediums infolge von Wärmeverlust oder infolge der Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit ihren Zustand vom gasförmigen zum flüssigen oder vom flüssigen zum zähflüssigen bzw. festen Zustand verändern. Während infolgedessen solche Bestandteile im gasförmigen oder sogar im flüssigen Zustand frei durch die Kanäle der Turbine und die dazugehörigen Ausrüstungen, wie beispielsweise den Wärmeaustauscher, hindurchpassieren können, können dieselben in zähflüssigem oder festem Zustand auf den Flächen, von denen solche Kanäle gebildet werden, abgelagert werden und eine vollständige oder teilweise Verstopfung derselben verursachen und dementsprechend Leistungsverlust und/oder Wirkungsgradverlust zur Folge haben.Such deposition or attack by the chemical constituents the products of combustion results primarily from the perfect or partial combustion of certain chemical constituents in the fuel or contained in the air used for its combustion. Such chemical Unfortunately, constituents are often in the cheap fuels that use them is desirable from an economic point of view. Your harmful However, effects depend entirely or in part on their temperature. For example When the fuel is burned, certain products can be a whole or partial combustion occur in the form of a gas or a liquid and in this state when exiting the combustion chamber or when entering the turbine remain in the working medium and with the decrease in temperature of the working medium as a result of heat loss or as a result of the conversion of heat into mechanical work their state from gaseous to liquid or from liquid to viscous or change the fixed state. While, as a result, such constituents in the gaseous or even in the liquid state freely through the channels of the turbine and the associated ones Equipment, such as the heat exchanger, can pass through it, can the same in viscous or solid state on the surfaces of which such channels are formed, are deposited and a full or partial Cause blockage of the same and, accordingly, loss of performance and / or Result in a loss of efficiency.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Vermeidung oder Verhinderung der schädlichen Wirkungen der Bestandteile im Arbeitsmedium, die von der Verbrennung des Brennstoffs herrühren oder die mit der Verbrennungsluft und/oder Zusatzluft eingebracht werden.The purpose of the present invention is avoidance or prevention the harmful effects of the components in the working medium caused by combustion originate from the fuel or with the combustion air and / or additional air be introduced.

Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur Vermeidung der schädlichen Einflüsse der Bestandteile im Arbeitsmedium einer Gasturbine, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Abscheiderelement in einen Arbeitsmediumstrom hinter der Verbrennung und vor seinem Eintritt in die Turbine eingeschaltet wird, wobei das genannte Element die Umrisse von entsprechenden Kanälen bildet, durch welche das Arbeitsmedium hindurchgeführt wird, wobei ferner dasselbe eine Form aufweist und aus einem Material besteht, welche gewährleisten, daß die Bestandteile im Arbeitsmedium, die sich auf der Turbine und/oder ihren zugehörigen Bestandteilen, beispielsweise einem Wärmeaustauscher, ablagern bzw. sie angreifen würden, ganz oder teilweise niedergeschlagen werden 'und/oder wobei ihre chemische Angriffsintensität ganz oder teilweise von diesen Flächen aufgenommen wird und wobei die Verbrennungsprodukte danach eine zweite Verbrennungskammer passieren, in der sie durch die Verbrennung weiteren Brennstoffs auf höhere Temperatur gebracht werden.The invention consists in a method for avoiding the harmful Influences of the components in the working medium of a gas turbine, which is characterized is that a separator element in a working medium flow downstream of the combustion and is switched on prior to its entry into the turbine, said element forms the outlines of corresponding channels through which the working medium is passed furthermore having a shape and made of a material which ensure that the components in the working medium that are on the turbine and / or their associated components, such as a heat exchanger, deposit or they would attack, be wholly or partially knocked down 'and / or their chemical attack intensity being wholly or partially absorbed by these surfaces and wherein the combustion products then pass through a second combustion chamber, in which they are brought to a higher temperature by burning additional fuel will.

Die Erfindung besteht weiterhin in einem wie im vorstehenden Abschnitt dargelegten Verfahren, wobei jeweils das Verhältnis des Brennstoffs zur Luft so festgelegt ist, daß die Verbrennungsprodukte in den Abscheider innerhalb eines vorgeschriebenen Temperaturbereiches eintreten. Die Erfindung besteht ferner in einer Einrichtung zur Anwendung des in jedem der beiden vorstehenden Abschnitte dargelegten Verfahrens.The invention further consists in one as in the previous section method outlined, in each case the ratio of fuel to air as it is stipulated that the combustion products in the separator within a prescribed Temperature range occur. The invention also resides in a device to use the procedure set out in each of the previous two sections.

Die Erfindung besteht weiterhin in einer wie im vorstehenden Abschnitt dargelegten Einrichtung, wobei ein gegabelter Verbrennungskammeraustritt Anwendung findet, der in jedem Gabelstück ein Abscheiderelement aufweist und der ein oder mehrere Ventile zum Umschalten des Durchflusses zum jeweiligen Gabelstück besitzt.The invention further resides in one as in the previous paragraph device, wherein a bifurcated combustion chamber outlet application finds, which has a separator element in each fork piece and the one or has several valves for switching the flow to the respective fork piece.

Die Erfindung besteht endlich in einer wie in jedem der beiden vorstehenden Abschnitte dargelegten Einrichtung, wobei die Abscheiderelemente die Form von Hohlschaufeln oder Röhren haben.Finally, the invention consists in either of the foregoing two Sections set out device, wherein the separator elements are in the form of hollow blades or have tubes.

Unter Bezug auf die Schemazeichnungen stellt dar Fig. i die einfachste Anwendung vorliegender Erfindung, Fig. 2 eine abgewandelte Anordnung, Fig. 3, q. und 5 drei jeweils verschiedene Formen von Abscheiderelementen, die in Verbindung mit vorliegender Erfindung verwendet werden können.Referring to the schematic drawings, Fig. I represents the simplest Application of the present invention, FIG. 2 shows a modified arrangement, FIG. 3, q. and 5 three different forms of separator elements in connection can be used with the present invention.

In Ausführung der Erfindung gemäß einer geeigneten, an Hand eines Beispiels in Fig. i dargestellten Form passiert Luft von einem Verdichter C durch einen Wärmeaustauscher H, wo sie Wärme von den Auspuffgasen, die von einer Turbine T ausgestoßen werden, aufnimmt. Nach Verbrennung in einer Verbrennungskammer CC i passieren die Verbrennungsprodukte durch einen Abscheider E, und die Bestandteile, die an der Turbinenbeschaufelung oder Hilfsausrüstung, wie z. B. dem Wärmeaustauscher, anhaften würden, werden auf den Flächen des genannten Abscheiders abgelagert. Weiterhin ist eine oder mehrere weitere Verbrennungskammern vorgesehen, wobei das Abscheiderelement jeweils zwischen zwei Stufen des Verbrennungsprozesses eingeschaltet ist. In der ersten Stufe findet die Verbrennung des Brennstoffes statt, die zur Entstehung der chemischen Bestandteile führt, die ohne die Wirkung des Abscheiders sich auf der Turbine und/oder ihren zugehörigen Bestandteilen absetzen oder dieselben chemisch angreifen würden. Da aber die Temperatur der Verbrennungsprodukte und der allenfalls in denselben befindlichen Bestandteile nach Passieren des Abscheiders entweder auf Grund des jeweiligen Brennstoffverbrennungsgrades oder, wie bereits beschrieben, infolge Abkühlung beim Passieren durch das Abscheiderelement nicht zur Erlangung der geforderten Wirksamkeit der Anlage ausreicht, werden eine oder mehrere weitere Verbrennungsstufen vorgesehen, in denen vorzugsweise ein Brennstoff Verwendung findet, der frei von Bestandteilen ist, die Anlaß zu Niederschlägen oder chemischem Angriff beim Durchgang durch die Turbine und/oder ihre zugehörigen Bestandteile geben. Auf diese `'eise kann die Temperatur auf den jeweils erforderlichen Grad gesteigert werden, ohne daß im wesentlichen zu den Verbrennungsprodukten des Arbeitsmediums unerwünschte Bestandteile hinzugefügt werden. Wie aus Fig. i ersichtlich, findet die Verbrennung in zwei Stufen statt, eine vor dem Abscheider in der Verbrennungskammer CC i und die andere in einer Verbrennungskammer CC 2, die hinter dem Abscheider folgt. Danach werden die Verbrennungsprodukte in der Turbine T expandiert, und dann werden sie durch den Wärmeaustauscher H in die Atmosphäre geleitet.In carrying out the invention according to a suitable, on hand one In the example shown in Fig. I, air from a compressor C passes through a heat exchanger H, where it takes heat from the exhaust gases coming from a turbine T are ejected, absorbs. After incineration in a combustion chamber CC i pass the combustion products through a separator E, and the components, on the turbine blades or auxiliary equipment, such as. B. the heat exchanger, would adhere are deposited on the surfaces of said separator. Farther one or more further combustion chambers is provided, the separator element is switched on between two stages of the combustion process. In the The first stage is the combustion of the fuel, which leads to the emergence of the chemical constituents that affect the separator without affecting the effect of the separator Turbine and / or its associated components settle or the same chemically would attack. But there is the temperature of the combustion products and possibly the in the same components either after passing through the separator Reason for the respective degree of fuel combustion or, as already described, not available due to cooling when passing through the separator element the required effectiveness of the system is sufficient, one or more more Combustion stages provided, in which a fuel is preferably used, which is free from components that give rise to precipitation or chemical attack enter upon passage through the turbine and / or its associated components. on this way the temperature can be increased to the required degree without being essentially the combustion products of the working medium unwanted components are added. As can be seen from FIG the combustion takes place in two stages, one before the separator in the combustion chamber CC i and the other in a combustion chamber CC 2, which is behind the separator follows. Thereafter, the combustion products are expanded in the turbine T, and then they are passed through the heat exchanger H into the atmosphere.

Der ProzeB erlaubt in der oder den ersten Verbrennungsstufen den Gebrauch von Brennstoffarten, die im allgemeinen billiger als jene sind, die bei der Verbrennung keine Produkte entstehen lassen, die sich schädlich auf den Wirkungsgrad und/oder die Wirksamkeit der Turbine und der ihr zugehörigen Bestandteile auswirken.The process allows use in the first combustion stage or stages of types of fuel that are generally cheaper than those that are burned No products can arise that are detrimental to the efficiency and / or affect the effectiveness of the turbine and its associated components.

In den besonderen Anwendungen oder der Zusammenfassung von Anwendungen, die in Fig. i dargelegt sind, kann der Abscheider E in einem gegabelten AuslaB der ersten Verbrennungskammer CC i enthalten sein, und mit Hilfe geeigneter Ventile und entsprechender Führung kann die Strömung von der Verbrennungskammer jeweils durch den einen oder den anderen Ast des gegabelten Auslasses umgesteuert werden, so daB das eine Abscheiderelement gereinigt oder repariert werden kann, während das andere in Tätigkeit ist.In the special applications or the summary of applications, which are shown in Fig. i, the separator E can be in a bifurcated outlet of the first combustion chamber CC i be included, and with the help of suitable valves and appropriate guidance can be the flow from the combustion chamber respectively be reversed by one or the other branch of the forked outlet, so that one separator element can be cleaned or repaired while the other is in action.

Wie in Fig. 2 gezeigt, kann das Arbeitsmedium am Austritt aus der Verbrennungskammer CC i wahlweise entlang des Pfades AB durch den Abscheider E i oder entlang des Pfades CD durch den Abscheider E 2 und so in jedem Fall über die zweite Verbrennungskammer CC 2 zur Turbine T strömen. Die Abscheider können, wenn nötig, beispielsweise Hohlschaufeln- oder Röhrenform haben, die ihre Kühlung mittels Luft oder eines anderen geeigneten Mediums erlaubt.As shown in Fig. 2, the working medium at the exit from the combustion chamber CC i can optionally along the path AB through the separator E i or along the path CD through the separator E 2 and so in each case via the second combustion chamber CC 2 to the turbine T flow. The separators can, if necessary, have the shape of hollow blades or tubes, for example, which allow them to be cooled by means of air or another suitable medium.

Der Durchgang der Verbrennungsprodukte durch den Abscheider soll innerhalb eines vorgeschriebenen Temperaturbereiches erfolgen. Dies kann unter Berücksichtigung der jeweils verwendeten Brennstoffsorte durch entsprechende Wahl des Luft-Brennstoff-Verhältnisses erreicht werden. Für den Fall, daß diese Art von Temperaturregelung nicht ausreicht, kann eine zusätzliche Regelung durch entsprechende Kühlung des Abscheiders erfolgen.The passage of the combustion products through the separator should be within within a prescribed temperature range. This can be taken into account the type of fuel used in each case by choosing the appropriate air-fuel ratio can be achieved. In the event that this type of temperature control is not sufficient, an additional control can take place by appropriate cooling of the separator.

Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen an Hand von Beispielen drei Ausführungsarten von Abscheiderelementen, die angewandt werden können.3, 4 and 5 show three embodiments by way of examples of separator elements that can be used.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Abscheider strömen die Verbrennungsprodukte zwischen den Schaufeln von Schaufelreihen a in einem Gehäuse b hindurch, wobei die genannten Schaufeln, wenn nötig, wie oben beschrieben, mittels Luft, die von dem Verdichter abgezapft wird, oder mit Luft bzw. einem anderen Kühlmittel, das von einer anderen Quelle herbeigeführt und durch die Hohlschaufeln hindurchgeführt wird, gekühlt werden.In the separator shown in FIG. 3, the combustion products flow between the blades of blade rows a in a housing b , said blades, if necessary, as described above, by means of air that is drawn off by the compressor, or with air or air. another coolant, which is brought in from another source and passed through the hollow blades, can be cooled.

In Fig.4 besteht das Abscheiderelement aus gewundenen Kanälen c, die von Hohlkörpern D gebildet werden, die die Richtung der Verbrennungsprodukte fortgesetzt, jedoch nicht in einer Reihe von Stufen wie in Fig.3, ändern. Die genannten Hohlkörper gestatten, wenn nötig, die Kühlung mit Luft oder einem anderen Kühlmittel, das durch sie hindurchgeführt wird.In Figure 4, the separator element consists of winding channels c, the formed by hollow bodies D, which continue the direction of the combustion products, however, do not change in a series of stages as in Fig. 3. The said hollow bodies if necessary, allow cooling with air or another coolant passing through it is passed through.

In Fig.5 wird ein Abscheider gezeigt, der demjenigen in Fig. 4 ziemlich ähnlich ist, der aber in diesem Fall die Form eines Ringes inmitten von Kanälen c hat, durch welche die Verbrennungsgase, wie durch die Pfeile angedeutet, hindurchpassieren. Wie in Fig.3 und 4 kann das Kühlmittel durch die Hohlkörper hindurchlaufen, die die Kanäle bilden, durch die die Verbrennungsgase passieren, in welchem Fall geeignete Vorrichtungen für die Zuführung des Kühlmittels zu und die Abführung des Kühlmittels von den Schaufeln oder Röhren, durch welche es hindurchläuft, vorgesehen werden. Es können auch Kanäle, wie die in Fig.3 gezeigten, bei ringförmigen Abscheiderformen, wie in Fig. 5 dargestellt, Anwendung finden.In FIG. 5 a separator is shown which is very similar to that in FIG is similar, but in this case the shape of a ring in the middle of canals c, through which the combustion gases, as indicated by the arrows, pass. As in Fig.3 and 4, the coolant can pass through the hollow body, the form the channels through which the combustion gases pass, in which case suitable ones Devices for the supply of the coolant to and the discharge of the coolant be provided by the blades or tubes through which it passes. There can also be channels, such as those shown in Fig. 3, in the case of annular separator shapes, as shown in Fig. 5, apply.

Bei der Wahl einer geeigneten Form und eines geeigneten Materials für die Abscheider und dadurch, daB man dafür Sorge trägt, daB sie leichter und schneller ausgebaut oder erneuert werden können als die Turbine und/oder die dazugehörigen Bestandteile, beispielsweise Wärmeaustauscher, wird die Lebensdauer der Anlage erhöht und die Stillegungszeiten zwecks Reparatur oder Erneuerung verkürzt.When choosing a suitable shape and material for the separators and by taking care that they are lighter and can be expanded or replaced faster than the turbine and / or the associated ones Components, such as heat exchangers, increase the service life of the system and reduce downtime for repair or replacement.

Die Wirksamkeit des Abscheiderelementes hängt davon ab, daß die Verbrennungsprodukte, wenn sie durch dieses hindurchströmen, eine Temperatur haben oder innerhalb eines Temperaturbereiches liegen, in welchem schädliche Bestandteile an den Abscheideroberflächen haftenbleiben werden; dies wird dadurch erreicht, daß man das Verhältnis von Brennstoff zu Luft so einstellt, daB die Verbrennungsprodukte in den Abscheider bei der vorgeschriebenen Temperatur eintreten und anschließend durch eine zweite Verbrennungskammer hindurchlaufen, wo sie auf die volle Temperatur durch Verbrennung weiteren Brennstoffs erhitzt werden.The effectiveness of the separator element depends on the fact that the combustion products, when they flow through it, have a temperature or within one Temperature range lie in which harmful components on the separator surfaces will stick; this is achieved by having the ratio of fuel to air so that the combustion products in the separator at the prescribed Temperature enter and then pass through a second combustion chamber, where they are heated to full temperature by burning additional fuel.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Process for avoiding the harmful effects of certain components in the working medium of gas turbines that are excreted in certain temperature ranges that are in the turbine or the components belonging to it, e.g. B. the heat exchanger, and which can consequently attack these parts chemically, characterized in that these components are completely or partially precipitated in a separate separator stage between the burner stage and the turbine in which the aforementioned separation temperature range is artificially produced, and that their Chemical attack intensity is broken down chemically in this separator stage, after which the combustion products flow through one or more further combustion chambers in order to be brought to the respectively desired higher temperature by supplying additional fuel.

2. The method according to claim i, characterized in that the particular desired Precipitation temperature range in the separator by appropriate selection of the respective The fuel / air ratio is regulated.

3. The method according to claim i and 2, characterized in that the temperature of the separator stage is additionally through appropriate cooling of the separator is regulated.

4. Device for carrying out the method according to claim i and 2, characterized in that the separator or separators (E or E i, E 2) have the shape of a channel (Fig. 3, 4 or 5) through which the Working medium flows through it, the shape of the channel and the material from which it is made are each chosen so that they promote the complete or partial deposition of these harmful components and ensure the desired chemical reaction.

5. Establishment according to claim 4, characterized in that the combustion chamber outlet (A, C) is forked so that in each leg (A, C) behind the combustion chamber there is a separator (E i, E 2) is arranged and that a valve is provided with the aid of which the Gas flow optionally from one to the other of the two parallel ones Separator can be switched.

6. Device according to claim 4 and 5, characterized characterized in that the separator elements (a, Fig.3, or d, Fig. 4 and 5) the Have the form of hollow blades or tubes, so that their cooling is possible.