DE69634287T2

DE69634287T2 - Gasturbinenbrennkammer und Gasturbine

Info

Publication number: DE69634287T2
Application number: DE69634287T
Authority: DE
Inventors: Yutaka Hitachi-Shi Fukui; Tetsuo Hitachi-shi Kashimura; Hideyo Hitachinaka-shi Kodama; Hiroyuki Naka-gun Doi; Ryo Hitachioota-shi Hiraga
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-07-11
Filing date: 1996-07-11
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2016-07-12
Also published as: EP0753704A1; EP0753704B1; DE69634287D1; US5964091A

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasturbinenbrenner und insbesondere einen Gasturbinenbrenner aus einer Gusslegierung auf Eisenbasis, einer Gusslegierung auf Nickelbasis oder einer Gusslegierung auf Kobaltbasis, die jeweils ausgezeichnete Wärmeermüdungseigenschaften aufweisen, und eine Gasturbine, bei der der Brenner eingesetzt wird.
Ein Gasturbinenbrenner wird durch Kaltverformung einer Platte hergestellt, so dass die Platte aus einer Legierung hergestellt werden muss, die eine ausgezeichnete Warmbearbeitbarkeit zur Bildung einer Platte und eine ausgezeichnete Kaltbearbeitbarkeit zur Bildung des Brenners aufweist. Weil der Gasturbinenbrenner weiterhin durch Verbrennungsgas hoher Temperatur wiederholt erwärmt und abgekühlt wird, sollte er aus einer Legierung bestehen, die ausgezeichnete Wärmeermüdungseigenschaften aufweist.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Kaltbearbeitbarkeit einer Legierung umso besser ist, je größer die Flächenverringerung der Dehnungseigenschaft bei Zimmertemperatur ist, und dass die Wärmeermüdungseigenschaften umso besser sind, je größer die Dehnungsfestigkeit, die Flächenverringerung der Dehnungseigenschaft und die Zeitstandfestigkeit bei hoher Temperatur sind.
Bei herkömmlichen Gasturbinenbrennern wird Hastelloy X (0,1C-22Cr-9Mo-0,5W-1Co-19Fe-restliches Ni) verwendet. In den letzten Jahren wurden die Verbrennungsgastemperaturen jedoch zum Verbessern der Leistungsfähigkeit von Gasturbinen tendenziell erhöht. Daher wird die Verbrennungsgastemperatur höher als die Erwärmungstemperatur der Brennerauskleidung. Wenngleich die Erwärmungstemperatur der Brennerauskleidung bisher kleiner als 800°C war, übersteigt sie nun 800°C. Daher wird mit dem herkömmlich verwendeten Hastelloy X keine ausreichende Wärmeermüdungseigenschaft erreicht.
Weil diese Legierung viel Mo enthält, wird bei einer Verwendung von ihr über lange Zeit bei einer hohen Temperatur von mehr als 800°C ein großer Anteil einer brüchigen Phase (intermetallischen Verbindung) ausgeschieden und dadurch die Streckbarkeit der Legierung erheblich verringert, wodurch die Wärmeermüdungseigenschaften verschlechtert werden.
Bei dem Gasturbinenbrenner wird von einer Kraftstoffdüse eingespritzter Kraftstoff durch eine Kappe in eine Brennerauskleidung eingeleitet, um ihn dort zu verbrennen, und das Verbrennungsgas wird durch ein Übergangsstück in Turbinendüsen und -schaufeln geführt. Bei dem Gasturbinenbrenner sind die vorstehend erwähnte Kappe, die Auskleidung und das Übergangsstück einer hohen Temperatur ausgesetzt, weshalb für diese Strukturelemente eine wärmebeständige Legierung verwendet wird, wie vorstehend erwähnt wurde. Weil Durchgangslöcher insbesondere jeweils an beiden Enden mit scharfen Einkerbungen versehen sind, werden die Durchgangslochabschnitte Wärmezyklen einer schnellen Erwärmung und Abkühlung ausgesetzt, wodurch an den Kerbabschnitten eine Spannungskonzentration auftritt, so dass an den Kerbabschnitten im Fall einer Legierung, bei der durch Wärme leicht eine Brüchigkeit hervorgerufen wird, leicht Risse infolge der Wärmeermüdung auftreten.
Zum Verbessern des Wirkungsgrads der Energieerzeugung eines Gasturbinen-Kraftwerks wird eine Technik zur Verwendung der Gasturbine bei hohen Temperaturen untersucht. Weil die Gasturbine bei hohen Temperaturen verwendet wird, ist es erwünscht, die Temperatur, die die Teile der Gasturbine aushalten können, zu verbessern. Durch die Entwicklung von Legierungen auf Nickelbasis, von Legierungen auf Kobaltbasis usw. wurde die Temperatur, die diese wärmebeständigen Legierungen aushalten können, erhöht, diese Temperatur beträgt jedoch gegenwärtig höchstens etwa 850°C.
Andererseits weisen Keramikmaterialien eine bessere Wärmebeständigkeit als Metallmaterialien auf. Wenn jedoch ein Keramikmaterial für das Strukturmaterial verwendet wird, treten Zähigkeitsprobleme usw. auf.
Daher wurden zahlreiche Untersuchungen an Verfahren ausgeführt, bei denen die Teile keine hohe Temperatur erreichen. Als eines dieser Verfahren wird ein Verfahren zum Abkühlen der Teile untersucht. Ein weiteres Verfahren ist ein Verfahren zum Beschichten von Oberflächen von Metallelementen mit Keramik einer geringen Wärmeleitfähigkeit. Diese Beschichtung wird als Wärmesperrbeschichtung (nachstehend TBC genannt) bezeichnet. TBC wird in Kombination mit verschiedenen Kühlverfahren verwendet, wodurch die Wirkung größer wird. Es wurde beispielsweise berichtet, dass die Temperatur eines Metallelements, das ein Basiselement ist, gegenüber einem Metallelement, das nicht mit TBC beschichtet wurde, um 50–100°C verringert werden kann. Durch die Verwendung eines solchen Verfahrens kann die Zuverlässigkeit von Strukturelementen von Hochtemperatur-Gasturbinen usw. erhöht werden. Andererseits treten bei TBC technische Probleme, wie im Haftmechanismus zwischen einem Basismaterial und einer Keramikbeschichtung, und Zuverlässigkeitsprobleme auf, weil TBC das Basismaterial der wärmebeständigen Legierung und der Keramikbeschichtung kombiniert, welche unterschiedliche Werte ihrer physikalischen Eigenschaften aufweisen. Insbesondere treten bei Gasturbinen usw. Schäden, wie eine Trennung der Keramikbeschichtung, durch thermische Zyklen infolge des Anfahrens und Anhaltens der Gasturbine auf.
Ein Brennerauskleidungsmaterial ist in JP-B-62-53583 offenbart, und eine TBC aus diesem ist in JP-A-61-174385 offenbart.
Die Arbeitstemperatur von Gasturbinen nimmt Jahr für Jahr zu, weil der Wirkungsgrad der Gasturbinen erhöht wird. Auch bei Brennern wird die Temperatur immer höher, und es ist auch erwünscht, dass das dafür verwendete Material eine ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit aufweist. Gegenwärtige Brenner werden jedoch durch Biegen einer gewalzten Platte zu einer zylindrischen Form und deren Schweißen hergestellt. Weil die gewalzte Platte eine geringe Korngröße aufweist, ist die Dauerdehngrenze bei hohen Temperaturen gering. Weil überdies während des Schmiedens oder Walzens Risse auftreten können, war es unmöglich, viele Legierungskomponenten zum Verstärken des Materials der gewalzten Platte hinzuzufügen. Daher betrug die obere Grenztemperatur in der Praxis 800°C. Weil der Zylinder weiterhin durch Biegen und Schweißen der gewalzten Platte hergestellt wird, wird die Festigkeit des Schweißabschnitts verringert.
Selbst wenn eine TBC eingesetzt wird, um zu verhindern, dass die Basismetalltemperatur von Gasturbinenteilen höher wird, und um die Temperatur zu verringern, ist es bei den Teilen, bei denen eine herkömmliche TBC verwendet wird, nicht möglich, die Temperatur des Basismetalls der Teile ausreichend zu verringern, weil die TBC eine geringe Haltbarkeit bei hohen Temperaturen aufweist.
In US-A-5 413 647 ist eine Brennerauskleidung offenbart, die zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine geeignet ist. Die Brennerauskleidung ist zylindrisch und wird durch Schleuder-Vakuumgießen einer Superlegierung auf Nickelbasis hergestellt. Das zylindrische Gussstück wird ausreichend schnell gekühlt, um eine durchschnittliche Korngröße von höchstens ASTM #3 (0,130 mm) zu erhalten.
In US-A-5 370 497 ist eine Gasturbine offenbart, bei der bestimmte Teile, wie Gasturbinendüsen und -schaufeln, durch Gießen aus einer Legierung auf Nickelbasis hergestellt sind. Der Brenner wird jedoch in herkömmlicher Weise durch plastische Bearbeitung und Schweißen von Werkstücken einer Legierung auf Nickelbasis hergestellt.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Gasturbinenbrenner und eine Gasturbinenmaschine, bei der der Brenner verwendet wird, bereitzustellen, welche eine hohe Festigkeit gegenüber einer Wärmeermüdung bei hohen Temperaturen aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch einen zylindrischen Gasturbinenbrenner nach Anspruch 1 und eine Gasturbinenmaschine nach Anspruch 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Insbesondere sieht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Gasturbinenbrenner und eine Gasturbine, bei der der Brenner verwendet wird, vor, wobei eine Legierung mit einer Zeitstandfestigkeit von 3 kg/mm² oder mehr bei 850°C über 10⁴ Stunden verwendet wird.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht einen Gasturbinenbrenner und eine Gasturbine vor, die jeweils eine Wärmesperrbeschichtung (TBC) aufweisen, wobei die verbindende Kraft zwischen einem Keramikmaterial und einer Basisplatte über eine lange Zeit stabil ist und Risse und Abtrennungen nicht leicht auftreten.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft einen Gasturbinenbrenner, bei dem eine Brennerauskleidung und ein Übergangsstück verwendet werden, die jeweils durch Gießen ohne Schweißen zylindrisch ausgebildet sind.
Die Brennerauskleidung wird durch Präzisionsgießen oder Schleudergießen hergestellt, und das Übergangsstück wird durch Präzessionsgießen hergestellt. Die Brennerauskleidung hat gerade Innen- und Außenumfangsflächen. Es ist insbesondere bevorzugt, ringförmige Vorsprünge bereitzustellen, die sich jeweils an der Außenumfangsfläche erstrecken, um die Kühlung und ihre Festigkeit zu verstärken.
Als ein Material für die vorliegende Erfindung wird eine Gusslegierung auf Eisenbasis, eine Gusslegierung auf Nickelbasis oder eine Gusslegierung auf Kobaltbasis verwendet. Vorzugsweise enthält die Gusslegierung auf Kobaltbasis in Bezug auf das Gewicht 0,04–1,0% C, maximal 1% Si, maximal 2% Mn, 15–35% Cr, 0,5–20% W, maximal 30% Ni und 35–60% Co, und es ist bevorzugt, dass sie maximal 3% von mindestens einem MC-Carbide bildenden Element, wie Ti, Zr, Hf, V enthält. Besonders bevorzugt ist eine Legierung, die in Bezug auf das Gewicht 0,04–0,15% C, maximal 1% Si, maximal 2% Mn, 5–25% Ni, 20–30% Cr und 5–16% W enthält, oder eine Legierung, die zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Elementen mindestens 0,1–0,35% von einem der Elemente Ti, Nb und Zr enthält.
Die Gusslegierung auf Eisenbasis enthält vorzugsweise in Bezug auf das Gewicht 0,04–1,0% C, maximal 2% Si, maximal 3% Mn, 15–35% Cr, 10–30% Ni und 30–50% Fe, und es ist bevorzugt, dass sie weiter maximal 3,0% und vorzugsweise 0,1–1% von mindestens einem MC-Carbide bildenden Element enthält, wie vorstehend erwähnt wurde. Besonders bevorzugt ist eine Gusslegierung auf Eisenbasis, die in Bezug auf das Gewicht 0,15–0,6% C, 0,5–2,0% Si, 0,5–3% Mn, 15–30% Ni, 20–30% Cr, 0,10–0,30% Ti und 0,10–0,35% Nb enthält.
Die Gusslegierung auf Nickelbasis enthält vorzugsweise in Bezug auf das Gewicht 0,04–0,5% C, maximal 1% Si, maximal 2% Mn, 15–35% Cr, 15–30% Co, maximal 10% von mindestens einem von W und Mo, 0,1–10% Ti, 0,1–5% Al und 35–55% Ni, und es ist bevorzugt, dass die Legierung weiter maximal 2% von mindestens einem der Elemente Ta, Nb, V, Hf und Zr enthält. Besonders bevorzugt ist eine Gusslegierung auf Nickelbasis, die in Bezug auf das Gewicht 0,05–0,15% C, maximal 1% Si, maximal 2% Mn, 20–30% Cr, 15–25% Co, 4–10% W, 1,5–3,5% Ti und 1,0–2,5% Al enthält. Es ist bei diesen Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, die Korngröße größer oder gleich 100 μm und vorzugsweise größer oder gleich 300 μm zu machen, um die Hochtemperaturfestigkeit zu erhöhen. Weiterhin ist es zum Verhindern der Verringerung der Festigkeit der Schweißabschnitte erforderlich, ein zylindrisches Element ohne Schweißen herzustellen. Um dies zu lösen, wird das zylindrische Element durch Schleudergießen oder durch Wachsausschmelz-Präzisionsgießen hergestellt. Durch das Gießen kann ein zylindrisches Element erhalten werden, das eine hohe Korngröße und keinen Schweißabschnitt aufweist.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft einen zylindrischen Gasturbinenbrenner, der eingespritzten Kraftstoff verbrennt und das Verbrennungsgas in Turbinendüsen leitet, wobei das zylindrische Innenrohr des vorstehend erwähnten Brenners aus einer Gusslegierung besteht, die in Bezug auf das Gewicht 0,04–0,15% C, maximal 1% Si, maximal 2% Mn, 15–35% Cr und 0,5–20% W enthält oder weiter 15–40% Co, 0,1–5% Al, 0,1–5% Ti und 0,001–0,1% B und 20% oder mehr restliches Ni enthält, wobei die Gusslegierung eine Gusslegierung auf Nickelbasis ist, die im Wesentlichen eine vollständig austenitische Phase aufweist. Es ist weiterhin bevorzugt, dass die vorliegende Erfindung bei der vorstehend erwähnten Legierung wenigstens ein ausgewähltes aus einer Gruppe aufweist, die aus maximal 0,5% eines Seltenerdmetalls, maximal 3% Nb, maximal 0,1% Mg und maximal 0,5% Zr besteht. Insbesondere sind 0,1–2% Al, 0,1–2% Ti und 0,005–0,5% eines Seltenerdelements bevorzugt.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem Kompressor, einem Brenner zum Erzeugen von Verbrennungsgas unter Verwendung von durch den Kompressor komprimierter Luft und einer Turbine, die durch das Verbrennungsgas angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zylindrischer Abschnitt des Brenners, der dem Verbrennungsgas ausgesetzt ist, aus einer austenitischen Gusslegierung auf Eisenbasis, einer austenitischen Gusslegierung auf Nickelbasis oder einer austenitischen Gusslegierung auf Kobaltbasis besteht.
Weiterhin beträgt das Kompressionsverhältnis der Luft 15–20, und die Temperatur der Luft beträgt 350°C oder mehr, der zylindrische Abschnitt des Brenners, der dem Verbrennungsgas ausgesetzt ist, ist an seinem Außenumfang mit Vorsprüngen zum Kühlen versehen, und der Außenumfangsabschnitt wird durch die Druckluft gekühlt, so dass seine Metalltemperatur 800–900°C beträgt, und die Temperatur des Verbrennungsgases am Auslass des Brenners beträgt 1400°C oder mehr.
Weiterhin beträgt das Kompressionsverhältnis der Luft 15–20 und die Temperatur der Luft 350°C oder mehr, werden die Außenumfangsabschnitt einer Brennerauskleidung und eines Übergangsstücks durch die komprimierte Luft bzw. Druckluft gekühlt, so dass die Metalltemperatur der Brennerauskleidung und des Übergangsstücks, die dem Verbrennungsgas ausgesetzt sind, 800–900°C wird, ist der Umfangsabschnitt der Brennerauskleidung mit Vorsprüngen zur Kühlung versehen und beträgt die Temperatur des Verbrennungsgases am Auslass des Brenners 1400°C oder mehr.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Gasturbine einen Kompressor mit Schaufeln und statischen Schaufeln mit mindestens 12 Stufen und eine Turbine, die mit dem Kompressor integriert ist und durch das in einem Brenner erzeugte Verbrennungsgas mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird, wobei der Kompressor ein Kompressor, bei dem Schaufeln in einem Rotor so ausgebildet sind, dass sich insgesamt ein Stück ergibt, ein Kompressor, der mindestens 12 Stufen von Schaufeln aufweist, die an einem Rotor angeordnet sind, der in mehrere Rotorstücke unterteilt ist, wobei die Schaufeln von mindestens 6 Stufen an einem Rotorstück angeordnet sind und jedes der anderen Rotorstücke maximal 3 Stufen daran angeordneter Schaufeln aufweist, oder ein Kompressor, bei dem die Schaufeln in jeder der mindestens 12 Stufen in einer Scheibe ausgebildet sind, sein kann.
Weiterhin ist das Rotormaterial für den Kompressor beispielsweise niedrig legierter Ni-Cr-Mo-V-Stahl, wobei es für den einteiligen Rotor und den Rotor mit einer Scheibe für alle Schaufelstufen verwendet wird, und im Fall des Rotors, bei dem Schaufeln an unterteilten Rotorstücken angeordnet sind, bestehen die Schaufeln der letzten Stufe des Rotorstücks, an dem Schaufeln von der ersten Stufe bis mindestens zur sechsten Stufe angeordnet sind, aus dem niedrig legierten Stahl. Für den niedrig legierten Stahl ist es bevorzugt, dass die 50-%-FATT (Bruchauftretens-Übergangstemperatur) 20°C oder weniger beträgt und die Zeitstandfestigkeit bei 475°C über 10⁵ Stunden 30 kg/mm² oder mehr beträgt.
Weiterhin ist es bevorzugt, niedrig legierten Ni-Cr-Mo-V-Stahl, der in Bezug auf das Gewicht 0,15–0,40% C, maximal 0,1% Si, maximal 0,5% Mn, 1,5–2,5% Ni, 0,8–2,5% Cr, 0,8–2,0% Mo, 0,1–0,35% V und restliches Fe enthält und eine vollständig bainitische Struktur aufweist, als Rotormaterial für den Kompressor, für den einteiligen Rotor, den Rotor mit einer Scheibe für jede Stufe der Schaufeln und den Rotor, in dem Schaufeln an unterteilten Rotorstücken angeordnet sind, zu verwenden. Der vorstehend erwähnte niedrig legierte Stahl ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass er weiter 0,0–0,1% von mindestens einem von Nb und Ta enthält.
Weiterhin ist bei einem Kompressor mit einem aufgeteilten Rotor der Rotor bevorzugt, der in 6 Rotorstücke unterteilt ist, an denen mindestens 15 Schaufelstufen angeordnet sind, so dass jeweils 2 Stufen der Schaufeln von der ersten bis zur achten Stufe an jedem Rotorstück angeordnet sind und jeweils mindestens 3 Schaufelstufen der neunten Stufe und der anderen Stufen an jedem der anderen Rotorstücke angeordnet sind.
Die Kompressorschaufeln der ersten Stufe und, falls erforderlich, mindestens einer Stufe von der zweiten bis zur fünften Stufe bestehen vorzugsweise aus einer Ti-Legierung, und die Schaufeln von der zweiten Stufe bis zur letzten Stufe bestehen vorzugsweise, mit Ausnahme der Schaufeln aus einer Ti-Legierung, aus martensitischem Edelstahl.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verbund-Energieerzeugungssystem, das mit einer Gasturbine, die durch Verbrennungsgas angetrieben wird, und einer Dampfturbine, die durch Dampf angetrieben wird, der in einem die Wärme von Verbrennungsgas aus der Gasturbinenmaschine rückgewinnenden Abwärme-Rückgewinnungskessel erzeugt wird, versehen ist, welches Energie durch Drehen eines Generators durch die Gasturbinenmaschine und die Dampfturbinenmaschine erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennerauskleidung der Gasturbine aus einer Gusslegierung besteht, die aus einer Legierung auf Eisenbasis, einer Legierung auf Nickelbasis und einer Legierung auf Kobaltbasis ausgewählt ist, das Kompressionsverhältnis der durch einen Kompressor komprimierten Luft 15–20 beträgt und die Temperatur der Luft 400°C oder mehr beträgt, die Auslasstemperatur des Verbrennungsgases aus dem Brenner 1400°C oder mehr beträgt, die Temperatur des Verbrennungsgases 550–600°C beträgt und die Dampfturbine eine Rotorwelle mit einem integrierten Hoch- und Niederdruckabschnitt aufweist, die Dampftemperatur 530°C oder mehr beträgt und die Wärmeausnutzung 46% oder mehr beträgt und/oder die Ausgangsleistung 600 kW/(kg/S) oder mehr beträgt.
Weiterhin betrifft eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verbund-Energieerzeugungssystem mit einer Gasturbine, die durch Verbrennungsgas angetrieben wird, und einer Dampfturbine, die durch Dampf angetrieben wird, der in einem die Wärme von Verbrennungsgas aus der Gasturbine rückgewinnenden Abwärme-Rückgewinnungskessel erzeugt wird, welches Energie durch Drehen der Gasturbine und der Dampfturbine erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennerauskleidung der Gasturbine ein Gussteil aus einer Legierung ist, die aus einer Legierung auf Eisenbasis, einer Legierung auf Nickelbasis und einer Legierung auf Kobaltbasis ausgewählt ist, ein Kompressor mit 15–20 Schaufelstufen bereitgestellt ist, das Kompressionsverhältnis der durch den Kompressor komprimierten Luft 15–20 beträgt und die Temperatur der Luft 400°C oder mehr beträgt, die Gasturbine mindestens 3 Stufen aufweist, die Auslasstemperatur des Verbrennungsgases aus dem Brenner 1400°C oder mehr beträgt, die Temperatur des Verbrennungsgases an einem Einlass des Abwärme-Rückgewinnungskessels 550–600°C beträgt und an einem Auslass des Kessels 130°C oder weniger beträgt, und die Dampfturbine Schaufeln aufweist, die an einer Rotorwelle mit einem integrierten Hoch- und Niederdruckabschnitt angeordnet sind, die letzte Stufe der Schaufeln an einem Schaufelabschnitt 76 cm (30 Zoll) oder mehr aufweist und die Dampftemperatur an einem hochdruckseitigen Einlass der Dampfturbine 530°C oder mehr beträgt und an einem niederdruckseitigen Auslass 100°C oder weniger beträgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestehen eine zylindrische Auskleidung eines Brenners und ein Übergangsstück aus einer Legierung auf Eisenbasis, einer Legierung auf Nickelbasis oder einer Legierung auf Kobaltbasis. Indem sie durch Gießen gebildet werden, wird eine hohe Festigkeit erhalten, und weil der zylindrische Auskleidungskörper weiter keinen Schweißabschnitt aufweist, kann verhindert werden, dass die Festigkeit am Schweißabschnitt abnimmt. Weil in dem Gasturbinenbrenner die Temperatur des Verbrennungsgases erhöht wurde, wobei sie 1300°C übersteigt, 1400°C und weiter 1500°C annimmt, wurde die Temperatur des Brenners selbst entsprechend der Erhöhung der Temperatur des Verbrennungsgases erhöht. Daher ist ein Material mit einer höheren Festigkeit bei einer höheren Temperatur erwünscht, wobei es das Material ermöglichen sollte, eine Struktur ohne einen Schweißabschnitt im Trommelbereich und eine Struktur mit einer Dicke von 2 mm oder weniger und ohne Kühllöcher bereitzustellen, wodurch die zum Kühlen verwendete Luftmenge verringert werden kann und die Wärmeausnutzung verbessert werden kann.
C ist in einem Anteil von 0,04% oder mehr enthalten, um Carbide während der Verwendung bei einer hohen Temperatur auszufällen und die Dehn- und die Streckgrenze bei einer hohen Temperatur zu erhöhen. Wenn C jedoch 1,0% übersteigt, ist die Ausfällung von Carbinden während der Verwendung bei der hohen Temperatur beträchtlich und wird die Flächenverringerung der Dehnungseigenschaft bei einer hohen Temperatur verringert. Der Anteil beträgt bei der Legierung auf Kobaltbasis und der Legierung auf Eisenbasis vorzugsweise 0,04–1,0% und bei der Legierung auf Nickelbasis vorzugsweise 0,04–0,5%. Insbesondere ist es bevorzugt, dass er bei der Legierung auf Nickelbasis 0,05–0,2%, bei der Legierung auf Eisenbasis 0,15–0,35% und bei der Legierung auf Kobaltbasis 0,15–0,35% beträgt.
Cr bewirkt eine Festlösung in der Legierung und erhöht die Dehnungsgrenze bei einer hohen Temperatur und die Streckgrenze. Es ist erforderlich, mindestens 15% Cr hinzuzufügen, um die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen und die Sulfidations-Korrosionsbeständigkeit weiter zu erhöhen. Wenn Cr jedoch 35% übersteigt, fallen Sigmaphasen aus und nimmt die Flächenverringerung bei Hochtemperatur-Dehnungstests ab. Insbesondere sind 18–30% in allen Fällen bevorzugt, und ein noch bevorzugterer Bereich von Cr ist 20–26%.
W, das bei der Legierung auf Kobaltbasis und der Legierung auf Nickelbasis wirksam ist, bewirkt eine Festlösung in der Legierung und erhöht erheblich die Dehnungsgrenze bei einer hohen Temperatur, und auch die Zeitstandfestigkeit wird erheblich erhöht. Wenn W in der Legierung auf Kobaltbasis 20% und in der Legierung auf Nickelbasis 10% übersteigt, wird die Dehnungsgrenze jedoch erheblich verringert und werden weiter die Kaltbearbeitbarkeit und die Flächenverringerung der Dehnungseigenschaft bei hohen Temperaturen verringert, wobei die Letztgenannte auf die Ausfällung der Sigmaphase zurückzuführen ist. Ein bevorzugter Bereich von W ist 5–16% in der Legierung auf Kobaltbasis und 4–10% in der Legierung auf Nickelbasis. Die Legierung auf Nickelbasis kann gleiche Anteile W und Mo enthalten, und es ist bevorzugt, dass sie insgesamt die vorstehend erwähnten Inhalte enthält.
Co bewirkt eine Festlösung in der Legierung auf Eisenbasis und der Legierung auf Nickelbasis und erhöht erheblich die Zeitstandfestigkeit bei Zimmertemperatur und einer hohen Temperatur. Wenn Co jedoch 30% übersteigt, nimmt die Verformbarkeit bei hohen Temperaturen schnell ab, wodurch die Flächenverringerung der Dehnungseigenschaft bei hohen Temperaturen abnimmt. Eine bevorzugte Obergrenze ist 25%. Bei einer Legierung auf Nickelbasis ist ein bevorzugter Bereich 15–40% Co.
Al bewirkt beim Hinzufügen in einem Anteil von 0,1–5% zur Legierung auf Eisenbasis oder zur Legierung auf Nickelbasis eine Festlösung in der Legierung und fällt während einer Alterungs-Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen eine Gamma-Primärphase aus, wodurch die Dehnungsgrenze und die Zeitstandfestigkeit bei hohen Temperaturen erhöht werden. Ein bevorzugter Bereich beträgt bei der Legierung auf Nickelbasis 1,0–2,5%.
Durch das Hinzufügen von maximal 3% Ti, Zr, Hf oder Nb zu der Legierung auf Eisenbasis oder der Legierung auf Kobaltbasis und 0,1–10% von ihnen zu der Legierung auf Nickelbasis wird eine Festlösung in der Legierung bewirkt oder eine Gamma-Primärphase während der Alterungs-Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur ausgefällt, wodurch die Dehnungsgrenze und die Zeitstandfestigkeit bei hohen Temperaturen erhöht werden. Wenn der zur Legierung auf Eisenbasis oder zur Legierung auf Kobaltbasis hinzugefügte Betrag jedoch 3% übersteigt und der zur Legierung auf Nickelbasis hinzugefügte Betrag 10% übersteigt, nimmt die Flächenverringerung der Dehnungseigenschaft bei hohen Temperaturen ab. Ein bevorzugter Bereich ist bei der Legierung auf Eisenbasis oder der Legierung auf Kobaltbasis 0,1–1,5% und bevorzugter 0,10–0,35% und bei der Legierung auf Nickelbasis 1,5–3,5%.
Fe wird beim Hinzufügen von Legierungselementen zur Legierung auf Nickelbasis oder zur Legierung auf Kobaltbasis aufgenommen, weil es jedoch die Zeitstandfestigkeit verringert, ist es besser, den Anteil höchstmöglich zu verringern. Selbst wenn es enthalten ist, ist es bevorzugt, dass der Anteil 2% oder weniger beträgt. Es sind maximal 1% bevorzugt, und maximal 0,2% sind noch bevorzugter.
Si und Mn werden als Deoxidatoren hinzugefügt. Es werden maximal 2%, vorzugsweise maximal 1,0% Si und maximal 3%, vorzugsweise maximal 2% Mn hinzugefügt. Das Hinzufügen von die vorstehend erwähnten Beträge übersteigenden Anteilen verringert jedoch die Zeitstandfestigkeit, so dass maximal 2% Si und maximal 3%, vorzugsweise maximal 2% Mn hinzugefügt werden. Insbesondere ist das Hinzufügen von 0,2–0,6% Si und 0,4–1,0% Mn bei all diesen Legierungen bevorzugt.
B wird in austenitischen Korngrenzen durch Hinzufügen eines sehr kleinen Anteils abgeschieden, um die Zeitstandfestigkeit und die Verformbarkeit bei hohen Temperaturen zu erhöhen. Die Wirkung wird durch Hinzufügen von 0,001% oder mehr erreicht, und wenn der Anteil 0,1% übersteigt, werden die Warmbearbeitbarkeit und die Verformbarkeit bei hohen Temperaturen verringert. Daher sind 0,001–0,1% bevorzugt.
Mg und Seltenerdelemente fällen in austenitischen Korngrenzen aus, wodurch die Zeitstandfestigkeit erhöht wird. Überdies ist Zr ein starkes Carbid bildendes Element, und es wird durch Hinzufügen einer kleinen Menge ein anderes Carbid, beispielsweise ein Ti-Carbid usw., gebildet, und es wird dadurch die Zeitstandfestigkeit durch eine Vervielfachungswirkung erhöht. Durch das Hinzufügen eines übermäßigen Anteils dieser Elemente wird jedoch die Bindungskraft von Korngrenzen verringert, und es werden grobe Carbide gebildet, wodurch die Verformbarkeit bei hohen Temperaturen abnimmt. Daher sind maximal 0,1% Mg und maximal 0,5% eines Seltenerdelements, insbesondere 0,005–0,05% Mg und 0,005–0,1% eines Seltenerdelements bevorzugt. Die Wanddicke der Brennerauskleidung beträgt vorzugsweise 1,0–5,0 mm, bevorzugter 1,5–3,0 mm. Die Höhe der am Außenumfang der Brennerauskleidung zur Verstärkung bereitgestellten ringförmigen Vorsprünge beträgt vorzugsweise 1,0–3,0 mm. Die Gesamtabmessung aus der Dicke der Brennerauskleidung und der Höhe der Vorsprünge beträgt vorzugsweise 4,0–6,0 mm. Die Dicke des Übergangsstücks beträgt vorzugsweise 2,0–7,0 mm und bevorzugter 3–5 mm. Überdies ist es bevorzugt, dass die Brennerauskleidung einen solchen Aufbau aufweist, dass das Kühlen der Auskleidung durch Kühlluft hauptsächlich nur an der Außenumfangsfläche ausgeführt wird, um die Wärmeausnutzung zu erhöhen.
Es ist gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, auf dem Basismaterial der Gusslegierung mit mindestens einem der vorstehend erwähnten Ni, Co und Fe als Hauptkomponente eine Legierungsschicht, die mindestens eines von Fe, Ni und Co als Hauptkomponente und Cr und Al aufweist und eine bessere Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und eine bessere Warmkorrosionsbeständigkeit aufweist als das vorstehend erwähnte Basismaterial, und eine Beschichtung aus Keramik mit ZrO₂ auf der vorstehend erwähnten Legierungsschicht bereitzustellen und eine Oxidschicht mit Al als Hauptkomponente an der Grenze zwischen der vorstehend erwähnten Legierungsschicht und der vorstehend erwähnten Keramikbeschichtung zu bilden. Es ist bevorzugt, dass das Material, das die vorstehend erwähnte Keramikbeschichtung bildet, ZrO₂ als Hauptkomponente und mindestens ein Element in einem Gesamtanteil von 5–10 Gew.-% von CaO, MgO und Y₂O₃ aufweist, und dass die Legierung, die die vorstehend erwähnte Legierungsschicht bildet, mindestens eines von Fe, Co und Ni als Hauptkomponente, 10–30 Gew.-% Cr und 5–30 Gew.-% Al oder weiter zusätzlich dazu 0,1–5 Gew.-% von mindestens einem der Elemente Hf, Ta, Y, Si und Zr enthält. Die Keramikbeschichtung weist vorzugsweise 0,1–0,8 mm auf, und die Legierungsschicht weist vorzugsweise 0,01–0,2 mm auf.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist eine Schnittansicht einer Gussvorrichtung, worin ein Schleudergießverfahren dargestellt ist,
2 ist eine perspektivische Ansicht des Innenzylinders des Brenners einer Gasturbine,
3 ist ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen der mechanischen Spannung und dem Parameter P dargestellt ist,
4 ist ein mikroskopisches Bild, in dem die Metallstruktur dargestellt ist,
5 ist ein mikroskopisches Bild, in dem die Metallstruktur dargestellt ist,
6 ist ein mikroskopisches Bild, in dem die Metallstruktur dargestellt ist,
7 ist ein mikroskopisches Bild, in dem die Metallstruktur dargestellt ist,
8 ist ein mikroskopisches Bild, in dem die Metallstruktur dargestellt ist,
9 ist ein mikroskopisches Bild, in dem die Metallstruktur dargestellt ist,
10 ist ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen der Zugfestigkeit und der Temperatur dargestellt ist,
11 ist ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen der Dehnungsgrenze und der Temperatur dargestellt ist,
12 ist ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen dem Dehnungsprozentsatz und der Temperatur dargestellt ist,
13 ist ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen der Spannungsamplitude und der Wiederholungsanzahl, bei der Risse auftreten, dargestellt ist,
14 ist eine Schnittansicht eines Gasturbinenbrenners,
15 ist eine Schnittansicht eines Gasturbinenbrenners,
16 ist eine Schnittansicht eines Turbinenabschnitts einer Gasturbine, und
17 ist ein schematisches Diagramm eines Verbundzyklus-Kraftwerks gemäß der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung
AUSFÜHRUNGSFORM 1
Tabelle 1 zeigt chemische Zusammensetzungen (Gew.-%) verwendeter Materialien. Das Material 1 ist ein Vergleichsmaterial, das durch Biegen nach dem Walzen und anschließendes Schweißen zur Bildung eines zylindrischen Elements für Brenner angepasst wird. Die Korngröße ist wegen des gewalzten Materials sehr fein gemacht und beträgt etwa 80 μm. Die Materialien 2–5 sind jeweils gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Materialien.
Tabelle 1
Eine in 1 dargestellte Gussform 1 wird mit etwa 800 U/min gedreht, und geschmolzenes Metall 2, das in einer anderen Weise in einer Gießpfanne 3 hergestellt wurde, wird in die Gussform 1 eingegossen und zur Bildung eines zylindrischen Elements verfestigt. Wenngleich zylindrische Elemente verschiedener Größe mit unterschiedlichen Durchmessern, Dicken und Längen entsprechend der Umdrehungsgeschwindigkeit, der Kapazität und der Größe der Gussform erhalten werden können, wurde hier ein Zylinder mit einem Außendurchmesser von 230 mm, einem Innendurchmesser von 220 mm und einer Länge von 500 mm hergestellt. Das Material des Zylinders wies eine dendritische Struktur und gleichachsige oder säulenförmige Körner mit eutektischen Carbiden auf. Die Korngröße war hoch, und sie betrug 0,5–3,0 mm. Nach dem Schleuderguss wurde das Material maschinell bearbeitet, wodurch die in 2 dargestellte Brennerauskleidung erhalten wurde.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer hergestellten Brennerauskleidung eines Gasturbinenbrenners. Die Grundform der Brennerauskleidung ist zylindrisch, und ihre Innenseite bildet eine Brennkammer, die von an ihrer Außenseite fließender komprimierter Luft bzw. Druckluft isoliert ist. Eine Düsenkappe 22 zum Anbringen einer Kraftstoffdüse (nicht dargestellt) ist fest in ein Öffnungsende eines Auskleidungsmantels eingefügt, der die vorstehend erwähnte Brennerauskleidung bildet. Eine Kraftstoffdüsenmanschette 23 ist in der Mitte der Düsenkappe 22 bereitgestellt, und mehrere Verbrennungsluftlöcher 23a sind in einem Außenumfangsabschnitt der Düsenmanschette 23 bereitgestellt. Eine Federdichtung 24 zum Verbinden eines Übergangsstücks (nicht dargestellt), das Verbrennungsgas in Turbinendüsen 32 leitet, ist an dem anderen Öffnungsende des Auskleidungsmantels fest eingefügt. Überdies sind Mischluftlöcher 5, Verdünnungsluftlöcher 6, eine Kreuzbrennerrohr-Manschette 7, ringförmige Vorsprünge (nicht dargestellt) zum Kühlen usw. in der Umfangsfläche des Auskleidungsmantels bereitgestellt. In der Figur sind die Vorsprünge nur an beiden Endabschnitten des zylindrischen Elements und nicht im mittleren Abschnitt dazwischen dargestellt. Die Brennerauskleidung ist durch einen Auskleidungsanschlag, der an der Düsenkappe 22 angebracht ist, an einem Außenzylinder (nicht dargestellt) des Brenners befestigt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform befinden sich alle Gusslegierungen in dem Zustand, in dem sie gegossen wurden. Die Gussstücke sind jeweils ein gerades Rohr auf der Innen- und der Außenseite, wenn sie gegossen werden, und es sind an einer Außenfläche jedes Gussstücks durch maschinelle Bearbeitung zahlreiche ringförmige Vorsprünge 8 ausgebildet. Die Vorsprünge 8 erhöhen die Kühlwirksamkeit durch auf der Außenfläche strömende Kühlluft. Die Dicke des Innenzylinders beträgt etwa 3 mm, und die Gesamtdicke einschließlich der Vorsprünge beträgt etwa 5 mm. Gemäß dieser Ausführungsform ist ein Brenner so eingerichtet, dass die Temperatur des Verbrennungsgases am Brennerauslass 1400°C oder mehr beträgt, und sie wird durch komprimierte Luft bzw. Druckluft, die durch den Kompressor auf ein Kompressionsverhältnis von 15–20 komprimiert wurde und eine Temperatur von wenigstens 400°C aufweist, gekühlt, so dass die Metalltemperatur der Brennerauskleidung 800–900°C beträgt. Gemäß dieser Ausführungsform besteht der Brenner aus einem Gussstück mit hoher Festigkeit, wie später beschrieben wird. Daher kann die Metalltemperatur hoch gemacht werden, und es kann daher der Kühlluftstrom auf den Außenumfangsabschnitt begrenzt werden, und es kann die Wärmeausnutzung erhöht werden.
3 ist ein Diagramm, in dem die Zeitstandfestigkeit bei 800–982°C für 100–5000 Stunden der erhaltenen Gusslegierungen dargestellt ist.
Beim Vergleich von Nr. 1 und Nr. 2 ergibt sich, dass die Gusslegierung eine höhere Zeitstandfestigkeit aufweist, wenngleich die chemischen Komponenten die gleichen sind. Weil überdies nicht die Wahrscheinlichkeit besteht, dass Schmiederisse in der Gusslegierung auftreten, weisen die Legierung Nr. 3 mit viel C, die Legierung Nr. 5 mit Ti, Al und die Legierung Nr. 4 mit Ti, Nb, Zr jeweils eine ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit auf.
Die Gusslegierungen haben eine hohe Zeitstandfestigkeit von 5 kg/mm² oder mehr bei 800°C über 100000 Stunden (P = 26,8 × 10³).
Die 4–9 sind mikroskopische Bilder, in denen Metallstrukturen der jeweiligen Materialien Nr. 1–6 dargestellt sind, die jeweils 100fach vergrößert sind. Das in 4 dargestellte Material Nr. 1 ist ein geschmiedetes Material, und die Materialien Nr. 2, Nr. 3, Nr. 4, Nr. 5 und Nr. 6 sind in den 5, 6, 7, 8 bzw. 9 dargestellt. Die Materialien Nr. 2–6 weisen jeweils die Struktur nach dem Gießen auf. Wie in den Figuren dargestellt ist, haben die Legierungsmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung jeweils eine Struktur, bei der eutektische Carbide und intermetallische Verbindungen auftreten.
10 ist ein Diagramm, in dem Beziehungen zwischen der Zugfestigkeit und der Temperatur dargestellt sind. Wie in der Figur dargestellt ist, nimmt die Zugfestigkeit des geschmiedeten Materials Nr. 1 im Hochtemperaturbereich von 800°C oder darüber schnell ab, und die Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung weisen andererseits jeweils eine kleine Verringerung auf und haben einen hohen Wert. Alle Materialien weisen bei einer Temperatur von 800°C einen Wert von 25 kg/mm² oder mehr und bei einer Temperatur von 900°C einen Wert von 15 kg/mm² oder mehr auf.
11 zeigt Beziehungen zwischen der Dehnungsgrenze und der Temperatur, wobei das Material Nr. 5 hohe Werte, wie etwa 60 kg/mm² bei einer Temperatur von 800°C und etwa 50 kg/mm² bei einer Temperatur von 900°C aufweist und andere Materialien mit Ausnahme des Materials Nr. 6 bei einer Temperatur von 800°C 25 kg/mm² oder mehr und bei einer Temperatur von 900°C von etwa 20 kg/mm² aufweisen und das Material Nr. 6 bei einer Temperatur von 800°C etwa 15 kg/mm² und bei einer Temperatur von 900°C etwa 10 kg/mm² aufweist. Sie weisen eine ausreichende Festigkeit auf.
12 ist ein Diagramm, in dem Beziehungen zwischen dem Prozentsatz der Dehnung und der Temperatur dargestellt sind. Das geschmiedete Material Nr. 1 hat einen hohen Streckungsprozentsatz, und die Gusslegierungsmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung weisen andererseits niedrigere Werte als das geschmiedete Material auf. Sie haben jedoch einen Streckungsprozentsatz von 5% oder mehr, was in der Praxis ausreicht.
13 ist ein Diagramm, in dem die Ergebnisse eines Drehbiege-Ermüdungstests bei 800°C dargestellt sind. Das geschmiedete Material Nr. 1 hat einen hohen Wert der Hochfrequenz-Ermüdungsfestigkeit, das Gussmaterial hat jedoch eine hohe Korngröße, was dazu führt, dass die Hochfrequenz-Ermüdungsfestigkeit gering ist. Bei einer praktischen Brennerauskleidung beträgt sie etwa 3 kg/mm², die Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung haben jedoch Werte von 15 kg/mm² oder mehr, was ausreicht.
AUSFÜHRUNGSFORM 2
In der gleichen Weise wie in Ausführungsform 1 werden die in Tabelle 2 dargestellten Legierungen (Gew.-%) durch Schleuderguss jeweils zu einem zylindrischen Körper mit der gleichen Größe geformt, und es werden an der Außenfläche durch maschinelle Bearbeitung Vorsprünge gebildet. Überdies wird gemäß dieser Ausführungsform nach dem Gießen eine Lösungsbehandlung ausgeführt, wobei 30 Minuten lang auf 1150°C erwärmt wird und dann durch Luft abgekühlt wird. Die Korngröße beträgt 0,5–3 mm, und die Gusslegierungen haben eine ausgezeichnete Zeitstandfestigkeit. Die Zeitstandfestigkeit bei 850°C über 10⁴ Stunden als mechanische Eigenschaft beträgt 3 kg/mm² oder mehr, und es wurde insbesondere bestätigt, dass die eine große Menge von 10% oder mehr W enthaltende Legierung eine ausgezeichnete Festigkeit von 5 kg/mm² oder mehr aufweist. Tabelle 2

(): drückt einen Mischanteil aus

AUSFÜHRUNGSFORM 3
14 ist eine Schnittansicht eines Gasturbinenbrenners, bei dem die Legierungen Nr. 2 und Nr. 5 gemäß der Ausführungsform 1 verwendet werden.
Ein Außenzylinder 13 des Brenners ist mit einer Seite eines Gehäuses 12 verbunden, in dem sich ein Lufteinlass 20 zum Einleiten von Druckluft, die durch einen Luftkompressor (nicht dargestellt) auf ein Kompressionsverhältnis von 15–20 komprimiert wurde und deren Temperatur auf 350–450°C erhöht wurde, befindet, wie in 14 dargestellt ist, und eine Turbine 14 ist mit der anderen Seite des Gehäuses 12 verbunden. Auf der Innenseite des Außenzylinders 13 des Brenners und des Gehäuses 12 sind eine Brennerauskleidung 15 und ein Übergangsstück 16, das die Brennerauskleidung 15 und die Turbine 14 verbindet, angeordnet. Hierbei ist die Brennerauskleidung 15 mit einer Kraftstoffdüse 17 und primären Verbrennungsluftlöchern 18, sekundären Verbrennungsluftlöchern 19, Verdünnungsluftlöchern 10 und Kühlluftlöchern 11 von Durchlässen oder Schlitzen in einer Wandfläche in Achsenrichtung versehen. Wegen dieses Aufbaus kühlt die vom Kompressor ausgestoßene Luft 100 vom Lufteinlass 20 zuerst den Außenumfang des Übergangsstücks 16 durch konvektive Wärmeübertragung und läuft dann durch einen ringförmigen Raum, der durch den Außenzylinder 13 des Brenners und die Brennerauskleidung 15 definiert ist und fließt zu einer stromaufwärts gelegenen Seite des Brenners, wo sich die Kraftstoffdüse befindet. Ein Teil der Luft 100 strömt als primäre Verbrennungsluft in die Brennerauskleidung 15, und die sekundäre Verbrennungsluft im anderen Teil strömt als Kühlluft ein. Das heißt, dass die Kühlluft 101, 102 und 103, die parallel zur Wandfläche der Brennerauskleidung 15 aus den Kühllöchern 11 herausfließt, sich mit Verbrennungsgas mischt, das in der Brennerauskleidung 15 fließt, wodurch eine Mischschicht gebildet ist, wodurch die Kühlung der Wandoberfläche der Brennerauskleidung 15 jedoch nicht beeinflusst wird. Andererseits entwickelt sich in dem Abschnitt, der die Wandoberfläche der Brennerauskleidung 15 berührt, eine Temperaturgrenzschicht durch konvektive Wärmeübertragung, während sie stromabwärts der Kühlluftlöcher 11 fließt. Daher verringert sich gewöhnlich die Kühlwirkung, wenn die Kühlposition über die Kühlluftlöcher 11 hinausgeht. Eine Verringerung der Kühlwirkung bewirkt eine Erhöhung der Oberflächentemperatur der Wand der Brennerauskleidung 15, so dass die Kühlluftlöcher 11 intermittierend in kleinen Abständen bereitgestellt sind, wie in 14 dargestellt ist, um die Temperaturerhöhung in einem zulässigen Bereich zu halten. Die Kühlluft 101, 102, 103 wird auf einen Anteil von 20% oder weniger der vom Kompressor ausgestoßenen Luft 100 reduziert, weil es erforderlich ist, die Einlasstemperatur der Gasturbine gleichmäßig zu machen, wobei die Oberflächentemperatur der Wand der Brennerauskleidung 15 in einer Flammenerzeugungszone, in der die Strahlungswärmeübertragung am größten ist, etwa 800°C erreicht, wenn die Verbrennungsgastemperatur 1400°C oder mehr beträgt.
Weiterhin wird ein Barren mit der Legierung Nr. 13 in Tabelle 2 gegossen und durch Warmwalzen zu einer gewalzten Platte gemacht. Die gewalzte Platte wird einer Lösungsbehandlung unterzogen, und es wird eine Platte mit einer Dicke von 2 mm erhalten. Unter Verwendung dieser Platte werden durch Kaltbiegen ein Übergangsstück 16 und eine Düsenkappe 21 gebildet und mit einer vorgegebenen Form versehen. Sie werden durch Schweißen verbunden. Das Schweißen wird unter Verwendung eines Schweißdrahts aus der Legierung Nr. 13 mit der gleichen Zusammensetzung wie das Basismaterial ausgeführt. Das Schweißen ist ein angesetztes Wolfram-Inertgasschweißen (TIG). Sie werden nach dem Schweißen auf eine Temperatur von 1150°C erwärmt und 30 Minuten lang auf dieser gehalten und dann mit Luft gekühlt, wodurch eine Spannungsentlastung bewirkt wird.
Beim Anwenden des wie vorstehend erwähnt hergestellten Gasturbinenbrenners auf eine praktisch eingesetzte Leichtöl-Verbrennungsmaschine ist ersichtlich, dass die Lebensdauer der Maschine höher ist als die einer Maschine, bei der eine herkömmliche Legierung verwendet wird, und dass es möglich ist, die Gastemperatur zu erhöhen, weil für den Brenner eine Legierung mit einer ausgezeichneten thermischen Ermüdungsfestigkeit verwendet wird.
AUSFÜHRUNGSFORM 4
15 zeigt einen Teil einer anderen Gasturbine mit einem Brenner mit einem niedrigen NOx-Gehalt gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein typischer Brenner besteht aus mehreren Brennern, die entlang dem Umfang der Gasturbine angeordnet sind, wobei sich dazwischen ein Intervall befindet, und jeder von ihnen hat einen kreisförmigen Querschnitt. Die Gasturbine hat einen Kompressor zum Zuführen von Luft mit einem hohen Druck für die Verbrennung und die Kühlung. Während des Betriebs der Gasturbine verbrennen die Brenner Kraftstoff mit Hochdruckluft vom Kompressor, um Energie auf die Luft zu übertragen. Ein Teil der Energie des auf diese Weise im Brenner erzeugten Hochtemperaturgases erreicht die Düse der ersten Stufe und die beweglichen Schaufeln der Turbine über ein Übergangsstück 16. Die beweglichen Schaufeln der Turbine treiben den Kompressor und eine Eigenlast an. Der Brenner mit einem niedrigen NOx-Gehalt ist in eine Brennerauskleidung 15 eingeschlossen, die an einem Turbinengehäuse 17 befestigt ist. Kraftstoff wird einem Brenner durch Kraftstoffrohre 18 zugeführt. Der Kraftstoff wird durch eine Kraftstoffeinleiteinrichtung 20 in das Innere des Brenners eingeleitet. Die Kraftstoffeinleiteinrichtung 20 ist eine Kraftstoffdüse für gasförmigen oder flüssigen Kraftstoff. Es werden mehrere Kraftstoffdüsen 20 verwendet.
Dieses Beispiel schließt eine Nebenbrennkammer 25 und eine Hauptbrennkammer 26 ein, wobei ein stromaufwärts gelegenes Ende der Hauptkammer 26 über einen Halsbereich mit einem verhältnismäßig kleinen Querschnitt mit einem stromabwärts gelegenen Ende der Nebenkammer 25 verbunden ist.
Die Brennkammern 25 und 26 weisen vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf. Gemäß dieser Ausführungsform wird für die Brennerauskleidung 15, die die Brennkammern 25, 26 festlegt, und das durch einen Federring 24 mit der Brennerauskleidung verbundene Übergangsstück 16 die wärmebeständige Legierung Nr. 6 auf Eisenbasis gemäß der Ausführungsform 1 verwendet. Die Brennerauskleidung 15 wird durch Schleuderguss hergestellt, und das Übergangsstück 16 wird durch ein Vakuumsaugverfahren gegossen, wobei eine Wachsausschmelzform verwendet wird und geschmolzenes Metall von einem unteren Abschnitt der Form hochgesogen wird. Das Gusselement der Brennerauskleidung 15 weist eine gleichmäßige Dicke auf.
Vom Kompressor in der gleichen Weise wie in den Ausführungsformen 1–3 komprimierte Luft mit 350–450°C wird zum Kühlen der Brennerauskleidung 15 verwendet, und die Brennerauskleidung 15 wird durch ringförmige Vorsprünge 8 gekühlt, die an der Außenfläche durch maschinelle Bearbeitung bereitgestellt sind.
Es ist für das Kühlen der Brennerauskleidung bevorzugt, eine Luftfilmkühlung unter Verwendung von Rillen oder Schlitzen einzusetzen.
Gemäß dieser Ausführungsform werden die Gussteile jeweils in dem Zustand verwendet, in dem sie gegossen wurden, und es ist dabei möglich, eine Lösungsbehandlung bei 1100–1175°C auszuführen. Nach der Lösungsbehandlung ist es möglich, eine Alterungsbehandlung bei einer Temperatur von 950–1000°C auszuführen.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Innenumfangsfläche der Brennerauskleidung 15 flach. Beim Schleuderguss werden in der Innenumfangsfläche viele nichtmetallische Fremdstoffe gebildet oder angesammelt, so dass die Innenumfangsfläche maschinell bearbeitet wird. Die Eigenschaften dieser Ausführungsform sind die gleichen wie diejenigen in Ausführungsform 1. Gemäß dieser Ausführungsform wird der Brenner auch so gekühlt, dass die Metalltemperatur der Brennerauskleidung 800°C oder mehr wird, wenn die Verbrennungsgastemperatur 1400°C oder mehr beträgt, und er weist eine solche Kühlanordnung auf, dass dieses Kühlen bewirkt wird.
AUSFÜHRUNGSFORM 5
16 ist eine Schnittansicht eines drehbaren Abschnitts der Gasturbine, der in den Ausführungsformen 1–4 bereitgestellt ist, wobei die Verbrennungsgas-Einlasstemperatur an einer ersten Stufe 1400°C oder mehr beträgt. In 16 bezeichnet eine Bezugszahl 31 den Brenner, eine Bezugszahl 32 Gasturbinendüsen, eine Bezugszahl 33 bewegliche Gasturbinenschaufeln, eine Bezugszahl 34 Turbinenstapelbolzen, eine Bezugszahl 35 ein Distanzstück, eine Bezugszahl 36 einen Einlaufkranz, eine Bezugszahl 37 Turbinenabstandselemente und eine Bezugszahl 38 Turbinenscheiben. Die Turbinendüsen 32 und die Turbinenschaufeln 33 sind für drei Stufen vorgesehen.
Gemäß dieser Ausführungsform sind alle Innenumfangsflächen der Brennerauskleidung und des Übergangsstücks durch thermisches Sprühen zur Wärmeisolation mit Keramik überzogen.
Bei allen von ihnen wird die Innenumfangsfläche zum Entfetten gewaschen, unter Verwendung von Stahlkügelchen abgestrahlt und dann einem Plasmasprühen ausgesetzt, um eine Legierungsbeschichtung zu bilden, die in Bezug auf das Gewicht aus 10% Ni, 25% Cr, 7% Al, 0,6% Y, 5% Ta und restlichem Co besteht. Das Plasmasprühen wird in Argon bei einem Druck von 200 Torr ausgeführt. In diesem Fall wird der Sauerstoff-Teildruck in der Atmosphäre, in der das Plasmasprühen ausgeführt wird, durch einen Sauerstoffsensor gemessen, und es ergab sich, dass der Teildruck 10 atg oder weniger betrug. Die Ausgangsleistung des Plasmas beträgt 40 kW. Unmittelbar nachdem die Co-Ni-Cr-Al-Y-Legierungsbeschichtung mit einer Dicke von 0,01 mm unter dieser Bedingung gebildet wurde, wird auf der vorstehend erwähnten Verbindungsschicht (Legierungsschicht) eine Beschichtung aus ZrO₂ – 8% Y₂O₃ gebildet. Die Plasmasprühbedingung ist dadurch gegeben, dass die Plasmaausgangsleistung 50 kW beträgt und dass in Luft gesprüht wird. Die Dicke der ZrO₂ – 8% Y₂O₃-Beschichtung beträgt 0,3 mm. Danach wird eine Wärmebehandlung bei 1060°C 10 Stunden lang ausgeführt, um eine Diffusionsbehandlung der Legierungsbeschichtung und des Basismaterials zu bewirken.
Von den auf diese Weise gebildeten Elementen werden Teststücke für einen Wärmezyklustest entnommen. Bei diesen wiederholten Wärmezyklustests wurden sie 15 Minuten lang bei 750°C gehalten und 15 Sekunden lang in Wasser mit einer Temperatur von 20–25°C gehalten. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform trat selbst bei Wiederholungsanzahlen von 1700 bei keinen Teststücken eine Trennung der Wärmesperrbeschichtung auf. Durch das Bereitstellen einer solchen Wärmesperrbeschichtung kann die Metalltemperatur der Brennerauskleidung und des Übergangsstücks um 50–100°C verringert werden, wodurch es möglich ist, die Temperatur des Verbrennungsgases zu erhöhen und die Kühlluftmenge zu verringern, so dass die Wärmeausnutzung erhöht werden kann.
Die Gasturbine gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat den folgenden Aufbau:
Zumindest eine Art eines Distanzstücks, eines Turbinenabstandselements, von Turbinenstapelbolzen, von Kompressorstapelbolzen und einer Kompressorscheibe der letzten Stufe zusätzlich zu einem Kompressorrotor kann aus einer wärmebeständigen Legierung hergestellt werden, die in Bezug auf das Gewicht 0,05–0,2% C, maximal 0,5% Si, maximal 1% Mn, 8–13% Cr, maximal 3% Ni, 1,5–3% Mo, 0,05–0,3% V, 0,02–0,2% Nb, 0,02–0,1% N und restliches Fe aufweist und eine getemperte Martensitstruktur hat. Indem alle Teile aus der wärmebeständigen Legierung hergestellt werden, kann die Temperatur des Verbrennungsgases erhöht werden und die Wärme ausnutzung verbessert werden. Wenn insbesondere zumindest eine Art der Teile aus einer wärmebeständigen Legierung, die in Bezug auf das Gewicht 0,05–0,2% C, maximal 0,5% Si, maximal 0,6% Mn, 8–13% Cr, 2–3% Ni, 1,5–3% Mo, 0,05–0,3% V, 0,02–0,2% Nb, 0,02–0,1% N und restliches Fe enthält, wobei das Verhältnis Mn/Ni maximal 0,11 und insbesondere 0,04–0,01 beträgt, oder der Legierung, bei der Si maximal 0,1% und Mn maximal 0,1% aufweist, welche eine vollständig getemperte Martensitstruktur aufweist, besteht, kann eine hohe Brüchigkeitsbeständigkeit erhalten werden, und es kann eine sehr sichere Gasturbine erhalten werden.
Weiterhin wird als das bei diesen Teilen verwendete Material martensitischer Stahl mit einer Zeitstandfestigkeit von 40 kg/mm² oder mehr bei 450°C über 10⁵ Stunden und einem Charpy-V-Kerbschlagwert von 5 kgm/cm² oder mehr bei 20°C und vorzugsweise ein Material mit einer Zeitstandfestigkeit von 50 kg/mm² oder mehr bei 450°C über 10⁵ Stunden und einem Charpy-V-Kerbschlagwert von 5 kgm/cm² oder mehr bei 20°C nach dem Erwärmen auf 500°C über 10⁵ Stunden verwendet.
Diese Materialien können weiterhin jeweils mindestens eine Art aufweisen, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus maximal 1% W, maximal 0,5% Co, maximal 0,5% Cu, maximal 0,01% B, maximal 0,5% Ti, maximal 0,3% Al, maximal 0,1% Zr, maximal 0,1% Hf, maximal 0,01% Ca, maximal 0,01% Mg, maximal 0,01% Y und maximal 0,01% eines Seltenerdelements besteht.
Die Turbinendüsenabschnitte der ersten Stufe sind an einer Membran befestigt, und sie bestehen jeweils aus einer Gusslegierung, die in Bezug auf das Gewicht maximal 0,05% C, maximal 1% Si, maximal 2% Mn, 16–22% Cr, 8–15% Ni und restliches Fe enthält, und die anderen Turbinendüsenabschnitte bestehen aus einer Stahlgusslegierung mit einem hohen C-Gehalt und einem hohen Ni-Gehalt.
Für die Turbinenschaufeln wird eine Gusslegierung verwendet, die in Bezug auf das Gewicht 0,07–0,25% C, maximal 1% Si, maximal 1% Mn, 12–20% Cr, 5–15% Co, 1,0–5,0% Mo, 1,0–5,0% W, 0,005–0,03% B, 2,0–7,0% Ti, 3,0–7,0% Al, wenigstens eine Art, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus maximal 1,5% Nb, 0,01–0,5% Zr, 0,01–0,5% Hf und 0,01–0,5% und restlichem Ni besteht und eine γ'-Phase und eine γ''-Phase, die in einer austenitischen Phasenmatrix ausgefällt sind, aufweist. Insbesondere wird unter einer Bedingung einer höheren Temperatur, bei der die Verbrennungsgas-Einlasstemperatur 1500°C beträgt oder höher ist, für Schaufeln der ersten Stufe eine Legierung, die weiter maximal 5% Re enthält, welche an einem Schaufelabschnitt monokristallin ist und an einem Ende säulenförmig kristallin ist oder welche insgesamt monokristallin ist, eine dispergierte Legierung, bei der maximal 1 Gew.-% Y₂O₃ mit einer Teilchengröße von 0,1 μm oder weniger gleichmäßig dispergiert ist, eine Legierung mit einer unidirektionalen Verfestigung usw. verwendet. Für die Legierung, die an dem Schaufelabschnitt monokristallin ist, ist es bevorzugt, dass sie kein Si und Mn enthält und dass sie maximal 0,05% von jedem von C und B und maximal 0,5% Ti und 2–10% Ta enthält. Die vorstehend erwähnte Legierung wird für die zweite und untere Stufen verwendet.
Die zuletzt erwähnte Superlegierung auf Nickelbasis wird zumindest an der ersten Stufe für Gasturbinendüsen der Klasse über 1400°C verwendet, sie kann jedoch auch an allen Stufen für Gasturbinendüsen verwendet werden. Andere Düsen als die Düsen der ersten Stufe bestehen jeweils aus einer Gusslegierung, die in Bezug auf das Gewicht 0,20–0,60% C, maximal 2% Si, maximal 2% Mn, 25–35% Cr, 5–15% Ni, 3–10% W, 0,003–0,03% B und restliches Co oder weiter mindestens eine Art von 0,1–0,3% Ti, 0,1–0,5% Nb und 0,1–0,3% Zr enthält und eutektische Carbide und sekundäre Carbide in einer austenitischen Phasenmatrix aufweist. Diese Legierungen werden alle nach einer Lösungsbehandlung einer Alterungsbehandlung unterzogen, um die vorstehend erwähnten Ausfällungssubstanzen zu bilden und eine Verfestigung zu erzielen.
Für die vorstehend erwähnte erste Stufe ist eine Legierung auf Nickelbasis mit einer spezifischen Zusammensetzung bevorzugt, wobei die Risszeit beim Zeitstandfestigkeitstest bei 900°C und 14 kg/mm² 300 Stunden oder mehr beträgt, die Wärmeermüdungsbeständigkeit zwischen 900°C und 350°C das mindestens 600fache derjenigen beträgt, bei der keine Risse auftreten, und ein Schweißen bei einer Vorwärmtemperatur von 400°C oder weniger möglich ist, wobei das Element einen Schaufelabschnitt und an beiden Enden des Schaufelabschnitts gebildete Seitenwände aufweist, in einer Ringkonfiguration an einem Außenumfang der drehbaren Schaufel angeordnet ist und das Material vorzugsweise eine Legierung auf Nickelbasis ist, die in Bezug auf das Gewicht 0,05–0,20% C, 15–25% Co, 15–25% Cr, 1,0–3,0% Al, 1,0–3,0% Ti, 1,0–3,0% Nb, 5–10% W und mindestens 55% Ni aufweist, wobei die Anteile von (Al + Ti) und W innerhalb einer Linie liegen, die A (5% Al + Ti, 7,5% W), B (3% Al + Ti, 10% W), C (5% Al + Ti, 7,5% W), D (5% Al + Ti, 5% W), E (5% Al + Ti, 5% W) und F (2,5% Al + Ti, 7,5% W) verbindet.
Überdies besteht die Turbinendüse vorzugsweise aus einer Legierung auf Nickelbasis, wobei die Risszeit bei 900°C und 14 kg/mm² 300 Stunden oder mehr beträgt und die Vorwärmtemperatur 400°C oder weniger beträgt, wobei innerhalb eines durch TIG-Schweißen über einen Durchgang mit einer Länge von 80 mm und einer Breite von 8 mm gebildeten Schlags keine Risse auftreten.
Eine Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ein Gussteil aus einer Legierung auf Nickelbasis, wobei sich zwischen den Seitenwänden an beiden Enden der vorstehend erwähnten Düse 70 mm oder mehr befinden und die Länge von der Einlassseite des Verbrennungsgases zur Auslassseite 100 mm oder mehr beträgt. Weiterhin ist für Gasturbinendüsen der 1500°C-Klasse die vorstehend erwähnte Legierung auf Kobaltbasis für die erste Stufe bevorzugt, wobei die vorstehend erwähnte Legierung auf Nickelbasis, die weiter maximal 2% Ta und maximal 0,15% B enthält, für die zweite Stufe und die anderen Stufen bevorzugt ist.
Weiterhin können die Turbinenschaufeln einer Diffusionsbeschichtung mit Al, Cr oder Al + Cr unterzogen werden, um weiter eine Korrosion durch Verbrennungsgas hoher Temperatur zu verhindern. Die Dicke der Beschichtung beträgt 30–150 μm, und es ist bevorzugt, sie an den Schaufelabschnitten bereitzustellen, die in Kontakt mit dem Gas gelangen. Es ist auch bevorzugt, eine stabile ZrO₂-Schicht als eine Wärmesperrschicht statt durch die Diffusionsbeschichtung durch Gasphasen oder Plasmasprühen zu bilden, nachdem ein Gasphasen- oder Plasmasprühen einer Ni- oder Fe-Legierung ausgeführt wurde, die 10–30% Cr, 5–10% Al und maximal 1% Y enthält.
Mehrere Brenner sind am Umfang der Gasturbine angeordnet. Jeder der Brenner ist in einer Doppelstruktur aus der Außenzylinder- und der Innenzylinder-Brennerauskleidung aufgebaut. Die Brennerauskleidung und das Übergangsstück sind so aufgebaut, wie vorstehend beschrieben wurde.
Der Kompressorrotor ist 7fach unterteilt, wobei die Schaufeln der ersten und der zweiten Stufe in einem Abschnitt a angeordnet sind, die Schaufeln der dritten und der vierten Stufe in einem Abschnitt b angeordnet sind, die Schaufeln der fünften und der sechsten Stufe in einem Abschnitt c angeordnet sind, die Schaufeln der siebten und der achten Stufe in einem Abschnitt d angeordnet sind, die Schaufeln der neunten, der zehnten und der elften Stufe in einem Abschnitt e angeordnet sind, die Schaufeln der zwölften bis vierzehnten Stufe in einem Abschnitt f angeordnet sind und die Schaufeln der fünfzehnten bis siebzehnten Stufe in einem Abschnitt g angeordnet sind, wobei sie durch Bolzen 19 zu einer Einheit verbunden sind. Jeder Rotor ist durch Bolzen zwischen Abschnitten der Schaufeln der zweiten Stufe und der Schaufeln der letzten Stufe verbunden und mit dem Distanzstück 35 verbunden. Alle Bolzen bestehen aus einer wärmebeständigen Legierung, und es werden insgesamt mindestens zehn Bolzen am gesamten Umfang verwendet. Die Rotoren a bis e werden bei einer Temperatur von 350°C oder weniger verwendet, so dass eine Hochtemperaturfestigkeit (Zeitstandfestigkeit) nicht erforderlich ist, sie müssen jedoch eine hohe Tieftemperaturfestigkeit aufweisen. Insbesondere ist der Rotor a mit einem Lagerabschnitt versehen, und es sind Schaufeln angeordnet, so dass der Rotor die größte Zentrifugalbeanspruchung empfängt und bei der niedrigsten Temperatur (35°C) verwendet wird. Daher ist für den Rotor a die höchste Tieftemperaturfestigkeit erforderlich. Weil die Rotoren f und g andererseits der höchsten Temperatur (≤ 400°C) ausgesetzt sind, sind eine hohe Zeitstandfestigkeit und eine ausgezeichnete Oxidationsfestigkeit erforderlich. Daher wird der vorstehend erwähnte niedrig legierte Stahl verwendet.
Der vorstehende Aufbau ermöglicht es, dass das Kompressionsverhältnis 15–18 beträgt, dass die Temperatur 400–500°C beträgt, dass der Kompressionsgrad 86% oder mehr beträgt, dass die Gastemperatur am Turbinendüseneinlass der ersten Stufe 1400°C oder mehr beträgt und dass die Abgastemperatur 530°C oder mehr beträgt. Es kann eine Wärmeausnutzung von 35% oder mehr erhalten werden. Die vorstehend erwähnte wärmebeständige Legierung mit einer hohen Zeitstandfestigkeit und einer geringen Wärmebrüchigkeit wird für die Turbinenscheiben, das Distanzstück, die Abstandselemente, die Rotorwelle des Kompressors und die Stapelbolzen verwendet. Die Turbinenschaufeln sind jeweils aus einem Gussteil hergestellt, das eine Hochtemperaturfestigkeit und eine Hochtemperaturstreckbarkeit aufweist, und die Brennerauskleidung besteht aus einem Gussstück mit einer Hochtemperaturfestigkeit und einer hohen Ermüdungsfestigkeit. Daher kann eine Gasturbine erhalten werden, die sehr zuverlässig ist und insgesamt gut ausgeglichen ist. Als Kraftstoff wird Erdgas oder Leichtöl verwendet.
Überdies kann durch die Verwendung einer monokristallinen Legierung auf Nickelbasis für die Turbinenschaufeln der ersten Stufe eine Gasturbine für ein Kraftwerk erhalten werden, bei der die Gaseinlasstemperatur in die Turbinendüsen der ersten Stufe 1500°C beträgt, die Temperatur des Metalls der Schaufeln der ersten Stufe 1000°C beträgt, die Abgastemperatur der Gasturbine 650°C beträgt und der durch LHV ausgedrückte Wirkungsgrad der Energieerzeugung 34% oder mehr beträgt.
AUSFÜHRUNGSFORM 6
17 ist ein schematisches Diagramm, in dem ein einachsiges Verbundzyklus-Energieerzeugungssystem dargestellt ist, bei dem die Gasturbine gemäß Ausführungsform 5 und eine integrierte Dampfturbine mit einem Hochdruckabschnitt und einem Niederdruckabschnitt verwendet werden. Mehrere Paare aus der Gasturbine und der Dampfturbine können zur Energieerzeugung verwendet werden. Es können 3 oder 6 der Gasturbinen und 3 oder 6 der Dampfturbinen kombiniert werden.
Bei der Energieerzeugung unter Verwendung der Gasturbine wird in den letzten Jahren ein so genanntes Verbundzyklus-Energieerzeugungssystem verwendet, bei dem die Gasturbine unter Verwendung flüssigen Erdgases (LNG) angetrieben wird, eine Dampfturbine durch Dampf angetrieben wird, der durch Rückgewinnen von Abgasenergie der Gasturbine erhalten wird, und ein Generator sowohl durch die Gasturbine als auch durch die Dampfturbine angetrieben wird. Wenn das Verbundzyklus- Energieerzeugungssystem verwendet wird, kann die Wärmeausnutzung verglichen mit der Wärmeausnutzung von 40% bei der Energieerzeugung durch eine herkömmliche einzige Dampfturbine auf 46% oder mehr stark verbessert werden.
Zuerst strömt Luft durch einen Ansaugluftfilter und einen Ansaugluftberuhiger und tritt in einen Luftkompressor ein, der die Luft komprimiert, um Druckluft mit 350–450°C an einen Brenner mit einem niedrigen NOx-Gehalt abzugeben.
In dem Brenner wird Kraftstoff zur Verbrennung in die Druckluft eingespritzt, um ein Gas hoher Temperatur von 1400°C oder mehr zu erzeugen. Das Gas hoher Temperatur erzeugt in der Gasturbine Energie.
Verbrennungsabgas mit 550°C oder mehr, das von der Gasturbine ausgestoßen wird, wird durch einen Abgasberuhiger an einen Abwärme-Rückgewinnungskessel abgegeben, um Wärmeenergie zurückzugewinnen und Dampf hohen Drucks mit 530°C oder mehr und Dampf niedrigen Drucks zu erzeugen, die beide durch Hochdruck-Dampfrohre bzw. Niederdruck-Dampfrohre zu einer Dampfturbine gesendet werden. Der Kessel ist mit einer Denitrierungsvorrichtung zur trockenen Ammoniumkontaktreduktion versehen. Das Abgas wird von einem Schornsteinstapel ausgestoßen, der von einem Dreibeintyp ist und mehrere Meter hoch ist.
Die Dampfturbine mit einem integrierten Hochdruck- und Niederdruckabschnitt kann die Ausgangsleistung je Turbine verbessern, indem der Dampfdruck an einem Haupt-Dampfeinlassabschnitt auf 100 atg oder mehr und die Temperatur auf 530°C oder mehr erhöht werden. Zum Erhöhen der Ausgangsleistung der einzelnen Maschinen ist es erforderlich, die Länge der beweglichen Schaufel der letzten Stufe und die Dampfströmungsrate zu erhöhen. Wenn gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Länge der Schaufel der endgültigen Stufe auf 76 cm (30 Zoll) oder mehr, insbesondere auf 85 cm (33,5 Zoll) gelegt wird, nimmt die Kreisringfläche um das 1,7fache der Schaufellänge von 66 cm (26 Zoll) zu. Daher nimmt die Ausgangsleistung von 100 MW bei der herkömmlichen Maschine auf 1700 MW zu, und wenn sie auf 102 cm (40 Zoll) gelegt wird, kann die Ausgangsleistung der einzelnen Maschine auf das 2fache oder mehr erhöht werden.
Um auf diese Weise eine hohe Ausgangsleistung bereitzustellen, ist ein Rotormaterial erforderlich, das die gleichen ausgezeichneten Eigenschaften aufweist wie Cr-Mo-V-Stahl im Hochtemperaturbereich und Ni-Cr-Mo-V-Stahl im Niedertemperaturbereich. In dem Fall, in dem lange Schaufeln mit 76 bis 102 cm (30 bis 40 Zoll) verwendet werden, ist ein Material mit einer Zugfestigkeit von 88 kg/mm² oder mehr erforderlich, weil das Spannungsverhältnis zu 1,7 wird, wie vorstehend erwähnt wurde. Weiterhin ist als Material für einen Dampfturbinenrotor mit einem integrierten Hochdruck- und Niederdruckabschnitt ein Material erforderlich, dessen Zeitstandfestigkeit bei 538°C über 10⁵ Stunden 15 kg/mm oder mehr beträgt, um vor Hochtemperaturrissen bei hohen Temperaturen sicher zu sein, wobei die Stoßabsorptionsfähigkeit bei Zimmertemperatur 2,5 kgm (3 kgm/cm²) oder mehr betragen sollte, um vor Rissen bei niedrigen Temperaturen sicher zu sein.
Die Dampfturbine ist mit fünfzehnstufigen Schaufeln versehen, die an der Rotorwelle mit einem integrierten Hoch- und Niederdruckabschnitt angebracht sind. Dampf mit einem hohen Druck von 126 atg und einer hohen Temperatur von 538°C wird von einem Dampfeinlass durch ein Dampfsteuerventil in einen Hochdruckabschnitt einströmen gelassen. Der Dampf tritt in den Hochdruckabschnitt ein, wird 367°C bei 38 atg heiß und tritt aus. Der Dampf wird durch einen Zwischenerhitzer des Abwärme-Rückgewinnungskessels auf 538°C bei 35 atg wiedererwärmt und tritt durch einen Niederdruckabschnitt des Rotors, so dass er zu Dampf mit 46°C bei 0,1 atg wird, der von einem Auslass in einen Kondensator ausgestoßen wird.
Weil die Rotorwelle mit einem integrierten Hoch- und Niederdruckabschnitt gemäß der vorliegenden Ausführungsform Dampf von 538°C bis 46°C ausgesetzt ist, wird ein niedrig legierter Ni-Cr-Mo-V-Schmiedestahl mit einer FATT von 60°C oder weniger und einer Stärke von 11 kg/mm² oder mehr bei 538°C über 10⁵ Stunden verwendet. Die Schaufelanordnungsabschnitte der Rotorwelle werden durch maschinelle Bearbeitung scheibenförmig ausgebildet. Je kürzer die Schaufellänge ist, desto länger ist der Scheibenabschnitt, wodurch Schwingungen reduziert werden.
Bei der Bildung der Rotorwelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird ein Barren durch Umschmelzen gebildet und einem Warmschmieden unterzogen, um eine Welle mit einem Durchmesser von 1,2 m zu bilden. Die Welle wird 10 Stunden lang auf eine Temperatur von 950°C erwärmt und dann durch Wasserbesprühen abgekühlt, während sie gedreht wird, so dass ihr Mittelabschnitt mit 100°C/h gekühlt wird. Anschließend wird ein Tempern bei einer Temperatur von 665°C über 40 Stunden ausgeführt.
(1) Rotorwelle mit einem integrierten Hoch- und Niederdruckabschnitt
Gemäß dieser Ausführungsform kann als Material für diese Welle ein niedrig legierter Ni-Cr-Mo-V-Stahl verwendet werden, der in Bezug auf das Gewicht 0,15–0,40% C, maximal 0,1% Si, maximal 0,5% Mn, 1,5–2,5% Ni, 0,8–2,5% Cr, 0,8–2,0% Mo und 0,1–0,35% V mit einer vollständig bainitischen Struktur aufweist. Insbesondere ist es bevorzugt, dass das Verhältnis Mn/Ni 0,12 beträgt oder kleiner ist oder dass das Verhältnis (Si + Mn)/Ni 0,18 beträgt oder kleiner ist, und es ist bevorzugt, dass das Verhältnis (V + Mo)/(Ni + Cr) 0,45–0,70 beträgt. Weiterhin kann dieser niedrig legierte Stahl zumindest eines von maximal 0,04% eines Seltenerdelements, maximal 0,04% Mg, 0,04% Ca, maximal 0,2% Hf, 0,2% Zr und maximal 1% W enthalten. Insbesondere ist ein Legierungsstahl bevorzugt, der in Bezug auf das Gewicht 0,20–0,28% C, maximal 0,1% Si, 0,05–0,25% Mn, 1,6–2,0% Ni, 1,7–2,3% Cr, 1,0–1,5% Mo und 0,20–0,30% V aufweist.
(2) Schaufel (Kompressor, Dampfturbine)
Die Länge von 3 Stufen an der Kompressorauslassseite und die Länge von 3 Stufen auf der Hochtemperatur- und Hochdruckseite der Dampfturbine betragen jeweils etwa 40 mm. Sie bestehen aus einem martensitischen Schmiedestahl, der in Bezug auf das Gewicht 0,20–0,30% C, 10–13% Cr, 0,5–1,5% Mo, 0,5–1,5% W, 0,1–0,3% V, maximal 0,5% Si, maximal 1% Mn und restliches Fe aufweist.
Ein Mitteldruckabschnitt der Dampfturbine wird zur Niederdruckseite hin länger und besteht aus martensitischem Schmiedestahl, der in Bezug auf das Gewicht 0,05–0,15% C, maximal 1% Mn, maximal 0,5% Si, 10–13% Cr, maximal 0,5% Mo, maximal 0,5% Ni und restliches Fe aufweist.
In der ersten Stufe des Kompressors oder der letzten Stufe der Dampfturbine sind etwa 90 Schaufeln bereitgestellt, die jeweils 85 cm (33,5 Zoll) lang sind und aus martensitischem Schmiedestahl bestehen und in Bezug auf das Gewicht 0,08–0,15% C, maximal 1% Mn, maximal 0,5% Si, 10–13% Cr, 1,5–3,5% Ni, 1–2% Mo, 0,2–0,5% V, 0,02–0,08% N und restliches Fe aufweisen. Weiterhin ist in der letzten Stufe der Spitzenabschnitt einer Abschirmungsplatte aus Stellit durch Schweißen an einem Vorderkantenabschnitt angebracht, um eine Erosion zu verhindern. Ein teilweises Härten wird außer an der Abschirmungsplatte an der Schaufel ausgeführt. Weiterhin werden für lange Schaufeln der ersten Stufe des Kompressors oder der letzten Stufe der Dampfturbine, die länger als 102 cm (40 Zoll) sind, Ti-Schaufeln verwendet, die 5–8% Al und 3–6% V enthalten.
Von den Dampfturbinenschaufeln sind 4 bis 5 Schaufeln jeder Stufe durch einen Verstärkungsrand, der aus dem gleichen Material wie die Schaufeln besteht, durch Klemmvorsprünge und Zapfen, die an den Spitzen der Schaufeln bereitgestellt sind, befestigt.
Für Schaufeln, die bei 3000 U/min verwendet werden, wird ein Legierungsstahl mit 12% Cr verwendet, selbst wenn die Länge 102 cm (40 Zoll) beträgt, und für Schaufeln, die 102 cm (40 Zoll) lang sind und bei 3600 U/min verwendet werden, wird eine Ti-Legierung verwendet, für die Schaufeln, deren Länge bis zu 85 cm (33,5 Zoll) beträgt, wird jedoch der Legierungsstahl mit 12% Cr verwendet.
(3) Für statische Schaufeln eines Kompressors und die Düsen der Dampfturbine wird ferritischer Edelstahl mit 13% Cr verwendet. Für die Düsen der Dampfturbine wird bis zur dritten Stufe auf der Hochdruckseite ein martensitischer Stahl verwendet, der die gleiche Zusammensetzung wie die Düsen aufweist. Für die anderen Düsen wird jedoch das gleiche Material wie für die Schaufeln des Mitteldruckabschnitts verwendet.
(4) Für das Dampfturbinengehäuse wird Cr-Mo-V-Gussstahl verwendet, der in Bezug auf das Gewicht 0,15–0,3% C, maximal 0,5% Si, maximal 1% Mn, 1–2% Cr, 0,5–1,5% Mo, 0,05–0,2% V und maximal 0,1% Ti aufweist. Durch diesen Generator kann beispielsweise eine Leistung von 100000–200000 kW erzeugt werden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen den Lagern der Rotorwelle 520 cm, der Außendurchmesser der Schaufeln der letzten Stufe 315 cm, das Verhältnis zwischen dem Abstand und dem Durchmesser 1,65, die Leistungserzeugungskapazität bis zu 100000 kW und der Abstand zwischen den Lagern der Rotorwelle 0,52 m bei einer erzeugten Ausgangsleistung von 10000 kW.
Weiterhin beträgt gemäß der vorliegenden Ausführungsform in dem Fall, in dem 102 cm (40 Zoll) messende Schaufeln als Schaufeln für die letzte Stufe verwendet werden, der Außendurchmesser 365 cm, das Verhältnis zwischen dem Abstand der Lager der Welle und dem Außendurchmesser 1,43, wodurch eine erzeugte Ausgangsleistung von 200000 kW möglich ist, und der Abstand je 10000 kW 0,26 m.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform besteht bei einer Dampfturbine, insbesondere einer Dampfturbine mit einem integrierten Hoch- und Niederdruckabschnitt mit einem Rotor, der in mehreren Stufen von einer Hochdruckseite zu einer Niederdruckseite an einer Rotorwelle angeordnete Schaufeln aufweist, die Rotorwelle aus wärmebeständigem niedrig legiertem Stahl, der Ni-Cr-Mo-V mit einer bainitischen Struktur enthält, und die Rotorwelle besteht von einer Hochdruckseite, in der Dampf mit 538 oder 566°C in die Schaufeln der ersten Stufe eingeleitet wird, bis zu einer Niederdruckseite, in der Dampf mit 46°C oder weniger an den Schaufeln der letzten Stufe ausgestoßen wird, aus einem Stück.
Weiterhin besteht die Rotorwelle aus einem wärmebeständigen niedrig legierten Stahl, der Ni-Cr-Mo-V enthält und eine bainitische Struktur aufweist, und die Rotorwelle besteht von einer Hochdruckseite, in der Dampf mit 530°C oder mehr in die Schaufeln der ersten Stufe eingeleitet wird, bis zu einer Niederdruckseite, in der Dampf mit 100°C oder weniger an den Schaufeln der letzten Stufe ausgestoßen wird, aus einem Stück, wobei die Schaufeln der letzten Stufe eine Länge von 85 cm (33,5 Zoll) oder 102 cm (40 Zoll) aufweisen und der Wellenabschnitt der ersten Stufe mit 85 cm (33,5 Zoll) aus martensitischem Stahl mit 10–13% Cr besteht und die 102 cm (40 Zoll) aufweisenden Schaufeln aus einer Legierung auf Titanbasis bestehen, die in Bezug auf das Gewicht 4–8% Al und 2,5–5,5% V enthält.
Dampfturbinen gemäß der vorliegenden Erfindung sind eine nicht wiedererwärmende Turbine eines Einzelstromtyps, bei der Dampf mit 530°C von einer Hochdruckseite zu einer Niederdruckseite mit einer Dampftemperatur von 100°C oder weniger in eine Richtung fließt, und eine wiedererwärmende Dampfturbine, bei der Dampf auf die gleiche Temperatur wie auf der Hochdruckseite wiedererwärmt wird und in einen Mitteldruckabschnitt einströmen gelassen wird. Es ist bevorzugt, dass die Schaufeln in 10 oder mehr Stufen angeordnet sind, und es ist auch bevorzugt, dass die Schaufellänge an der letzten Stufe 76 cm (30 Zoll) oder mehr beträgt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann Dampf mit 566°C verwendet werden und kann auch ein Dampfdruck von 121, 169 und 224 atg verwendet werden.
Wenngleich ein einachsiges Verbundzyklus-Kraftwerk, in dem 6 Gruppen kombiniert sind, die jeweils eine Gasturbine, einen Abwärme-Rückgewinnungskessel, eine Dampfturbine und einen Generator aufweisen, vorstehend erklärt wurde, wird auch ein mehrachsiges Verbundzyklus-Kraftwerk, bei dem mehrere Gasturbinen mit Abwärme-Rückgewinnungskesseln kombiniert sind, um Dampf zu erzeugen und eine Dampfturbine durch den Dampf angetrieben wird, verwendet.
In Bezug auf das Scherverhältnis der erzeugten Ausgangsleistung sei bemerkt, dass bei dem einachsigen Verbundzyklus-Kraftwerk die Gasturbine 2/3 der gesamten Ausgangsleistung trägt und die Dampfturbine 1/3 davon trägt. Überdies kann die Ausgangsleistung der Gasturbine zu 50000 bis 200000 kW gemacht werden, und es wird die Dampfturbine so eingerichtet, dass ihre Ausgangsleistung der vorstehend erwähnten Ausgangsleistung der Gasturbine Rechnung tragen kann.
Die Wärmeausnutzung kann, verglichen mit herkömmlichen Wärmekraftwerken, um 2 bis 3% erhöht werden. Selbst unter Teillast kann die Einrichtung mit einer Nennbelastung betrieben werden, indem die sich im Betrieb befindlichen Gasturbinen reduziert werden, so dass das Kraftwerk insgesamt mit einem hohen Wirkungsgrad von 46% oder mehr betrieben werden kann. Überdies kann die CO₂-Menge je erzeugter Energiemenge verringert werden und der Treibhauseffekt reduziert werden.
Das Verbundzyklus-Kraftwerk besteht aus einer Gasturbine, die sich in kurzer Zeit leicht anfahren und anhalten lässt, und einer einfachen Dampfturbine geringer Größe, weshalb die Ausgangsleistung leicht eingestellt werden kann und das Kraftwerk als ein Kraftwerk mittlerer Last geeignet ist, das auf Bedarfsänderungen reagieren kann.
Wie vorstehend erwähnt wurde, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Gasturbinenbrenner erhalten werden, der in einem axialen Abschnitt keinen Schweißabschnitt aufweist und eine ausgezeichnete Wärmeermüdungsbeständigkeit und eine lange Lebensdauer hat. Überdies können die Temperaturbelastbarkeit der Brennerauskleidung und des Übergangsstücks erhöht werden, wodurch die Wärmeausnutzung erhöht werden kann.
Die vorliegende Erfindung kann für Gasturbinenbrenner zur Energieerzeugung, für Flugzeuge, für Fahrzeuge und für Schiffe verwendet werden.

Claims

Zylindrischer Gasturbinenbrenner zur Verbrennung eingespritzten Kraftstoffs und zum Führen von Verbrennungsgas zu einer Gasturbine (14, 32–38), wobei ein dem Verbrennungsgas ausgesetztes zylindrisches Teil (15, 16, 21) des Brenners (31) ein zylindrisches Gußstück ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Gußstück aus einer Gußlegierung auf Basis von austenitischem Eisen, einer Gußlegierung auf Nickelbasis oder einer Gußlegierung auf Kobaltbasis jeweils mit einer durchschnittlichen Kristallkorngröße von 300 μm oder mehr hergestellt ist.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 1, wobei die Gußlegierung auf Eisenbasis ein austenitischer Stahl ist, der bezogen auf das Gewicht 0,04 bis 1,0% C, maximal 2% Si, maximal 3% Mn, 15 bis 35% Cr und 10 bis 30% Ni enthält.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 2, wobei die Gußlegierung auf Eisenbasis bezogen auf das Gewicht 0,1 bis 1% ein oder zwei MC-Carbid bildende Elemente und 30 bis 50% Fe enthält.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 1, wobei die Gußlegierung auf Nickelbasis bezogen auf das Gewicht 0,04 bis 0,5% C, maximal 1% Si, maximal 2% Mn, 15 bis 35% Cr, 15 bis 40% Co, maximal 10% Mo und/oder W, 0,1 bis 10% Ti und 0,1 bis 5% Al enthält.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 4, wobei die Gußlegierung auf Nickelbasis bezogen auf das Gewicht 35 bis 55% Ni enthält.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 1, wobei die Gußlegierung auf Kobaltbasis bezogen auf das Gewicht 0,04 bis 1,0% C, maximal 1% Si, maximal 2% Mn, 15 bis 35% Cr, 0,5 bis 20% W und maximal 30% Ni enthält.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 6, wobei die Gußlegierung auf Kobaltbasis bezogen auf das Gewicht 35 bis 60% Co enthält.
Gasturbinenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf einer Innenumfangsfläche des Verbrennungsgas ausgesetzten zylindrischen Teils (15, 16) des Brenners (31) eine Legierungsschicht und eine Keramikschicht ausgebildet sind, wobei die Le gierungsschicht Fe, Co und/oder Ni als Hauptkomponente und bezogen auf das Gewicht 10 bis 30% Cr, 5 bis 30% Al und insgesamt 0,1 bis 5% eines oder zweier aus Hf, Ta, Y, Si und Zr ausgewählter Elemente enthält und die Keramikschicht aus Zirkonoxid hergestellt ist und bezogen auf das Gewicht insgesamt 5 bis 10% eines oder zweier aus Calciumoxid, Magnesiumoxid und Yttriumoxid ausgewählter Substanzen enthält.
Gasturbinenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zylindrische Teil eine durch Schleuderguß hergestellte Brennerauskleidung (15) enthält.
Gasturbinenbrenner nach Anspruch 9, wobei eine Innenfläche der Brennerauskleidung maschinell bearbeitet ist und auf der maschinell bearbeiteten Innenfläche eine korrosionshemmende Beschichtung und eine Wärmesperrbeschichtung ausgebildet sind.
Gasturbinenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zylindrische Gußstück keinen Schweißbereich aufweist.
Gasturbinenmaschine mit einem Kompressor, einem Brenner (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung von Verbrennungsgas unter Verwendung von durch den Kompressor komprimierter Luft und mit einer von dem Verbrennungsgas angetriebenen Gasturbine (14, 32–38).
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 12, wobei die komprimierte Luft ein Kompressionsverhältnis von 15 bis 20 und eine Temperatur von mindestens 350°C aufweist, ein äußerer Umfangsabschnitt des Verbrennungsgas ausgesetzten zylindrischen Teils (15, 16) des Brenners mit Kühlvorsprüngen (8) versehen ist und von der komprimierten Luft so gekühlt wird, daß die Metalltemperatur des zylindrischen Teils 800 bis 900°C beträgt, und die Temperatur des Verbrennungsgases am Auslaß des Brenners mindestens 1400°C, vorzugsweise mindestens 1500°C beträgt.
Gasturbinenmaschine nach Anspruch 12, wobei die komprimierte Luft ein Kompressionsverhältnis von 15 bis 20 und eine Temperatur von mindestens 350°C aufweist, das zylindrische Teil eine Brennerauskleidung (15) und ein Übergangsstück (16) des Brenners (31) enthält, deren Außenumfangsabschnitte von der komprimierten Luft so gekühlt werden, daß die Metalltemperatur der Brennerauskleidung und des Übergangsstücks, die dem Verbrennungsgas ausgesetzt sind, 800 bis 900°C erreicht, wobei der Außenumfangsabschnitt der Brennerauskleidung mit ringförmigen Vorsprüngen versehen ist und die Tempe ratur des Verbrennungsgases am Auslaß des Brenners mindestens 1400°C, vorzugsweise mindestens 1500°C beträgt.
Verbundzyklus-Energieerzeugungssystem mit einer Gasturbinenmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 14 und einer Dampfturbinenmaschine, die von Dampf angetrieben wird, der in einem die Wärme von Verbrennungsabgas aus der Gasturbinenmaschine rückgewinnenden Abwärmerückgewinnungskessel erzeugt wird, und das elektrische Energie durch Drehen eines Generators mittels der Gasturbinenmaschine und der Dampfturbinenmaschine erzeugt, wobei das Verbrennungabgas von der Gasturbinenmaschine bei einer Temperatur von 550 bis 600°C abgegeben wird und die Dampfturbinenmaschine eine für einen Hochdruck- und einen Niederdruckabschnitt integrierte Rotorwelle aufweist und die Dampftemperatur mindestens 530°C und der Wärmewirkungsgrad mindestens 46% und/oder ihre Abgabe mindestens 600 kW(kg/S) beträgt.
Verbundzyklus-Energieerzeugungssystem mit einer Gasturbinenmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 14 und einer Dampfturbinenmaschine, die durch Dampf angetrieben wird, der in einem die Wärme von Verbrennungsabgas aus der Gasturbinenmaschine rückgewinnenden Abwärmerückgewinnungskessel erzeugt wird, und das elektrische Energie durch Drehen eines Generators mittels der Gasturbinenmaschine und der Dampfturbinenmaschine erzeugt, wobei der Kompressor Blätter in 15 bis 20 Stufen aufweist und Luft auf ein Kompressionsverhältnis von 15 bis 20 und eine Temperatur von mindestens 400°C komprimiert, die Gasturbine mindestens drei Stufen aufweist, das Verbrennungsgas mindestens 1500°C am Brennerauslaß, 550 bis 600°C am Einlaß des Abwärmerückgewinnungskessels und 130° oder weniger am Auslaß des Abwärmerückgewinnungskessels aufweist und die Dampfturbinenmaschine Blätter auf einer für einen Hochdruck- und einen Niederdruckabschnitt integrierten Rotorwelle befestigt aufweist, wobei die letzte Stufe der Blätter eine Blattbereichslänge von mindestens 76 cm aufweist und die Dampftemperatur der Dampfturbinenmaschine mindestens 530°C auf ihrer Hochdruck-Einlaßseite und höchstens 100°C an der Niederdruck-Auslaßseite beträgt.