DE102018204741A1

DE102018204741A1 - Brennstoffzuführeinrichtung

Info

Publication number: DE102018204741A1
Application number: DE102018204741.3A
Authority: DE
Inventors: Ole Geisen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2019-10-02
Also published as: WO2019185232A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzuführeinrichtung (1) umfassend eine Brennstoffdüse (2) mit einem sich in einer axialen Richtung erstreckenden Brennstoffzuführkanal (3) sowie mehreren von diesem abzweigenden und sich quer zu diesem erstreckenden Brennstoffauslasskanälen (4), die umfänglich verteilt in der Außenfläche der Brennstoffdüse (2) münden, und eine der Anzahl der Brennstoffauslasskanäle (4) entsprechende Anzahl von Zerstäubern (5), die in die Brennstoffauslasskanäle (4) eingesetzt sind und jeweils ein Gehäuse (6) aufweisen, das eine Eintrittsöffnung (7), einen mit der Eintrittsöffnung (7) fluidtechnisch verbundenen Hohlraum (8) und eine mit dem Hohlraum (8) fluidtechnisch verbundene, gegenüber der Eintrittsöffnung (7) ausgebildete Austrittsöffnung (9) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäuber (5) einteilig ausgebildet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Zerstäubers (5) der zuvor genannten Brennstoffzuführeinrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzuführeinrichtung umfassend eine Brennstoffdüse mit einem sich in einer axialen Richtung erstreckenden Brennstoffzuführkanal sowie mehreren von diesem abzweigenden und sich quer zu diesem erstreckenden Brennstoffauslasskanälen, die umfänglich verteilt in der Außenfläche der Brennstoffdüse münden, und eine der Anzahl der Brennstoffauslasskanäle entsprechende Anzahl von Zerstäubern, die in die Brennstoffauslasskanäle eingesetzt sind und jeweils ein Gehäuse aufweisen, das eine Eintrittsöffnung, einen mit der Eintrittsöffnung fluidtechnisch verbundenen Hohlraum und eine mit dem Hohlraum fluidtechnisch verbundene, gegenüber der Eintrittsöffnung ausgebildete Austrittsöffnung umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung zumindest eines Zerstäubers einer solchen Brennstoffzuführeinrichtung.
In Gasturbinen werden flüssige Brennstoffe mit von einem Verdichter komprimierter Luft vermischt, woraufhin das entstehende Brennstoff-Luft-Gemisch zum Betreiben der Gasturbine verbrannt wird. Zur Erzielung eine möglichst homogenen Durchmischung, die für eine schadstoffarme Verbrennung erforderlich ist, wird die vom Verdichter kommende Verbrennungsluft über Schaufeln in eine Drallbewegung versetzt, bevor der Brennstoff über eine Brennstoffzuführeinrichtung der eingangs genannten Art in zerstäubter Form hinzugefügt wird. Hierzu sind mehrere Zerstäuber verteilt am Umfang der Brennstoffdüse vorgesehenen.
Der Aufbau bekannter Zerstäuber ist sehr komplex. Sie bestehen meist aus einer Vielzahl von übereinander gestapelten Plättchen, die gemeinsam das Gehäuse, die Eintrittsöffnung, den Hohlraum und die Austrittsöffnung definieren. Zur Ausbildung der Eintrittsöffnung, des Hohlraums und der Austrittsöffnung weisen die einzelnen Plättchen an geringfügig voneinander abweichenden Positionen Bohrungen bzw. Durchgangsöffnungen auf, die übereinander gestapelt die Eintrittsöffnung, den Hohlraum und die Austrittsöffnung definieren. Die einzelnen Plättchen müssen während der Montage eines Zerstäubers sorgsam zueinander ausgerichtet und aneinander befestigt werden, was mit einem großen Aufwand und hohen Kosten einhergeht.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzuführeinrichtung der eingangs genannten Art mit alternativem Aufbau zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzuführeinrichtung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zerstäuber einteilig ausgebildet sind. Entsprechend kann auf eine aufwendige und mit hohen Kosten einhergehende Montage verzichtet werden.
Bevorzugt werden die Zerstäuber unter Einsatz eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt, wie beispielsweise unter Einsatz eines SLM-Verfahrens (Selective Laser Melting), bei dem die Zerstäuber aus einem pulverförmigen Werkstoff durch selektives Aufschmelzen mittels Laserstrahls schichtweise generiert werden.
Vorteilhaft sind die Zerstäuber aus einem Pulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von maximal 10µm gefertigt, insbesondere von maximal 5µm. Mit derartigen Korngrößen konnten sehr zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Zerstäuber aus einer Nickelbasislegierung hergestellt, insbesondere aus Inconel 718 oder Inconel 625.
Vorteilhaft definieren die Hohlräume der Zerstäuber jeweils zumindest einen spiralartig gewundenen Brennstoffkanal, wodurch dem Brennstoffstrom vor seinem Austritt aus dem Zerstäuber eine zusätzliche Rotationsbewegung verliehen wird, was sich positiv auf die sich anschließende Durchmischung mit der von Verdichter kommenden Verbrennungsluft auswirkt.
Bevorzugt sind die Zerstäuber mittels Löten an der Brennstoffdüse befestigt, wodurch eine einfache und preiswerte Montage der Brennstoffzuführeinrichtung ebenso wie eine verlässliche Befestigung realisiert wird.
Das Lot kann aus einem Nickelbasiswerkstoff hergestellt sein.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen die Zerstäuber jeweils eine zylindrische Mantelfläche auf, von der Zentriervorsprünge um ein vorbestimmtes Maß vorstehen, welche die Zerstäuber in den zugehörigen Brennstoffauslasskanälen zentrieren. Entsprechend einfach lassen sich die Zerstäuber bei der Montage der Brennstoffzuführeinrichtung in den Brennstoffauslasskanälen der Brennstoffdüse ausrichten und in diesem ausgerichteten Zustand befestigen. Das vorbestimmte Maß liegt bevorzugt im Bereich zwischen 30-50µm und beträgt insbesondere etwa 40pm.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung zumindest eines Zerstäubers einer erfindungsgemäßen Brennstoffzuführeinrichtung, bei dem der Zerstäuber unter Einsatz eines additiven Fertigungsverfahrens aus einem pulverförmigen Werkstoff schichtweise als einteiliges Bauteil generiert wird.
Bevorzugt weist der pulverförmige Werkstoff eine durchschnittliche Korngröße von maximal 10µm auf, insbesondere von maximal 5µm.
Vorteilhaft ist der Werkstoff eine Nickelbasislegierung, insbesondere Inconel 718 oder Inconel 625.
Bevorzugt wird der pulverförmige Werkstoff in einer Schichtdicke von maximal 10µm aufgetragen.
Vorteilhaft wird der pulverförmige Werkstoff während der Durchführung des additiven Fertigungsverfahrens mit einem Laserstrahl bearbeitet, dessen Laserspotdurchmesser maximal 35pm beträgt.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Austrittsöffnung in einem weiteren Schritt nachbearbeitet, insbesondere mittels Senkerodierens oder einer Drehbearbeitung oder einer Schleifbearbeitung, um einen möglichst präzisen Brennstoffaustritt aus dem Zerstäuber zu gewährleisten.
Bevorzugt werden die Wandungen des zumindest einen Brennstoffkanals in einem weiteren Schritt nachbearbeitet, insbesondere unter Einsatz eines abrasive Partikel aufweisenden Mediums, um diese zu glätten.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Brennstoffzuführeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist

1 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzuführeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine vergrößerte Draufsicht eines Zerstäubers der in 1 dargestellten Brennstoffzuführeinrichtung;
3 eine Schnittansicht des Zerstäubers entlang der Linie III-III in 2;
4 eine Schnittansicht, die das Einsetzen des in den 2 und 3 dargestellten Zerstäubers in eine Brennstoffdüse der in 1 dargestellten Zuführeinrichtung zeigt;
5 eine Draufsicht des in die Brennstoffdüse eingesetzten Zerstäubers und
6 eine vergrößerte Schnittansicht eines Zerstäubers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der alternativ in die Brennstoffdüse der in 1 dargestellten Brennstoffzuführeinrichtung eingesetzt werden kann.

Gleiche Bezugsziffern beziehen sich nachfolgend auf gleiche oder gleichartig ausgebildete Bauteile.
1 zeigt eine Brennstoffzuführeinrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die etwa maßstabsgetreu dargestellt ist. Die Brennstoffzuführeinrichtung 1 umfasst eine spitz zulaufende, bevorzugt aus einer Nickelbasislegierung hergestellte Brennstoffdüse 2 mit einem sich in axialer Richtung A erstreckenden Brennstoffzuführkanal 3 sowie mehreren radial von diesem abzweigenden und sich entsprechend quer zu diesem erstreckenden Brennstoffauslasskanälen 4, die umfänglich verteilt in die Außenfläche der Brennstoffdüse 2 münden, siehe hierzu auch 4. Ferner umfasst die Brennstoffzuführeinrichtung 1 eine der Anzahl der Brennstoffauslasskanäle 4 entsprechende Anzahl von Zerstäubern 5, die von außen in die jeweiligen Brennstoffauslasskanäle 4 der Brennstoffdüse 2 eingesetzt und in dieser Position befestigt sind. Jeder Zerstäuber 5 umfasst, wie es in den 2 und 3 dargestellt ist, ein Gehäuse 6 mit einer Eintrittsöffnung 7, einem mit der Eintrittsöffnung 7 fluidtechnisch verbundenen Hohlraum 8 und einer mit dem Hohlraum 8 fluidtechnisch verbundenen, gegenüber der Eintrittsöffnung 7 ausgebildeten, sich auswärts konisch aufweitenden Austrittsöffnung 9 auf, die in axialer Richtung a des Zerstäubers 5 hintereinander angeordnet sind. Das Gehäuse 6 hat eine zylindrische Mantelfläche 10 mit einem Durchmesser D, der normalerweise im Bereich von 5 bis 10mm liegt. Von der Mantelfläche 10 stehen Zentriervorsprünge 11 vor. Diese sind vorliegend als Rippen gleichmäßiger Höhe ausgebildet, die vorliegend etwa 40µm beträgt, sind umfänglich verteilt sowie voneinander beabstandet an der Mantelfläche 10 angeordnet und erstrecken sich in axialer Richtung a des Zerstäubers 5. In Richtung ihrer der Austrittsöffnung 9 abgewandten freien Enden sind die Zentriervorsprünge 11 jeweils mit einer in Richtung der Mantelfläche 10 geneigten Schräge versehen, die als Einsetzhilfe dient, wie es nachfolgend noch näher beschrieben ist. Jeder Zerstäuber 5 ist unter Einsatz eines additiven Fertigungsverfahrens einteilig aus einem pulverförmigen Werkstoff hergestellt, also schichtweise in Richtung des Pfeils 13 in 3 aufgebaut. Bei dem Werkstoff handelt es sich bevorzugt um eine Nickelbasislegierung, wie beispielsweise Inconel 718 oder Inconel 625. Die durchschnittliche Korngröße des pulverförmigen Werkstoffs beträgt vorteilhaft maximal 10µm, besser noch maximal 5µm. Die Eintrittsöffnung 7, die Austrittsöffnung 9 und/oder die Mantelfläche 10 bzw. die Zentriervorsprünge 11 des Gehäuses 6 werden im Anschluss an die additive Fertigung zur Erzielung der Endgeometrie vorteilhaft nachbearbeitet, insbesondere mittels Senkerodierens oder einer Drehbearbeitung oder einer Schleifbearbeitung.
4 zeigt den Einsetzvorgang eines Zerstäubers 5 in einen zugeordneten Brennstoffauslasskanal 4 der Brennstoffdüse 2 in Richtung des Pfeils 14, bei dem die Zentriervorsprünge 11 die Zentrierung des Zerstäubers 5 innerhalb des Brennstoffauslasskanals 4 übernehmen. 5 zeigt den in den Brennstoffauslasskanal 4 eingesetzten Zerstäuber 5 in Draufsicht. In dieser Ansicht ist zu erkennen, dass zwischen der Wandung des Brennstoffauslasskanals 4 der Brennstoffdüse und der Mantelfläche 10 des Gehäuses 6 des Zerstäubers 5 Lötspalte 15 verbleiben, in denen ein Lot zum Befestigen des Zerstäubers 5 an der Brennstoffdüse 2 angeordnet werden kann (nicht gezeigt). Das Lot kann beispielsweise aus einem Nickelbasiswerkstoff hergestellt sein.
6 zeigt eine Brennstoffdüse 5 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die alternativ von außen in die jeweiligen Brennstoffauslasskanäle 4 der Brennstoffdüse 2 eingesetzt und in dieser Position befestigt werden kann. Dieser Zerstäuber 5 umfasst ein Gehäuse 6 mit einer Eintrittsöffnung 7, einem mit der Eintrittsöffnung 7 fluidtechnisch verbundenen Hohlraum 8 und einer mit dem Hohlraum 8 fluidtechnisch verbundenen, gegenüber der Eintrittsöffnung 7 ausgebildeten, sich auswärts konisch aufweitenden Austrittsöffnung 9 auf, die in axialer Richtung a des Zerstäubers 5 hintereinander angeordnet sind. Die Eintrittsöffnung 7 und der Hohlraum 8 gehen vorliegend ohne nennenswerte Querschnittsänderung ineinander über. Durch den Hohlraum 8 erstreckt sich eine einteilig mit dem Gehäuse 6 ausgebildete Struktur 16, die sich in axialer Richtung a erstreckende, spiralartig gewundenen Brennstoffkanäle 17 definiert Das Gehäuse 6 hat eine zylindrische Mantelfläche 10 mit einem Durchmesser D, der normalerweise im Bereich von 5 bis 10mm liegt. Im oberen Bereich der Mantelfläche 10 ist eine umlaufende Ringnut 18 ausgebildet, in der ein Lot zur Befestigung des Zerstäubers in einem der Brennstoffauslasskanäle 4 der Brennstoffdüse 2 aufgenommen werden kann, wie es zuvor beschrieben wurde. Die Ringnut 18 stellt somit ein alternatives oder zusätzliches Mittel bezogen auf die zuvor beschriebenen Zentriervorsprünge 11 dar. Der Zerstäuber 5 ist unter Einsatz eines additiven Fertigungsverfahrens einteilig aus einem pulverförmigen Werkstoff hergestellt, also schichtweise in Richtung des Pfeils 13 in 6 aufgebaut. Bei dem Werkstoff handelt es sich bevorzugt um eine Nickelbasislegierung, wie beispielsweise Inconel 718 oder Inconel 625. Die durchschnittliche Korngröße des pulverförmigen Werkstoffs beträgt vorteilhaft maximal 10µm, besser noch maximal 5µm, die maximale Schichtdicke, mit der der pulverförmige Werkstoff aufgetragen wird, bevorzugt 10µm. Während der additiven Fertigung wird der pulverförmige Werkstoff vorteilhaft mit einem Laserstrahl bearbeitet, wobei der Laserspotdurchmesser bevorzugt maximal 35pm beträgt. Die Eintrittsöffnung 7, die Austrittsöffnung 9 und/oder die Mantelfläche 10 des Gehäuses 6 werden im Anschluss an die additive Fertigung zur Erzielung der Endgeometrie vorteilhaft nachbearbeitet, insbesondere mittels Senkerodierens oder einer Drehbearbeitung oder einer Schleifbearbeitung. Die Wandungen der Brennstoffkanäle 17 werden vorteilhaft unter Einsatz eines abrasive Partikel aufweisenden Mediums nachbearbeitet.
Ein wesentlicher Vorteil der zuvor beschriebenen Brennstoffzuführeinrichtung 1 besteht insbesondere in Bezug auf den einfachen und vergleichsweise preiswert herstellbaren Aufbau der Zerstäuber 5. So lassen sich gleich mehrere einteilige Zerstäuber 5 in einem einzelnen Arbeitsgang zeitgleich additiv herstellen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Brennstoffzuführeinrichtung (1) umfassend eine Brennstoffdüse (2) mit einem sich in einer axialen Richtung erstreckenden Brennstoffzuführkanal (3) sowie mehreren von diesem abzweigenden und sich quer zu diesem erstreckenden Brennstoffauslasskanälen (4), die umfänglich verteilt in der Außenfläche der Brennstoffdüse (2) münden, und eine der Anzahl der Brennstoffauslasskanäle (4) entsprechende Anzahl von Zerstäubern (5), die in die Brennstoffauslasskanäle (4) eingesetzt sind und jeweils ein Gehäuse (6) aufweisen, das eine Eintrittsöffnung (7), einen mit der Eintrittsöffnung (7) fluidtechnisch verbundenen Hohlraum (8) und eine mit dem Hohlraum (8) fluidtechnisch verbundene, gegenüber der Eintrittsöffnung (7) ausgebildete Austrittsöffnung (9) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäuber (5) einteilig ausgebildet sind.
Brennstoffzuführeinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäuber (5) unter Einsatz eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sind.
Brennstoffzuführeinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäuber (5) aus einem Pulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von maximal 10µm gefertigt sind, insbesondere von maximal 5µm.
Brennstoffzuführeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäuber (5) aus einer Nickelbasislegierung hergestellt sind, insbesondere aus Inconel 718 oder Inconel 625.
Brennstoffzuführeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (8) der Zerstäuber (5) jeweils zumindest einen spiralartig gewundenen Brennstoffkanal (17) definieren.
Brennstoffzuführeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäuber (5) mittels Löten an der Brennstoffdüse (2) befestigt sind.
Brennstoffzuführeinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot aus einem Nickelbasiswerkstoff hergestellt ist.
Brennstoffzuführeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäuber (5) jeweils eine zylindrische Mantelfläche (10) aufweisen, von der Zentriervorsprünge (11) um ein vorbestimmtes Maß vorstehen, welche die Zerstäuber (5) in den zugehörigen Brennstoffauslasskanälen (4) zentrieren.
Verfahren zur Herstellung zumindest eines Zerstäubers einer Brennstoffzuführeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, bei dem der Zerstäuber (5) unter Einsatz eines additiven Fertigungsverfahrens aus einem pulverförmigen Werkstoff schichtweise als einteiliges Bauteil generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverförmige Werkstoff eine durchschnittliche Korngröße von maximal 10µm aufweist, insbesondere von maximal 5µm.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eine Nickelbasislegierung ist, insbesondere Inconel 718 oder Inconel 625.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverförmige Werkstoff in einer Schichtdicke von maximal 10µm aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverförmige Werkstoff während der Durchführung des additiven Fertigungsverfahrens mit einem Laserstrahl bearbeitet wird, dessen Laserspotdurchmesser maximal 35pm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (9) in einem weiteren Schritt nachbearbeitet wird, insbesondere mittels Senkerodierens oder einer Drehbearbeitung oder einer Schleifbearbeitung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen des zumindest einen Brennstoffkanals (17) in einem weiteren Schritt nachbearbeitet werden, insbesondere unter Einsatz eines abrasive Partikel aufweisenden Mediums.