EP1990580A1 - Burner component for a gas turbine burner - Google Patents

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EP1990580A1
EP1990580A1 EP07009447A EP07009447A EP1990580A1 EP 1990580 A1 EP1990580 A1 EP 1990580A1 EP 07009447 A EP07009447 A EP 07009447A EP 07009447 A EP07009447 A EP 07009447A EP 1990580 A1 EP1990580 A1 EP 1990580A1
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EP
European Patent Office
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burner
carrier
component
burner component
fuel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07009447A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Dr. Böttcher
Jens Kleinfeld
Tobias Krieger
Claus Dr. Krusch
Elmar Pfeiffer
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to PCT/EP2008/055586 priority patent/WO2008138815A1/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/283—Attaching or cooling of fuel injecting means including supports for fuel injectors, stems, or lances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23D2212/00—Burner material specifications
    • F23D2212/20—Burner material specifications metallic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2213/00—Burner manufacture specifications

Definitions

  • the present invention relates to a burner component for a gas turbine combustor.
  • the invention relates to a gas turbine burner.
  • US 6,672,073 B2 discloses a gas turbine combustor having a number of fuel nozzles attached to a support with fuel supply channels. During operation of the burner in the gas turbine occur at the burner temperatures of up to about 400 ° C.
  • As a material for producing the carrier as well as the fuel nozzles therefore find heat-resistant and corrosion-resistant nickel-based alloys such as the well-known under the name Hastelloy X alloy use.
  • a burner component for a gas turbine burner according to the invention is made of a ferritic material having a thermal conductivity of more than 18J / (Kms) at 400 ° C, a specific heat capacity of more than 510kJ / (KgK) and a thermal expansion coefficient of less than 14.8 ( 1 / K).
  • the invention is based on the finding that, instead of a material with high high-temperature strength and relatively poor thermal properties, it is also possible to use a material which has more favorable thermal properties and, for that, a lower high-temperature strength.
  • a material which has an increased thermal conductivity, an increased heat capacity and a reduced coefficient of thermal expansion compared to, for example, Hastelloy X. Due to the high thermal conductivity and the high heat capacity, lower temperature-induced component stresses occur in the material. Likewise, the lower coefficient of thermal expansion compared with the materials used hitherto also leads to lower component stresses in the temperatures prevailing during operation. Due to the lower component stresses compared to the materials used hitherto, the material may have lower high-temperature strength. Overall, it is possible to achieve the same, if not a longer, service life of the burner component in comparison with the materials used hitherto.
  • the burner component according to the invention With the burner component according to the invention, a considerable reduction in material costs compared with the materials used hitherto is possible, in particular when using 16Mo3.
  • the processing costs for the burner component can be reduced because this material can be easily machined.
  • materials with the stated good thermal properties and reduced high-temperature strength are more readily available than high-temperature superalloys.
  • Another advantage of the material 16Mo3 in particular is the simplified weldability compared to the materials used hitherto. This creates less Waste during the manufacture of the burner component by welding distortion, which in turn reduce manufacturing costs.
  • the fuel component may in particular comprise a carrier and at least one fuel nozzle attached to the carrier.
  • the carrier is then equipped with a fuel distribution system with which the at least one fuel nozzle is supplied with fuel.
  • the fuel distribution system of the burner component in a specific embodiment of the invention, may have at least one, for example, a milled or eroded channel and a cover strip designed to cover the channel.
  • the cover strip is then made of the same material as the carrier.
  • at least one fuel nozzle may be attached to the carrier, wherein the fuel nozzle is made of the same material as the carrier. The fact that the cover strip and / or the fuel nozzle are made of the same material as the carrier, thermal stresses between the individual components can be avoided.
  • the carrier and possibly the cover strip and possibly the fuel nozzle (s) are or are provided with an oxidation- and / or corrosion-inhibiting coating, for example with a coating comprising aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
  • the alumina may in this case be in particular alpha-alumina ( ⁇ -Al 2 O 3 ).
  • the alpha-alumina is characterized by a rhombohedral (trigonal) crystal structure and is also known as corundum and sapphire. It is generally insoluble in acids and in bases and is therefore particularly suitable as oxidation and / or corrosion protection.
  • Titanium nitride has a thermal conductivity of 29.1 J / (Kms) has a high thermal conductivity, which ensures that the coating does not chip off due to thermal shocks.
  • the application of the oxidation- and / or corrosion-inhibiting coating can be carried out, for example, by means of chemical vapor deposition (chemical vapor deposition, CVD).
  • a gas turbine burner according to the invention comprises a burner component according to the invention.
  • a gas turbine burner according to the invention has the advantages described with reference to the burner component and can in particular be produced more cost-effectively than gas turbine burners made of the materials previously used.
  • FIG. 3 shows the coating of the burner component in a highly schematic representation.
  • FIG. 1 shows a cross section through the burner component 1 in a schematic representation, shows FIG. 2 a top view of the in FIG. 1 top side of the burner component 1.
  • the burner component 1 comprises a carrier 3 with connections 5 for fuel nozzles 7, which are formed in the present embodiment as gas nozzles. Basically you can however, there may also be nozzles for liquid fuels such as oil.
  • the nozzles 7 protrude into an air supply channel 9 of the burner, where they are mostly surrounded by swirl vanes 11.
  • the swirl blades 11 are arranged so that nozzle openings 13 of the nozzles 7 are downstream of them with respect to the air flow through the air supply channel 9.
  • the gas is injected into the swirling through the swirl vanes 11 airflow.
  • the swirl vanes 11 and the air supply channels 9 are in FIG. 1 indicated by dashed lines.
  • the carrier 3 has a fuel distribution system, which serves in the present embodiment for the distribution of a gaseous fuel to the fuel nozzles 7.
  • the fuel supply system therefore comprises in the present embodiment, a gas supply channel 15 which is supplied via a gas inlet port 17 with fuel gas. From the gas supply channel 15 go out gas lines 19, which extend through a portion of the carrier 3 and through the terminals 5. They open into gas ducts 21 of the nozzles 7 fastened to the connections 5. The gas ducts 21 of the nozzles 7 finally terminate in the nozzle openings 13.
  • the gas supply channel 15 is usually milled into the body of the carrier 3 and is therefore open at the top 23 of the carrier 3. It is therefore closed with a cover plate, which is formed in the present embodiment as a metal strip 25.
  • any admissible 16Mo3 composition is suitable.
  • the material chosen is a ferritic material which has a thermal conductivity of more than 18 J / (Kms) at 400 ° C, a specific heat capacity of more than 510 J / (kgK) and a thermal expansion coefficient of less than (1 / K).
  • suitable base materials include grades 15MiCuMoNb5S, 20MnMONi55, 34CrMiMo6S, c22.8S, GS-18NiMoCr37, GS-C25S, WStE255S, WStE285S, WStE315S, WStE355S.
  • the material used for the carrier 3, the nozzles 7 and the cover plate 25 is provided for corrosion and / or oxidation protection with a corrosion and / or oxidation-inhibiting coating.
  • the coating is two-ply.
  • the coating is highly schematized in FIG. 3 shown.
  • the FIG shows a section through the carrier 3.
  • TiN titanium nitride layer
  • ⁇ -Al 2 O 3 alpha-aluminum oxide layer
  • both layers can be applied to the carrier 3, the nozzle 7 or the cover plate 25 by means of chemical vapor deposition (CVD).
  • the first material sample (Sample 1) consisted of uncoated Hastelloy X
  • the second sample of material (Sample 2) of uncoated 16Mo3
  • the third sample of material (Sample 3) of 16Mo3 CVD coated with TiN / ⁇ -Al 2 O 3 . All three samples were exposed to 6% sulfuric acid (H 2 SO 3 ) to test the corrosion resistance of each material. While Sample 2 already showed significant corrosion in the sulphurous acid after 30 seconds, both Sample 1 and Sample 3 showed no corrosion even after 100 hours in the sulphurous acid. This shows that with the coating the 16Mo3 material has comparable good corrosion properties as Hastelloy X. By coating the 16Mo3 material, corrosion of the burner component during operation of the gas turbine can therefore be reliably avoided.

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Abstract

The burner component for a gas turbine burner, comprises a carrier (3), a fuel nozzle (7) mounted on the carrier and a fuel distributing system (19), which is intended for supplying the fuel nozzle with fuel into the carrier and has a channel (15) and a cover strip (25) for covering the channel. The burner component is made of a ferritic material, which has heat conductivity of greater than 18 J/(Kms), specific heat capacity of greater than 510 j/(kgK) and co-efficient of thermal expansion of less than 14.8 (10->6>/K), at 400[deg] C. The cover strip and the carrier are made of same materials. The burner component for a gas turbine burner, comprises a carrier (3), a fuel nozzle (7) mounted on the carrier and a fuel distributing system (19), which is intended for supplying the fuel nozzle with fuel into the carrier and has a channel (15) and a cover strip (25) for covering the channel. The burner component is made of a ferritic material, which has heat conductivity of greater than 18 J/(Kms), specific heat capacity of greater than 510 j/(kgK) and co-efficient of thermal expansion of less than 14.8 (10->6>/K), at 400[deg] C. The cover strip and the carrier are made of same materials. The burner component is provided with an anti-corrosive coating, which has a titanium nitride layer between the anti-corrosive coating and the ferritic material.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennerkomponente für einen Gasturbinenbrenner. Daneben betrifft die Erfindung einen Gasturbinenbrenner.The present invention relates to a burner component for a gas turbine combustor. In addition, the invention relates to a gas turbine burner.

US 6,672,073 B2 offenbart einen Gasturbinenbrenner, der eine Anzahl Brennstoffdüsen aufweist, die an einem Träger mit Brennstoffzufuhrkanälen befestigt sind. Während des Betriebs des Brenners in der Gasturbine treten am Brenner Temperaturen von bis zu über 400°C auf. Als Werkstoff zum Herstellen des Trägers wie auch der Brennstoffdüsen finden daher hochwarmfeste und korrosionsbeständige Nickelbasislegierungen wie bspw. die unter den Namen Hastelloy X bekannte Legierung Verwendung. US 6,672,073 B2 discloses a gas turbine combustor having a number of fuel nozzles attached to a support with fuel supply channels. During operation of the burner in the gas turbine occur at the burner temperatures of up to about 400 ° C. As a material for producing the carrier as well as the fuel nozzles therefore find heat-resistant and corrosion-resistant nickel-based alloys such as the well-known under the name Hastelloy X alloy use.

Gegenüber dem beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Brennerkomponente, insbesondere eine vorteilhafte Gasturbinenbrennerkomponente, zur Verfügung zu stellen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Gasturbinenbrenner zur Verfügung zu stellen.Compared to the described prior art, it is the object of the present invention to provide an advantageous burner component, in particular a favorable gas turbine combustor component. It is a further object of the present invention to provide an advantageous gas turbine combustor.

Diese Aufgaben werden durch eine Brennerkomponente nach Anspruch 1 bzw. einen Gasturbinenbrenner nach Anspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.These objects are achieved by a burner component according to claim 1 and a gas turbine burner according to claim 9. The dependent claims contain advantageous embodiments of the invention.

Eine erfindungsgemäße Brennerkomponente für einen Gasturbinenbranner ist aus einem ferritischen Werkstoff hergestellt, der bei 400°C eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 18J/(Kms), eine spezifische Wärmekapazität von mehr als 510kJ/(KgK) und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 14,8(1/K) aufweist.A burner component for a gas turbine burner according to the invention is made of a ferritic material having a thermal conductivity of more than 18J / (Kms) at 400 ° C, a specific heat capacity of more than 510kJ / (KgK) and a thermal expansion coefficient of less than 14.8 ( 1 / K).

Während im Stand der Technik als Material für Brenner oder deren Komponenten, insbesondere Gasturbinenbrenner oder deren Komponenten, ein Material mit einer hohen Festigkeit bei hohen Temperaturen zur Anwendung kommt, geht die Erfindung einen anderen Weg. Statt eines Materials mit hoher Festigkeit bei hohen Temperaturen kommt ein Material zum Einsatz, das im Vergleich zu den bisher eingesetzten Materialien eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe spezifische Wärmekapazität und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt.While in the state of the art a material with high strength at high temperatures is used as the material for burners or their components, in particular gas turbine burners or their components, the invention takes a different approach. Instead of a material with high strength at high temperatures, a material is used, which has a high thermal conductivity, a high specific heat capacity and a low coefficient of thermal expansion compared to the materials used hitherto.

Ein konkretes Beispiel für ferritische Werkstoffe, welche die genannten thermischen Eigenschaften aufweisen, sind Werkstoffe mit den folgenden Bestandteilen in den angegebenen Gewichtsanteilen:

  • Kohlenstoff (C): 0,12 % bis 0,20 %, Silizium (Si): 0,00 % bis 0,35 %, Mangan (Mn): 0,40 % bis 0,90 %, Phosphor (P): 0,00 % bis 0,025 %, Schwefel (S): 0,00 % bis 0.015 %, Stickstoff (N): 0,00 % bis 0,012 %, Chrom (Cr): 0,00 % bis 0,30 %, Kupfer (Cu): 0,00 % bis 0,30 %, Molybdän (Mo): 0,25 % bis 0,35 %, Nickel (Ni): 0,00 % bis 0,30 %, Rest: Eisen (Fe). Derartige Materialien sind unter dem Standard 16Mo3 bekannt. Andere Beispiele für grundsätzliche geeignete Materialien sind Stähle der Güten 15MiCuMoNb5S, 20MnMONi55, 34CrMiMo6S, c22.8S, GS-18NiMoCr37, GS-C25S, WStE255S, WStE285S, WStE315S, WStE355S.
A concrete example of ferritic materials, which have the mentioned thermal properties, are materials with the following constituents in the stated proportions by weight:
  • Carbon (C): 0.12% to 0.20%, Silicon (Si): 0.00% to 0.35%, Manganese (Mn): 0.40% to 0.90%, Phosphorus (P): 0.00% to 0.025%, sulfur (S): 0.00% to 0.015%, nitrogen (N): 0.00% to 0.012%, chromium (Cr): 0.00% to 0.30%, copper (Cu): 0.00% to 0.30%, molybdenum (Mo): 0.25% to 0.35%, nickel (Ni): 0.00% to 0.30%, balance: iron (Fe) , Such materials are known under the standard 16Mo3. Other examples of suitable base materials include grades 15MiCuMoNb5S, 20MnMONi55, 34CrMiMo6S, c22.8S, GS-18NiMoCr37, GS-C25S, WStE255S, WStE285S, WStE315S, WStE355S.

Die Erfindung basiert auf der folgenden Erkenntnis:

  • Bislang wurde für Brennerkomponenten, insbesondere für Träger von Brennstoffdüsen in einem Gasturbinenbrenner sowie die Düsen selbst, eine hochwertige korrosionsbeständige Nickelbasislegierung wie etwa die eingangs genannte Legierung Hastelloy X verwendet. Diese Legierungen weisen eine sehr hohe Festigkeit bei den am Brenner auftretenden Temperaturen auf. Jedoch besitzen die Werkstoffe schlechte thermische Eigenschaften, etwa eine niedrige Wärmeleitfähigkeit (λ) und eine niedrige Wärmekapazität (cp). Im Gegenzug weisen sie einen hohen
Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) auf. Die Thermischen Eigenschaften des Materials führen zu Spannungen im Werkstoff, die den Vorteil der hohen Hochtemperaturfestigkeit nahezu aufzehren.The invention is based on the following finding:
  • Heretofore, for burner components, particularly for fuel nozzle carriers in a gas turbine combustor and the nozzles themselves, a high grade corrosion resistant nickel base alloy such as the Hastelloy X alloy mentioned above has been used. These alloys have a very high strength at the temperatures occurring at the burner. However, the materials have poor thermal properties, such as low thermal conductivity (λ) and low heat capacity (c p ). In return, they have a high
Thermal expansion coefficient (α) on. The thermal properties of the material lead to stresses in the material, which almost consume the advantage of high high-temperature strength.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass statt eines Werkstoffes mit hohe Hochtemperaturfestigkeit und relativ schlechten thermischen Eigenschaften auch ein Werkstoff Verwendung finden kann, der günstigere thermische Eigenschaften und dafür eine geringere Hochtemperaturfestigkeit besitzt. Mit dem in der erfindungsgemäßen Brennerkomponente verwendeten Werkstoff kommt ein Werkstoff zum Einsatz, der im Vergleich zu bspw. Hastelloy X eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit, eine erhöhte Wärmekapazität und einen verringerten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt. Auf Grund der hohe Wärmeleitfähigkeit und der hohen Wärmekapazität kommt es im Werkstoff zu niedrigeren temperaturbedingten Bauteilspannungen. Ebenso führt auch der im Vergleich zu den bisher verwendeten Materialien niedrigere Wärmeausdehnungskoeffizient zu niedrigeren Bauteilspannungen bei den im Betrieb herrschenden Temperaturen. Auf Grund der im Vergleich zu den bisher verwendeten Materialien niedrigeren Bauteilspannungen kann das Material eine geringere Hochtemperaturfestigkeit aufweisen. Insgesamt lässt sich dabei die gleiche, wenn nicht gar eine höhere Lebensdauer der Brennerkomponente im Vergleich zu den bisher verwendeten Materialien erzielen.The invention is based on the finding that, instead of a material with high high-temperature strength and relatively poor thermal properties, it is also possible to use a material which has more favorable thermal properties and, for that, a lower high-temperature strength. With the material used in the burner component according to the invention, a material is used, which has an increased thermal conductivity, an increased heat capacity and a reduced coefficient of thermal expansion compared to, for example, Hastelloy X. Due to the high thermal conductivity and the high heat capacity, lower temperature-induced component stresses occur in the material. Likewise, the lower coefficient of thermal expansion compared with the materials used hitherto also leads to lower component stresses in the temperatures prevailing during operation. Due to the lower component stresses compared to the materials used hitherto, the material may have lower high-temperature strength. Overall, it is possible to achieve the same, if not a longer, service life of the burner component in comparison with the materials used hitherto.

Mit der erfindungsgemäßen Brennerkomponente ist eine erhebliche Senkung der Materialkosten gegenüber den bisher verwendeten Materialien möglich, insbesondere bei Verwendung von 16Mo3. Zudem können die Bearbeitungskosten für die Brennerkomponente gesenkt werden, da sich dieser Werkstoff leicht zerspanen lässt. Weiterhin sind Werkstoffe mit den genannten guten thermischen Eigenschaften und der verringerten Hochtemperaturfestigkeit leichter verfügbar als hochwarmfeste Superlegierungen. Ein weiterer Vorteil insbesondere des Werkstoffes 16Mo3 ist die im Vergleich zu den bisher verwendeten Werkstoffen vereinfachte Schweißbarkeit. Dadurch entsteht weniger Ausschuss beim Herstellen der Brennerkomponente durch Schweißverzug, wodurch sich wiederum die Herstellungskosten verringern.With the burner component according to the invention, a considerable reduction in material costs compared with the materials used hitherto is possible, in particular when using 16Mo3. In addition, the processing costs for the burner component can be reduced because this material can be easily machined. Furthermore, materials with the stated good thermal properties and reduced high-temperature strength are more readily available than high-temperature superalloys. Another advantage of the material 16Mo3 in particular is the simplified weldability compared to the materials used hitherto. This creates less Waste during the manufacture of the burner component by welding distortion, which in turn reduce manufacturing costs.

Die Brennkomponente kann insbesondere einen Träger und wenigstens eine am Träger befestigte Brennstoffdüse umfassen. Der Träger ist dann mit einem Brennstoffverteilungssystem ausgestattet, mit dem die wenigstens eine Brennstoffdüse mit Brennstoff versorgt wird. Das Brennstoffverteilungssystem der Brennerkomponente kann in einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung wenigsten einen bspw. gefrästen oder erodierten Kanal und einen zum Abdecken des Kanals ausgebildeten Abdeckstreifen aufweisen. Der Abdeckstreifen ist dann aus demselben Material hergestellt wie der Träger. Ebenso kann wenigstens eine Brennstoffdüse an dem Träger befestigt sein, wobei die Brennstoffdüse aus demselben Material hergestellt ist wie der Träger. Dadurch, dass der Abdeckstreifen und/oder die Brennstoffdüse aus demselben Material wie der Träger hergestellt sind, lassen sich thermische Spannungen zwischen den einzelnen Komponenten vermeiden.The fuel component may in particular comprise a carrier and at least one fuel nozzle attached to the carrier. The carrier is then equipped with a fuel distribution system with which the at least one fuel nozzle is supplied with fuel. The fuel distribution system of the burner component, in a specific embodiment of the invention, may have at least one, for example, a milled or eroded channel and a cover strip designed to cover the channel. The cover strip is then made of the same material as the carrier. Likewise, at least one fuel nozzle may be attached to the carrier, wherein the fuel nozzle is made of the same material as the carrier. The fact that the cover strip and / or the fuel nozzle are made of the same material as the carrier, thermal stresses between the individual components can be avoided.

Materialien mit den genannten vorteilhaften Materialeigenschaften weisen in der Regel keine Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit auf. Vorteilhafterweise ist bzw. sind der Träger und ggf. der Abdeckstreifen und ggf. die Brennstoffdüse(n) mit einer oxidations- und/oder korrosionshemmenden Beschichtung versehen, etwa mit einer Aluminiumoxid (Al2O3) umfassenden Beschichtung. Das Aluminiumoxid kann hierbei insbesondere alpha-Aluminiumoxid (α-Al2O3) sein. Das alpha-Aluminiumoxid zeichnet sich durch eine rhomboedrische (trigonale) Kristallstruktur aus und ist auch als Korund und Saphir bekannt. Es ist in Säuren sowie in Basen im Allgemeinen unlöslich und eignet sich daher besonders als Oxidations-und/oder Korrosionsschutz.Materials with the aforementioned advantageous material properties generally have no high-temperature corrosion resistance. Advantageously, the carrier and possibly the cover strip and possibly the fuel nozzle (s) are or are provided with an oxidation- and / or corrosion-inhibiting coating, for example with a coating comprising aluminum oxide (Al 2 O 3 ). The alumina may in this case be in particular alpha-alumina (α-Al 2 O 3 ). The alpha-alumina is characterized by a rhombohedral (trigonal) crystal structure and is also known as corundum and sapphire. It is generally insoluble in acids and in bases and is therefore particularly suitable as oxidation and / or corrosion protection.

Zwischen dem Aluminiumoxid und dem ferritischen Werkstoff der Brennerkomponente kann eine Titannitridschicht vorhanden sein. Titannitrid weist mit einer Wärmeleitfähigkeit von 29,1 J/(Kms) eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, die gewährleistet, dass die Beschichtung nicht auf Grund von Thermoshocks abplatzt.A titanium nitride layer may be present between the alumina and the ferritic material of the burner component. Titanium nitride has a thermal conductivity of 29.1 J / (Kms) has a high thermal conductivity, which ensures that the coating does not chip off due to thermal shocks.

Das Aufbringen der oxidations- und/oder korrosionshemmenden Beschichtung kann bspw. mittels chemischer Abscheidung aus der Gasphase (chemical vapour deposition, CVD) erfolgen.The application of the oxidation- and / or corrosion-inhibiting coating can be carried out, for example, by means of chemical vapor deposition (chemical vapor deposition, CVD).

Ein erfindungsgemäßer Gasturbinenbrenner umfasst eine erfindungsgemäße Brennerkomponente. Ein erfindungsgemäßer Gasturbinenbrenner weist die mit Bezug auf die Brennerkomponente geschilderten Vorteile auf und lässt sich insbesondere kostengünstiger herstellen als Gasturbinenbrenner aus den bisher verwendeten Materialien.A gas turbine burner according to the invention comprises a burner component according to the invention. A gas turbine burner according to the invention has the advantages described with reference to the burner component and can in particular be produced more cost-effectively than gas turbine burners made of the materials previously used.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

FIG 1
zeigt eine erfindungsgemäße Brennerkomponente in einer schematischen Schnittansicht.
FIG 2
zeigt eine Draufsicht auf die Brennerkomponente aus FIG 1.
Further features, properties and advantages of the present invention will become apparent from the following description of an embodiment with reference to the accompanying figures.
FIG. 1
shows a burner component according to the invention in a schematic sectional view.
FIG. 2
shows a plan view of the burner component FIG. 1 ,

FIG 3 zeigt die Beschichtung der Brennerkomponente in einer stark schematisierten Darstellung. FIG. 3 shows the coating of the burner component in a highly schematic representation.

Eine erfindungsgemäße Brennerkomponente 1, die zur Verwendung in einem Gasturbinenbrenner ausgestaltet ist, ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Während FIG 1 einen Querschnitt durch die Brennerkomponente 1 in schematischer Darstellung zeigt, zeigt FIG 2 eine Draufsicht auf die in FIG 1 oben liegende Seite der Brennerkomponente 1.A burner component 1 according to the invention, which is designed for use in a gas turbine burner is in the Figures 1 and 2 shown. While FIG. 1 shows a cross section through the burner component 1 in a schematic representation, shows FIG. 2 a top view of the in FIG. 1 top side of the burner component 1.

Die Brennerkomponente 1 umfasst einen Träger 3 mit Anschlüssen 5 für Brennstoffdüsen 7, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Gasdüsen ausgebildet sind. Grundsätzlich können jedoch auch Düsen für flüssige Brennstoffe wie etwa Öl vorhanden sein.The burner component 1 comprises a carrier 3 with connections 5 for fuel nozzles 7, which are formed in the present embodiment as gas nozzles. Basically you can however, there may also be nozzles for liquid fuels such as oil.

Wenn die Brennerkomponente 1 in einen Gasturbinenbrenner eingebaut ist, ragen die Düsen 7 in einen Luftzufuhrkanal 9 des Brenners hinein, wo sie zumeist von Drallschaufeln 11 umgeben sind. Die Drallschaufeln 11 sind dabei so angeordnet, dass Düsenöffnungen 13 der Düsen 7 in Bezug auf die Luftströmung durch den Luftzufuhrkanal 9 stromab zu ihnen liegen. Dadurch wird das Gas in den durch die Drallschaufeln 11 verwirbelten Luftstrom eingedüst. Die Drallschaufeln 11 und die Luftzufuhrkanäle 9 sind in FIG 1 gestrichelt angedeutet.When the burner component 1 is installed in a gas turbine burner, the nozzles 7 protrude into an air supply channel 9 of the burner, where they are mostly surrounded by swirl vanes 11. The swirl blades 11 are arranged so that nozzle openings 13 of the nozzles 7 are downstream of them with respect to the air flow through the air supply channel 9. As a result, the gas is injected into the swirling through the swirl vanes 11 airflow. The swirl vanes 11 and the air supply channels 9 are in FIG. 1 indicated by dashed lines.

Der Träger 3 weist ein Brennstoffverteilungssystem auf, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel zur Verteilung eines gasförmigen Brennstoffes auf die Brennstoffdüsen 7 dient. Das Brennstoffzufuhrsystem umfasst daher im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Gaszufuhrkanal 15, der über eine Gaseinlassöffnung 17 mit Brenngas versorgt wird. Von dem Gaszufuhrkanal 15 gehen Gasleitungen 19 aus, die sich durch einen Teil des Trägers 3 und durch die Anschlüsse 5 erstrecken. Sie münden in Gasleitungen 21 der an den Anschlüssen 5 befestigten Düsen 7. Die Gasleitungen 21 der Düsen 7 enden schließlich in den Düsenöffnungen 13.The carrier 3 has a fuel distribution system, which serves in the present embodiment for the distribution of a gaseous fuel to the fuel nozzles 7. The fuel supply system therefore comprises in the present embodiment, a gas supply channel 15 which is supplied via a gas inlet port 17 with fuel gas. From the gas supply channel 15 go out gas lines 19, which extend through a portion of the carrier 3 and through the terminals 5. They open into gas ducts 21 of the nozzles 7 fastened to the connections 5. The gas ducts 21 of the nozzles 7 finally terminate in the nozzle openings 13.

Der Gaszufuhrkanal 15 wird üblicherweise in den Körper des Trägers 3 eingefräst und ist daher an der Oberseite 23 des Trägers 3 offen. Er wird deshalb mit einer Abdeckplatte, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Blechstreifen 25 ausgebildet ist, verschlossen.The gas supply channel 15 is usually milled into the body of the carrier 3 and is therefore open at the top 23 of the carrier 3. It is therefore closed with a cover plate, which is formed in the present embodiment as a metal strip 25.

Obwohl in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellt, können mehrere Brennstoffzufuhrstufen vorhanden sein, die jeweils einen eigenen Zufuhrkanal aufweisen. In der Regel werden alle diese Zufuhrkanäle in den Träger 3 eingefräst und mit Blechstreifen bzw. Abdeckplatten verschlossen. Es können dann entsprechend auch unterschiedliche Düsen den unterschiedlichen Brennstoffzufuhrstufen zugeordnet sein.Although in the Figures 1 and 2 not shown, several fuel supply stages may be present, each having its own supply channel. In general, all of these feed channels are milled into the carrier 3 and closed with metal strips or cover plates. It can then be associated with the different fuel supply levels corresponding to different nozzles.

Der Träger 3, die Düsen 7 sowie die Abdeckplatte 25 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem 16Mo3-Werkstoff hergestellt. Dieser hat die folgende Zusammensetzung, wobei sich die Prozentangaben auf Gewichtsanteile beziehen:

  • Kohlenstoff: 0,15 %,
  • Silizium: 0,20 %,
  • Mangan: 0,50 %,
  • Chrom: 0,20 %,
  • Molybdän: 0,30 %,
  • Nickel: 0,15 %,
  • Rest: Eisen.
The carrier 3, the nozzles 7 and the cover plate 25 are made in the present embodiment of a 16Mo3 material. This has the following composition, wherein the percentages relate to parts by weight:
  • Carbon: 0.15%,
  • Silicon: 0.20%,
  • Manganese: 0.50%,
  • Chrome: 0.20%,
  • Molybdenum: 0.30%,
  • Nickel: 0.15%,
  • Rest: iron.

Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine spezielle Zusammensetzung des 16Mo3-Materials angegeben ist, eignet sich grundsätzlich jede zulässige 16Mo3-Zusammensetzung. Das gewählte Material ist ein ferritischer Werkstoff, der bei 400°C eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 18 J/(Kms), eine spezifische Wärmekapazität von mehr als 510 J/(kgK) und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als (1/K) aufweist. Andere Beispiele für grundsätzliche geeignete Materialien sind Stähle der Güten 15MiCuMoNb5S, 20MnMONi55, 34CrMiMo6S, c22.8S, GS-18NiMoCr37, GS-C25S, WStE255S, WStE285S, WStE315S, WStE355S.Although a specific composition of the 16Mo3 material is given in the present embodiment, in principle any admissible 16Mo3 composition is suitable. The material chosen is a ferritic material which has a thermal conductivity of more than 18 J / (Kms) at 400 ° C, a specific heat capacity of more than 510 J / (kgK) and a thermal expansion coefficient of less than (1 / K). Other examples of suitable base materials include grades 15MiCuMoNb5S, 20MnMONi55, 34CrMiMo6S, c22.8S, GS-18NiMoCr37, GS-C25S, WStE255S, WStE285S, WStE315S, WStE355S.

Das für den Träger 3, die Düsen 7 und die Abdeckplatte 25 verwendete Material ist zum Korrosions- und/oder Oxidationsschutz mit einer korrosions- und/oder oxidationshemmenden Beschichtung versehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Beschichtung zweilagig. Die Beschichtung ist stark schematisiert in FIG 3 dargestellt. Die FIG zeigt einen Schnitt durch den Träger 3. Es sind das 16Mo3-Material 27, eine auf dieses Material aufgebrachte Titannitridschicht (TiN) 29 sowie eine auf die Titannitridschicht 29 aufgebrachte alpha-Aluminiumoxidschicht (α-Al2O3) 31 zu erkennen. Beide Schichten können bspw. mittels chemischer Abscheidung aus der Gasphase (CVD) auf den Träger 3, die Düse 7 bzw. die Abdeckplatte 25 aufgebracht werden.The material used for the carrier 3, the nozzles 7 and the cover plate 25 is provided for corrosion and / or oxidation protection with a corrosion and / or oxidation-inhibiting coating. In the present embodiment, the coating is two-ply. The coating is highly schematized in FIG. 3 shown. The FIG shows a section through the carrier 3. There are the 16Mo3 material 27, a titanium nitride layer (TiN) 29 applied to this material and an alpha-aluminum oxide layer (α-Al 2 O 3 ) 31 applied to the titanium nitride layer 29. For example, both layers can be applied to the carrier 3, the nozzle 7 or the cover plate 25 by means of chemical vapor deposition (CVD).

Um die Korrosionsbeständigkeit des beschichteten 16Mo3-Materials im Vergleich zu Hastelloy X zu ermitteln wurden drei Materialproben hergestellt. Die erste Materialprobe (Probe 1) bestand aus unbeschichtetem Hastelloy X, die zweite Materialprobe (Probe 2) aus unbeschichtetem 16Mo3 und die dritte Materialprobe (Probe 3) aus 16Mo3, das mittels CVD mit TiN/α-Al2O3 beschichtet worden ist. Alle drei Proben wurden 6-prozentiger schwefliger Säure (H2SO3) ausgesetzt, um die Korrosionsbeständigkeit des jeweiligen Materials zu testen. Während Probe 2 bereits nach 30 Sekunden in der schwefligen Säure erhebliche Korrosion zeigte, war sowohl bei Probe 1 als auch bei Probe 3 selbst nach 100 Stunden in der schwefligen Säure keine Korrosion festzustellen. Dies zeigt, dass mit der Beschichtung das 16Mo3-Material vergleichbar gute Korrosionseigenschaften wie Hastelloy X aufweist. Durch das Beschichten des 16Mo3-Materials lässt sich daher eine Korrosion der Brennerkomponente beim Betrieb der Gasturbine zuverlässig vermeiden.To determine the corrosion resistance of the coated 16Mo3 material compared to Hastelloy X, three samples were prepared. The first material sample (Sample 1) consisted of uncoated Hastelloy X, the second sample of material (Sample 2) of uncoated 16Mo3, and the third sample of material (Sample 3) of 16Mo3 CVD coated with TiN / α-Al 2 O 3 . All three samples were exposed to 6% sulfuric acid (H 2 SO 3 ) to test the corrosion resistance of each material. While Sample 2 already showed significant corrosion in the sulphurous acid after 30 seconds, both Sample 1 and Sample 3 showed no corrosion even after 100 hours in the sulphurous acid. This shows that with the coating the 16Mo3 material has comparable good corrosion properties as Hastelloy X. By coating the 16Mo3 material, corrosion of the burner component during operation of the gas turbine can therefore be reliably avoided.

Um die Belastbarkeit des Materials im Gasturbinenbetrieb abzuschätzen wurden Vergleichsversuche mit Brennerkomponenten aus Hastelloy X und Brennerkomponenten aus beschichtetem 16Mo3 durchgeführt. Die Messungen wurden an verschiedenen Messpunkten der Brennerkomponente vorgenommen, die beim An-und Abfahren einer Gasturbine unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Die an den Messpunkten der Brennerkomponente aus 16Mo3 gemessenen Spannungen lagen immer deutlich unter den Spannungen, die an den entsprechenden Messpunkten der aus Hastelloy X hergestellten Brennerkomponente lagen. Ihre Werte betrugen zwischen 50 % und 75 % der Spannungen in der Komponente aus Hastelloy X. Die reduzierten Spannungen ermöglichen eine ähnlich lange Betriebsdauer der Brennerkomponente aus 16Mo3 wie für die Brennerkomponente aus Hastelloy X. In den Herstellungs- und Bearbeitungskosten ist die Komponente aus 16Mo3 jedoch deutlich günstiger als die Komponente aus Hastelloy X, selbst wenn man den Beschichtungsprozess mit im Betracht zieht. Die erfindungsgemäße Brennerkomponente stellt daher eine kostengünstige Alternative zu den bisher verwendeten Brennerkomponenten dar.In order to estimate the load capacity of the material in gas turbine operation, comparative tests were carried out with Hastelloy X burner components and coated 16Mo3 burner components. The measurements were made at various measuring points of the burner component, which have different temperatures when starting and stopping a gas turbine. The voltages measured at the measuring points of the 16Mo3 torch component were always well below the voltages at the corresponding measuring points of the Hastelloy X torch component. Their values were between 50% and 75% of the stress in the Hastelloy X component. The reduced stresses allow the 16Mo3 torch component to last as long as the Hastelloy X torch component. However, in terms of manufacturing and processing costs, the 16Mo3 component is significantly cheaper than the Hastelloy X component, even considering the coating process. The burner component according to the invention provides Therefore, a cost-effective alternative to the previously used burner components.

Claims (9)

Brennerkomponente (1) für einen Gasturbinenbrenner, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem ferritischen Werkstoff hergestellt ist, der bei 400°C eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 18 J/(Kms), eine spezifische Wärmekapazität von mehr als 510 J/(kgK) und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 14,8 (10-6/K) aufweist.A burner component (1) for a gas turbine burner, characterized in that it is made of a ferritic material having a thermal conductivity of more than 18 J / (Kms) at 400 ° C, a specific heat capacity of more than 510 J / (kgK) and has a thermal expansion coefficient of less than 14.8 (10 -6 / K). Brennerkomponente (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der ferritische Werkstoff die folgenden Bestandteile in den angegebenen Gewichtsanteilen umfasst: C 0,12 % bis 0,20 % Si 0,00 % bis 0,35 % Mn 0,40 % bis 0,90 % P 0,00 % bis 0,025 % S 0,00 % bis 0.015 % N 0,00 % bis 0,012 % Cr 0,00 % bis 0,30 % Cu 0,00 % bis 0,30 % Mo 0,25 % bis 0,35 % Ni 0,00 % bis 0,30 % Rest: Fe. Burner component (1) according to claim 1,
characterized in that the ferritic material comprises the following constituents in the proportions by weight indicated: C 0.12% to 0.20% Si 0.00% to 0.35% Mn 0.40% to 0.90% P 0.00% to 0.025% S 0.00% to 0.015% N 0.00% to 0.012% Cr 0.00% to 0.30% Cu 0.00% to 0.30% Mo 0.25% to 0.35% Ni 0.00% to 0.30% Rest: Fe. Brennerkomponente (1),
dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Träger (3) und wenigstens eine an den Träger befestigte Brennstoffdüse (7) umfasst und dass ein Brennstoffverteilungssystem (15, 19) zur Versorgung der wenigstens einen Brennstoffdüse (7) mit Brennstoff im Träger (3) vorhanden ist.Burner component (1),
characterized in that it comprises a support (3) and at least one fuel nozzle (7) fixed to the support and that a fuel distribution system (15, 19) for supplying the fuel to the at least one fuel nozzle (7) is provided in the support (3). Brennerkomponente (1) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffverteilungssystem (15, 19) wenigstens einen Kanal (15) und einen zum Abdecken des Kanals ausgebildeten Abdeckstreifen (25) aufweist, wobei der Abdeckstreifen (25) aus demselben Material wie der Träger (3) hergestellt ist.Burner component (1) according to claim 3,
characterized in that the fuel distribution system (15, 19) has at least one channel (15) and cover strip (25) formed to cover the channel, the cover strip (25) being made of the same material as the carrier (3). Brennerkomponente (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer korrosionshemmenden Beschichtung (29, 31) versehen ist.Burner component (1) according to one of the preceding claims, characterized in that it is provided with a corrosion-inhibiting coating (29, 31). Brennerkomponente (1) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die korrosionshemmende Beschichtung (29, 31) Aluminiumoxid (31) umfasst.Burner component (1) according to claim 5,
characterized in that the corrosion-inhibiting coating (29, 31) comprises alumina (31). Brennerkomponente (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumoxid (31) α-Al2O3 ist.Burner component (1) according to claim 6,
characterized in that the alumina (31) is α-Al 2 O 3 . Brennerkomponente (1) nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die korrosionshemmende Beschichtung (29, 31) eine Titannitridschicht (29) zwischen dem Aluminiumoxid (31) und dem ferritischen Werkstoff (27) umfasst.Burner component (1) according to claim 6 or 7,
characterized in that the corrosion-inhibiting coating (29, 31) comprises a titanium nitride layer (29) between the aluminum oxide (31) and the ferritic material (27). Gasturbinenbrenner mit einer Brennerkomponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Gas turbine burner with a burner component (1) according to one of claims 1 to 8.
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