EP2275741A1 - Düse und Verfahren zur Herstellung einer Düse - Google Patents

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EP2275741A1
EP2275741A1 EP09165406A EP09165406A EP2275741A1 EP 2275741 A1 EP2275741 A1 EP 2275741A1 EP 09165406 A EP09165406 A EP 09165406A EP 09165406 A EP09165406 A EP 09165406A EP 2275741 A1 EP2275741 A1 EP 2275741A1
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EP
European Patent Office
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nozzle
layer
build
fuel
nickel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09165406A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Böttcher
Tobias Krieger
Sascha Staring
Rostislav Teteruk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • 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
    • F23D11/38—Nozzles; Cleaning devices therefor
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2212/00—Burner material specifications
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2213/00—Burner manufacture specifications
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/00018—Means for protecting parts of the burner, e.g. ceramic lining outside of the flame tube

Definitions

  • the invention relates to a nozzle which is suitable for guiding fuel, in particular fuel oil, with an inside and outside. Furthermore, the invention relates to a method for producing a nozzle.
  • Gas turbines are known to have the following components: a compressor for compressing air; a combustion chamber for generating hot gas by burning fuel in the presence of the compressed air supplied from the compressor; and a turbine in which the hot gas supplied from the combustion chamber is expanded.
  • Gas turbines are known to emit undesirable nitrogen oxides (NOx) and carbon monoxide (CO).
  • NOx nitrogen oxides
  • CO carbon monoxide
  • One known factor affecting NOx emissions is the combustion temperature. If the combustion temperature is lowered, the amount of NOx released decreases. However, high combustion temperatures are desirable to achieve high efficiency. It is known that leaner fuel / air mixtures burn cooler and therefore less NOx emissions arise.
  • One known technique for producing a leaner fuel mixture is to create turbulence to mix air and fuel as evenly as possible prior to combustion to avoid creating zones of rich mixture in which there are high temperature localities (see called hot spots).
  • an injection of the fuel oil via swirl generator in which the oil is mixed with air.
  • the oil within the nozzles used for the injection can be set in a swirling motion.
  • the fuel oil also contains smaller, solid particles that cause erosion in the nozzle by operating an oil burner with an oil nozzle. This reduces the wall thickness and changes the nozzle characteristic so that the flame changes. Higher NOx levels can be the result. So far, the defective nozzles and possibly the entire lance have been replaced.
  • the object of the invention is the specification of a nozzle, which is based on a defined with respect to the life of the nozzle defined injection. Another object is to provide a method for producing such a nozzle.
  • the first object is achieved according to the invention by specifying a nozzle which is suitable for guiding fuel, in particular fuel oil, with an inside as well as outside, wherein the nozzle at least partially comprises an inside of a nickel-based alloy.
  • this inside at least partially comprises a build-up layer by aluminizing in particular alitriding.
  • Erosion reduces the wall thickness of the nozzle. This will change the nozzle texture, and the nozzles will need to be swapped. This results in unplanned shutdowns and additional costs. This is where the invention intervenes.
  • aluminizing a build-up layer This make coat acts as a protective layer and protects the nozzle inner wall from premature erosion. Thus, the erosion resistance of the component is increased and thus the life. Unplanned downtime can be avoided and additional unplanned costs due to the purchase of new nozzles as well as unwanted downtime.
  • the aluminizing process may include alitriding.
  • the make coat comprises alumina.
  • the aluminum diffuses during aluminizing in particular Alitrieren in the material, that is, the nickel-based alloy and forms a build-up layer of about 50 microns. Due to the oxidation process, the aluminum oxide is now formed in the make coat.
  • the aluminum oxide preferably comprises an ⁇ -Al 2 O 3 .
  • ⁇ -alumina is characterized by high hardness and wear resistance.
  • the make coat comprises a Vickers hardness of about 2800HV.
  • the nozzle is preferably used in a burner, in particular the burner of a gas turbine.
  • the object related to the method is achieved by specifying a method for producing a fuel nozzle with an inside or outside, wherein the nozzle at least partially in the inside comprises a nickel-based alloy and on the inside of a build-up layer by means of aluminizing, in particular Alitieren by aluminum is applied ,
  • aluminum diffuses into the nickel-based alloy.
  • the aluminum diffuses in about 300 ⁇ m in the material.
  • a build-up layer of about 50 ⁇ m is formed.
  • an aluminum oxide is formed in the build-up layer, preferably the ⁇ -Al 2 O 3 . This is characterized by extreme hardness and wear resistance out. It can set a Vickers hardness around the 2800 HV.
  • a nickel base alloy has a Vickers hardness of 180HV.
  • this structure and at the same time protective layer protects the nozzle inner wall from premature erosion.
  • ⁇ -Al 2 O 3 forms . This advantageously protects the nozzle inner wall even with a significantly higher Vickers hardness than the original nickel alloy.
  • FIG. 1 shows a nozzle 1 according to the prior art. This includes a fuel channel 6 and a return pipe 3. The nozzle is arranged in an oil burner housing 5. The nozzle 1 can comprise tangential bores 4.
  • the nozzle 10 includes an inner 30 and outer side wherein the nozzle 10 at least partially comprises an inner side 30 made of a nickel-based alloy.
  • the nozzle can for example be formed at least partially on the inside of Hastelloy.
  • this inside 30 now at least partially comprises a build-up layer 40 by aluminizing ( Fig. 2 ).
  • Aluminising is a thermochemical treatment of metallic materials.
  • the underlying physico-chemical process is a diffusion that is realized in two variants.
  • the calorizing takes place at temperatures around 450 ° C in a reactor filled with aluminum powder. Subsequent short annealing at temperatures around 750 ° C outside the reactor enhances diffusion.
  • the result is a hard A1203 layer under which a brittle Fe-Al intermetallic layer with Al concentrations above 10% is formed.
  • the annealing takes place at 800 ° C to 1200 ° C in an Al-Fe powder.
  • the protective layer achieved is more malleable, less brittle and also scale resistant.
  • the structure layer formed above the original surface boundary 100 40 with the thickness of about 50 microns FIG. 3 ).
  • aluminum oxide forms in the make coat. It may be in the extremely hard and wear resistant ⁇ -Al 2 O 3 (alpha alumina, such as corundum), which has an approximate hardness of 2800 HV (Vickerhärte).
  • ⁇ -Al 2 O 3 alpha alumina, such as corundum
  • the make coat 40 and the aluminum diffused into the nickel-based alloy and the resulting harder protective coating protect the nozzle wall from premature erosion.
  • the nozzle 10 according to the invention thus their erosion resistance, especially in connection with the use in a gas turbine burner, substantially increased.
  • the life of the nozzle and thus the burner can be significantly increased and unplanned shutdowns and additional costs can be avoided.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract

Düse und Verfahren zur Herstellung einer Düse Die Erfindung betrifft eine Düse (10), welche zum führen von Brennstoff, insbesondere Heizöl geeignet ist, mit einer Innen (30)- sowie Außenseite, wobei die Düse (10) zumindest teilweise eine Innenseite (30) aus eine Nickelbasislegierung umfasst, und diese Innenseite (30) zumindest teilweise eine Aufbauschicht (40) durch Aluminieren umfasst. Weiterhin offenbart die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Düse (10).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Düse, welche zum führen von Brennstoff, insbesondere Heizöl geeignet ist, mit einer Innen- sowie Außenseite. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Düse.
  • Gasturbinen besitzen bekanntlich folgende Komponenten: einen Verdichter zum Verdichten von Luft; eine Brennkammer zum Erzeugen heißen Gases durch Verbrennen von Brennstoff in Anwesenheit der vom Kompressor gelieferten, verdichteten Luft; und eine Turbine, in der das von der Brennkammer gelieferte heiße Gas entspannt wird. Gasturbinen emittieren bekanntlich unerwünschte Stickoxide (NOx) und Kohlenmonoxid (CO). Ein bekannter Faktor, der die NOx-Emissionen beeinflusst, ist die Verbrennungstemperatur. Senkt man die Verbrennungstemperatur, so sinkt die Menge des abgegebenen NOx. Allerdings sind hohe Verbrennungstemperaturen wünschenswert, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Es ist bekannt, dass magerere Brennstoff/Luft-Gemische kühler verbrennen und deshalb weniger NOx-Emissionen entstehen. Eine bekannte Technik zum Erzeugen eines magereren Brennstoffgemischs ist es, Turbulenzen zu erzeugen, um Luft und Brennstoff vor der Verbrennung so gleichmäßig wie möglich zu vermischen, um zu vermeiden, das Zonen mit fettem Gemisch entstehen, in denen es örtliche Stellen hoher Temperatur gibt (so genannte Hot Spots).
  • Bei Verbrennungsmaschinen, insbesondere solchen, die mit zwei verschiedenen Brennstoffen betrieben werden, erfolgt beispielsweise eine Eindüsung des Brennstoffes Öl über Drallerzeuger, in denen das Öl mit Luft vermischt wird. Zur besseren Zerstäubung und Vermischung von Öl und Luft kann das Öl innerhalb der zur Eindüsung verwendeten Düsen in eine Drallbewegung versetzt werden.
  • Verunreinigungen im Brennstoff gerade im Heizöl führen jedoch im Bereich der Drallkammer und der Düse zu Auswaschungen. Durch diese Auswaschungen verändert sich die Düsenkennlinien der Brenner insbesondere Heizölbrenner nach und nach, was den normalen Betrieb, insbesondere wenn es sich um einen Heizöldiffusionsbetrieb handelt, negativ beeinflusst und wodurch das Auftreten von Verbrennungsproblemen stark begünstigt wird. Darüber hinaus können auch Risse in der Düse auftreten. Für die Stabilität der Flame in der Brennkammer einer Gasturbine ist es jedoch wichtig dass der Brennstoff kontrolliert eingedüst wird. Durch die im Betrieb auftretenden Verschleißerscheinungen an der Düse insbesondere der Heizölbrennerdüse ist ein definiertes Eindüsen jedoch nicht immer gewährleistet. Im Brennstoff Öl sind zudem kleinere, feste Partikel enthalten die durch den Betrieb eines Ölbrenners mit einer Öldüse eine Erosion in der Düse hervorrufen. Dadurch wird die Wandstärke verringert, und die Düsencharakteristik verändert, so dass die Flamme sich verändert. Höhere NOx-Werte können die Folge sein. Bisher wurden die defekten Düsen sowie gegebenenfalls die komplette Lanze ausgetauscht.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Düse, welche eine in Bezug auf die Lebensdauer der Düse verbesserte definierte Eindüsung zugrunde liegt. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe eines Verfahrens zur Herstellung einer solchen Düse.
  • Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Angabe einer Düse, welche zum führen von Brennstoff, insbesondere Heizöl geeignet ist, mit einer Innen- sowie Außenseite wobei die Düse zumindest teilweise eine Innenseite aus eine Nickelbasislegierung umfasst. Erfindungsgemäß umfasst diese Innenseite zumindest teilweise eine Aufbauschicht durch Aluminieren insbesondere Alitrieren.
  • Durch die Erosion wird die Wandstärke der Düse reduziert. Dadurch ändert sich das Düsenkennleid, und die Düsen müssen getauscht werden. Es entstehen somit ungeplante Stillstände sowie zusätzliche Kosten. Hier greift nun die Erfindung ein. An der Düseninnenseite wird durch Aluminieren eine Aufbauschicht aufgebaut. Diese Aufbauschicht fungiert als Schutzschicht und schützt die Düseninnenwand vor vorzeitiger Erosion. Somit wird die Erosionsbeständigkeit des Bauteils erhöht und somit auch die Lebensdauer. Ungeplante Stillstände können vermieden werden sowie zusätzliche ungeplanter Kosten durch die Anschaffung neuer Düsen als auch die ungewollten Stillstandszeiten. Dabei kann der Aluminierprozess ein Alitrieren umfassen.
  • Bevorzugt umfasst die Aufbauschicht Aluminiumoxid. Das Aluminium diffundiert beim Aluminieren insbesondere Alitrieren in den Werkstoff, dass heißt die Nickelbasislegierung ein und bildet eine Aufbauschicht von etwa 50 µm. Durch Oxidationsprozess bildet sich nun in der Aufbauschicht das Aluminiumoxid aus. Bevorzugt umfasst das Aluminiumoxid ein α-Al2O3. α-Aluminiumoxid zeichnet sich durch hohe Härte und Verschleißfestigkeit aus.
  • In bevorzugter Ausgestaltung umfasst die Aufbauschicht eine Vickershärte von etwa 2800HV.
  • Bevorzugt findet die Düse in einem Brenner Verwendung, insbesondere dem Brenner einer Gasturbine.
  • Die auf das Verfahren bezogene Aufgabe wird durch die Angabe eines Verfahrens zum Herstellen einer Brennstoffdüse mit einer Innen- bzw. Außenseite gelöst, wobei die Düse zumindest teilweise in der Innenseite eine Nickelbasislegierung umfasst und auf die Innenseite eine Aufbauschicht mittels Aluminieren insbesondere Alitieren durch Aluminium aufbracht wird.
  • Bevorzugt diffundiert Aluminium in die Nickelbasislegierung. Das Aluminium diffundiert in etwas 300µm in den Werkstoff ein. Zum anderen bildet sich eine Aufbauschicht von etwa 50µm. Durch einen Oxidationsprozess bildet sich in der Aufbauschicht ein Aluminiumoxid bevorzugt das α-Al2O3. Dieses zeichnet sich durch extreme Härte und Verschleißfähigkeit aus. Dabei kann sich eine Vickershärte um die 2800 HV einstellen. Eine Nickelbasislegierung weist hingegen eine Vickershärte von 180HV auf.
  • Somit schützt diese Aufbau und zugleich Schutzschicht die Düseninnenwand vor vorzeitiger Erosion.
  • In bevorzugter Ausgestaltung bildet sich bei Beschädigung der Aufbauschicht im Betrieb γ-Al2O3. Dieses schützt vorteilhafter die Düseninnenwand noch mit einer deutlich höheren Vickershärte als die ursprüngliche Nickellegierung.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben.
  • Dabei zeigen:
    • FIG 1
    eine Düse nach dem Stand der Technik,
    FIG 2
    eine erfindungsgemäße Düse,
    FIG 3
    einen schematischen Schnitt, die die Aufbauschicht zeigt.
  • FIG 1 zeigt eine Düse 1 nach dem Stand der Technik. Diese umfasst dabei einen Brennstoffkanal 6 sowie ein Rücklaufrohr 3. Die Düse ist in einem Ölbrennergehäuse 5 angeordnet. Die Düse 1 kann dabei Tangentialbohrungen 4 umfassen.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Düse 10 mit einer Innen 30- sowie Außenseite wobei die Düse 10 zumindest teilweise eine Innenseite 30 aus eine Nickelbasislegierung umfasst. Die Düse kann beispielsweise zumindest teilweise innenseitig aus Hastelloy gebildet werden. Erfindungsgemäß umfasst nun diese Innenseite 30 zumindest teilweise eine Aufbauschicht 40 durch Aluminieren (Fig. 2). Dabei ist Aluminieren eine thermochemische Behandlung von metallischen Werkstoffen. Der zugrunde liegende physikalisch-chemische Prozess ist eine Diffusion, der in zwei Varianten realisiert wird. Das Kalorisieren findet bei Temperaturen um 450°C in einem mit Aluminiumpulver gefülltem Reaktor statt. Ein anschließendes kurzes Glühen bei Temperaturen um 750°C außerhalb des Reaktors verstärkt die Diffusion. Ergebnis ist eine harte A1203-Schicht, unter der sich eine spröde intermetallische Fe-Al-Schicht mit Al-Konzentrationen über 10% bildet. Beim alternativen Alitieren findet die Glühung bei 800°C bis 1200°C in einem Al-Fe-Pulver statt. Die erreichte Schutzschicht ist verformbarer, weniger spröde und ebenfalls zunderbeständig.
  • Das Aluminium diffundiert mittels CVD (chemische Gasphasenabscheidung = C hemical Vapor D eposition) zum einen etwas 300µm in den Werkstoff hinein und bildet dort eine Schutzschicht 60. Zum anderen bildet sich über der ursprünglichen Oberflächengrenze 100 die Aufbauschicht 40 mit der Dicke von etwa 50µm (FIG 3). Durch einen Oxidationsprozess bildet sich in der Aufbauschicht Aluminiumoxid aus. Dabei kann es sich im das extrem Harte und Verschleißfeste α-Al2O3 (alpha-Aluminiumoxid, beispielsweise Korund) handeln, welches eine ungefähre Härte von 2800 HV (Vickerhärte) aufweist. Da die Nickelbasislegierung 50 des Stands der Technik lediglich um die 180 HV aufweist, stellt dies eine wesentliche Erhöhung der Härte dar. Die Aufbauschicht 40 sowie das in die Nickelbasislegierung diffundierte Aluminium und die dadurch entstehende härtere Schutzschicht schützt die Düsenwand vor vorzeitiger Erosion.
  • Sollte dennoch einmal die Oberfläche beschädigt sein, so bildet sich auch im Betrieb ein schützendes Aluminiumoxid nach γ-Al2O3 (Gamma Aluminiumoxid) aus. Dieses weist eine immer noch deutlich höhere Vickershärte als die Nickelbasislegierung des Stands der Technik auf.
  • Durch die erfindungsgemäße Düse 10 wird somit deren Erosionsbeständigkeit, insbesondere in Verbindung mit der Verwendung in einem Gasturbinenbrenner, wesentlich erhöht. Somit kann die Lebensdauer der Düse und damit des Brenners wesentlich erhöht werden und ungeplante Stillstande sowie zusätzliche Kosten vermieden werden.

Claims (11)

  1. Düse (10), welche zum führen von Brennstoff, insbesondere Heizöl geeignet ist, mit einer Innen-(30) sowie Außenseite, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (10) zumindest teilweise eine Innenseite (30) aus eine Nickelbasislegierung umfasst, und diese Innenseite (30) zumindest teilweise eine Aufbauschicht (40) durch Aluminieren umfasst.
  2. Düse (10) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminieren einen Alitrierprozess umfasst.
  3. Düse (10) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbauschicht (40) Aluminiumoxid umfasst.
  4. Düse (10) nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumoxid ein α-Al2O3 umfasst.
  5. Düse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbauschicht (40) eine Vickershärte von etwa 2800HV umfasst.
  6. Düse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbauschicht (40) eine ungefähre Dicke von etwa 50µm umfasst.
  7. Brenner mit einer Düse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  8. Gasturbine mit einem Brenner nach Anspruch 7.
  9. Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffdüse (10) mit einer Innen (30)- bzw. Außenseite dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (10) zumindest teilweise in der Innenseite (30) eine Nickelbasislegierung umfasst und auf die Innenseite (30) eine Aufbauschicht (40) mittels aluminieren, insbesondere alitrieren durch Aluminium, aufbracht wird.
  10. Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffdüse (10) nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass beim aluminieren, insbesondere alitrieren Aluminium, in die Nickelbasislegierung diffundiert.
  11. Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffdüse (10) nach einem der Ansprüche 9-10,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich bei Beschädigung der Aufbauschicht (40) im Betrieb γ-Al2O3 bildet.
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Citations (5)

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