EP2275742A1 - Düse und Verfahren zur Herstellung einer Düse - Google Patents

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EP2275742A1
EP2275742A1 EP09165409A EP09165409A EP2275742A1 EP 2275742 A1 EP2275742 A1 EP 2275742A1 EP 09165409 A EP09165409 A EP 09165409A EP 09165409 A EP09165409 A EP 09165409A EP 2275742 A1 EP2275742 A1 EP 2275742A1
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EP
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nozzle
protection layer
wear protection
ceramic
fuel
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Withdrawn
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EP09165409A
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English (en)
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Alessandro Casu
Patricia Hülsmeier
Andre Kluge
Claus Krusch
Thomas Kunadt
Harm Speicher
Thomas-Dieter Tenrahm
Marc Tertilt
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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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
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/76—Protecting flame and burner parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2212/00—Burner material specifications
    • F23D2212/10—Burner material specifications ceramic

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 before combustion to avoid creating zones of rich mixture in which there are high temperature localities 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 object of the invention is the disclosure 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 and outside, wherein the inside of the nozzle at least partially comprises a ceramic wear protection layer.
  • a ceramic wear protection layer on the inside of the nozzle leaching will be avoided by, for example, impurities in the fuel oil.
  • the application of a protective layer only on the inside can also be easy to manufacture and also be realized later.
  • the low wear extends the life of the nozzle and increases the availability of the system, thus saving costs.
  • the oil can be injected in a better controlled way in relation to the service life of the component. This ensures better flame stability.
  • the ceramic wear protection layer comprises an oxide ceramic. This is particularly advantageous because it has a high hardness and heat resistance, and a high chemical and thermal resistance. Oxide ceramics are highly resistant to corrosion even at high temperatures in the range of use up to> 1000 ° C, which is why they are suitable for use with nozzles, in particular nozzles in a burner which feed fuel to a combustion chamber.
  • the ceramic wear protection layer preferably comprises at least boron nitride (BN).
  • boron nitride does not release carbon under the influence of temperature. Furthermore, with boron nitride, the hardness does not decrease so rapidly with increasing temperature. Therefore, boron nitride is therefore suitable as a wear protection layer for components which are exposed to high temperatures.
  • the ceramic wear protection layer comprises at least aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • the ceramic wear protection layer preferably comprises at least zirconium dioxide (ZrO 2 ).
  • Zirconia ZrO 2 is a high-performance ceramic and has high resistance to chemical, thermal and mechanical influences. Therefore, it is particularly suitable as a wear protection layer.
  • Spinel is advantageous because it has a high hardness.
  • tangential openings in particular tangential bores are attached.
  • the tangential bores can be retrofitted into the component e.g. be introduced by laser.
  • a burner is designed with such a nozzle.
  • a nozzle is resistant to high temperatures, which occur in a burner.
  • such a nozzle is strongly protected against wear, as they also occur in a burner by high temperatures / or and contamination of the fuel.
  • the object related to the method is achieved by stating a method for manufacturing a fuel nozzle with an inside or outside, wherein the inside is coated with an oxide-ceramic material by means of chemical vapor deposition.
  • the chemical vapor deposition is characterized by the conformal layer deposition. It also allows the coating of complex three-dimensionally shaped surfaces. So z. B. hollow body to be uniformly coated on its inside. Thus, it is particularly well to coat already manufactured and / or in-use nozzles.
  • tangential openings are preferably introduced into the nozzle by means of a laser.
  • the laser processing can be introduced targeted openings having a defined diameter.
  • the wear protection layer is not damaged by, for example, ridges / edges, which are caused by, for example, bores by means of a drill, and which must be filed off, or flaking.
  • the introduction of tangential openings by means of laser production technology is also easy to implement.
  • 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.
  • impurities in the fuel oil cause leaching in the area of the swirl chamber.
  • washouts gradually change the nozzle characteristic of the fuel oil burners, which adversely affects normal fuel oil diffusion operation and can cause combustion problems.
  • cracks may occur in the nozzle 1.
  • a ceramic wear protection layer 60 is now mounted on the inside 30 of the nozzle 10 ( FIG. 2 ).
  • washouts are avoided just in the area of Tangetialbohrungen.
  • the service life of the component is extended by a small closure.
  • the availability of the system is increased and costs are saved.
  • this improved flame stability has a favorable effect on resulting NOx values.
  • the wear-resistant layer is made by chemical vapor deposition (CVD). At the heated surface of a substrate, a solid component is deposited due to a chemical reaction from the gas phase.
  • CVD chemical vapor deposition
  • volatile compounds of the layer components must exist, which deposit the solid layer at a certain reaction temperature.
  • the process of chemical vapor deposition is characterized by at least one reaction on the surface of the workpiece to be coated. At least one gaseous starting compound and at least two reaction products - at least one of which in the solid phase - must be involved in this reaction.
  • a special feature of the process is the conformal layer deposition. Compared to physical processes, chemical vapor deposition also enables the coating of complex three-dimensionally shaped surfaces.
  • boron nitride which is characterized by particular hardness, is suitable as the oxide-ceramic material.
  • aluminum oxide Al 2 O 3
  • zirconium dioxide ZrO 2
  • spinel MgAl 2 O 4
  • the nozzle 10 can be coated prior to installation, wherein the tangential bores 4 can be introduced, for example after the coating in the coated component. These can then be attached by laser, for example. However, a subsequent coating of the nozzle is possible.
  • the leaching in the nozzle in the region of the tangential bores is thus avoided by the nozzle according to the invention. It ensures a more uniform flow of the oil and thus better flame stability.

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  • 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 Innenseite (30) der Düse (10) zumindest teilweise eine keramische Verschleißschutzschicht (60) umfasst. Weiterhin offenbart die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Düse (10).

Description

    Beschreibung Düse und Verfahren zur Herstellung einer Düse
  • 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. 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 Innenseite der Düse zumindest teilweise eine keramischen Verschleißschutzschicht umfasst.
  • Durch eine keramische Verschleißschutzschicht auf der Innenseite der Düse werden Auswaschungen durch beispielsweise Verunreinigungen im Heizöl vermieden werden. Die Aufbringung einer Schutzschicht lediglich auf der Innenseite kann zudem fertigungstechnisch leicht und auch nachträglich noch zu realisieren sein. Durch den geringen Verschleiß wird die Lebensdauer der Düse verlängert, sowie die Verfügbarkeit der Anlage erhöht und somit Kosten gespart. Das Öl kann bezogen auf die Lebensdauer des Bauteils, besser kontrolliert eingedüst werden. Dadurch wird eine bessere Flammenstabilität gewährleistet.
  • In bevorzugter Ausgestaltung umfasst die keramische Verschleißschutzschicht eine Oxidkeramik. Diese ist besonders Vorteilhaft da sie eine hohe Härte und Warmfestigkeit aufweist, sowie eine hohe chemische und thermische Beständigkeit. Oxidkeramik sind hoch korrosionsbeständig auch bei hohen Temperaturen im Einsatzbereich bis > 1000 °C, weshalb sie sich für den Einsatz zum Düsen, insbesondere Düsen in einem Brenner welche Brennstoff einer Brennkammer zuführen, geeignet sind.
  • Bevorzugt umfasst die keramische Verschleißschutzschicht zumindest Bornitrid (BN). Bornitrid gibt beispielsweise unter Temperatureinwirkung keinen Kohlenstoff ab. Weiterhin nimmt bei Bornitrid die Härte bei steigender Temperatur nicht so schnell ab. Deshalb eignet sich Bornitrid deshalb als Verschleißschutzschicht bei Bauteilen die hohen Temperaturen ausgesetzt sind.
  • In bevorzugter Ausgestaltung umfasst die keramische Verschleißschutzschicht zumindest Aluminiumoxid (Al2O3). Dabei kann es sich beispielsweise um gesintertes α-Al2O3 (Sinterkorund) handeln, da dies als ein feuerfestes Material gilt.
  • Bevorzugt umfasst die keramische Verschleißschutzschicht zumindest Zirconiumdioxid (ZrO2). Zirconiumdioxid ZrO2 ist eine Hochleistungskeramik und besitzt eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen chemische, thermische und mechanische Einflüsse. Daher eignet es sich besonders gut als Verschleißschutzschicht.
  • In bevorzugter Ausgestaltung umfasst die keramische Verschleißschutzschicht zumindest Spinell (MgAl2O4 =Magnesiumspinell). Spinell ist dabei vorteilhaft, da es eine hohe Härte aufweist.
  • Bevorzugt sind Tangentialöffnungen, insbesondere Tangentialbohrungen angebracht. Durch diese kann der Brennstoff radial gezielt austreten. Die Tangentialbohrungen können nachträglich in das Bauteil z.B. mittels Laser eingebracht werden.
  • Bevorzugt wird ein Brenner mit einer solchen Düse ausgestaltet. Dies ist besonders vorteilhaft da eine solche Düse gegen hohe Temperaturen beständig ist, welche in einem Brenner vorkommen. Zudem ist eine solche Düse stark gegen Verschleiß geschützt, wie sie ebenfalls in einem Brenner durch hohe Temperaturen /oder und Verunreinigen des Brennstoffs vorkommen.
  • Die auf das Verfahren bezogene Aufgabe wird durch die Angabe eines Verfahrens zum Herstellen einer Brennstoffdüse mit einer Innen- bzw. Außenseite gelöst, wobei die Innenseite mit einem oxidkeramischen Material mittels chemischer Gasphasenabscheidung beschichtet wird.
  • Die chemische Gasphasenabscheidung zeichnet sich durch die konforme Schichtabscheidung aus. Es ermöglicht auch die Beschichtung von komplex dreidimensional geformten Oberflächen. So können z. B. Hohlkörper auf ihrer Innenseite gleichmäßig beschichtet werden. Somit eignet es sich besonders gut auch bereits gefertigte und/oder sich im Einsatz befindliche Düsen zu beschichten.
  • Bevorzugt werden nach der Beschichtung mit oxidkeramischen Material mittels Laser Tangentialöffnungen, insbesondere Tangentialbohrungen in die Düse eingebracht. Durch die Laserbearbeitungen können gezielt Öffnungen eingebracht werden die einen definierten Durchmesser aufweisen. Auch wird die Verschleißschutzschicht nicht beschädigt durch z.B. Grate/Kanten, welche durch z.B. Bohrungen mittels eines Bohrers entstehen, und welche abgefeilt werden müssen, oder aber Abplatzungen. Die Einbringung von Tangentialöffnungen mittels Laser ist zudem fertigungstechnisch einfach zu realisieren. 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 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. Verunreinigungen im Heizöl führen jedoch im Bereich der Drallkammer zu Auswaschungen. Diese Auswaschungen verändert die Düsenkennlinie der Heizölbrenner nach und nach was den normalen Heizöldiffusionsbetrieb negativ beeinflusst und wodurch Verbrennungsprobleme auftreten können. Auch können Risse in der Düse 1 auftreten. Für die Stabilität der Flamme in der Brennkammer einer Gasturbine ist es jedoch wichtig, dass der Brennstoff kontrolliert eingedüst wird.
  • Erfindungsgemäß ist nun eine keramische Verschleißschutzschicht 60 auf der Innenseite 30 der Düse 10 angebracht (FIG 2). Durch die Anbringung der keramischen Verschleißschutzschicht 60 werden Auswaschungen gerade im Bereich der Tangetialbohrungen vermieden. Erfindungsgemäß wird somit ein definierter Durchfluss des Öls und damit eine bessere Flammenstabilität gewährleistet. Somit wird durch geringen Verschließ die Lebensdauer des Bauteils verlängert. Zudem wird die Verfügbarkeit der Anlage erhöht und Kosten gespart. Auch wirkt sich diese Verbesserte Flammenstabilität günstig auf entstehende NOx-Werte aus.
  • Die Verschleiß-Schutzschicht wird mit einer chemischen Gasphasenabschneidung (CVD chemical vapor deposition) vorgenommen. An der erhitzten Oberfläche eines Substrates wird dabei aufgrund einer chemischen Reaktion aus der Gasphase eine Feststoffkomponente abgeschieden.
  • Hierfür müssen flüchtige Verbindungen der Schichtkomponenten existieren, die bei einer bestimmten Reaktionstemperatur die feste Schicht abscheiden.
  • Das Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung zeichnet sich durch mindestens eine Reaktion an der Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks aus. An dieser Reaktion muss mindestens eine gasförmige Ausgangsverbindung und mindestens zwei Reaktionsprodukte - davon mindestens eines in der festen Phase - beteiligt sein.
  • Eine besondere Eigenschaft des Verfahrens ist die konforme Schichtabscheidung. Gegenüber physikalischen Verfahren ermöglicht die chemische Gasphasenabscheidung auch die Beschichtung von komplex dreidimensional geformten Oberflächen.
  • Als oxidkeramisches Material bietet sich beispielsweise Bornitrid (BN) an, welches sich durch besondere Härte auszeichnet. Als Material bietet sich aber auch Aluminiumoxid (Al2O3), Zirconiumdioxid (ZrO2) oder aber auch Spinell (MgAl2O4) an.
  • Die Düse 10 kann vor Einbau beschichtet werden, wobei die Tangentialbohrungen 4 beispielsweise nach der Beschichtung in das beschichtete Bauteil eingebracht werden können. Diese können beispielsweise dann mit Laser angebracht werden. Auch eine nachträgliche Beschichtung der Düse ist jedoch möglich.
  • Durch die erfindungsgemäße Düse werden die Auswaschungen in der Düse im Bereich der Tangentialbohrungen somit vermieden. Es wird ein gleichmäßiger definierter Durchfluss des Öls und damit eine bessere Flammstabilität gewährleistet.

Claims (11)

  1. Düse (10), welche zum Führen von Brennstoff, insbesondere Heizöl geeignet ist, mit einer Innen (30)- sowie Außenseite, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite (30) der Düse (10) zumindest teilweise eine keramische Verschleißschutzschicht (60) umfasst.
  2. Düse (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Verschleißschutzschicht (60) eine Oxidkeramik umfasst.
  3. Düse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Verschleißschutzschicht (60) zumindest Bornitrid (BN) umfasst.
  4. Düse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Verschleißschutzschicht (60) zumindest Aluminiumoxid (Al2O3) umfasst.
  5. Düse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Verschleißschutzschicht (60) zumindest Zirconiumdioxid (ZrO2) umfasst.
  6. Düse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Verschleißschutzschicht (60) zumindest Spinell (MgAl2O4) umfasst.
  7. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Tangentialöffnungen (4), insbesondere Tangentialbohrungen angebracht sind.
  8. Brenner mit einer Düse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  9. Gasturbine mit einem Brenner nach Anspruch 8.
  10. Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffdüse (10) mit einer Innen (30)- bzw. Außenseite dadurch gekenn zeichnet, dass die Innenseite (30) mit einem oxidkeramischen Material mittels chemischer Gasphasenabscheidung beschichtet wird.
  11. Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffdüse (10) nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass nach der Beschichtung mit oxidkeramischen Material mittels Laser Tangentialöffnungen (4), insbesondere Tangentialbohrungen in die Düse (10) eingebracht werden.
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