Brennerkomponente für einen Gasturbinenbrenner

Abstract

 Es wird eine Brennerkomponente (1) für einen Gasturbinenbrenner zur Verfügung gestellt. Die Brennerkomponente (1) ist aus einem ferritischen Werkstoff hergestellt, 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.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennerkomponente für einen Gasturbinenbrenner. Daneben betrifft die Erfindung einen Gasturbinenbrenner.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] Diese Aufgaben werden durch eine Brennerkomponente nach Anspruch 1 bzw. einen Gasturbinenbrenner nach Anspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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 (c_p). 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.

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] Das Aufbringen der oxidations- und/oder korrosionshemmenden Beschichtung kann bspw. mittels chemischer Abscheidung aus der Gasphase (chemical vapour deposition, CVD) erfolgen.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] FIG 3 zeigt die Beschichtung der Brennerkomponente in einer stark schematisierten Darstellung.

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] 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.

[0022] 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.

[0023] 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.

[0024] 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.

[0025] 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.

[0026] 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.

[0027] 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.

[0028] 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.

Ansprüche

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Brennerkomponente (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer korrosionshemmenden Beschichtung (29, 31) versehen ist.

6. Brennerkomponente (1) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die korrosionshemmende Beschichtung (29, 31) Aluminiumoxid (31) umfasst.

7. Brennerkomponente (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumoxid (31) α-Al₂O₃ ist.

8. 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.

9. Gasturbinenbrenner mit einer Brennerkomponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

Zeichnung