(19)
(11) EP 2 275 741 A1

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
19.01.2011  Patentblatt  2011/03

(21) Anmeldenummer: 09165406.1

(22) Anmeldetag:  14.07.2009
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC): 
F23D 11/38(2006.01)
(84) Benannte Vertragsstaaten:
AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK SM TR

(71) Anmelder: Siemens AG
Wittelsbacher Platz 2 80333 München (DE)

(72) Erfinder:
  • Böttcher, Andreas
    40882, Ratingen (DE)
  • Krieger, Tobias
    47226, Duisburg (DE)
  • Staring, Sascha
    45478, Mülheim an der Ruhr (DE)
  • Teteruk, Rostislav
    45468, Mülheim an der Ruhr (DE)

   


(54) Düse und Verfahren zur Herstellung einer Düse


(57) 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).




Beschreibung


[0001] 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.

[0002] 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).

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] In bevorzugter Ausgestaltung umfasst die Aufbauschicht eine Vickershärte von etwa 2800HV.

[0010] Bevorzugt findet die Düse in einem Brenner Verwendung, insbesondere dem Brenner einer Gasturbine.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] Somit schützt diese Aufbau und zugleich Schutzschicht die Düseninnenwand vor vorzeitiger Erosion.

[0014] 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.

[0015] Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben.

[0016] 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.


[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] Das Aluminium diffundiert mittels CVD (chemische Gasphasenabscheidung = Chemical Vapor Deposition) 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.

[0020] 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.

[0021] 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.


Ansprüche

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.
 




Zeichnung







Recherchenbericht