Brennstofflanzen mit Wärmedämmbeschichtung Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine verbesserte Bennstofflanze, eine verbesserte Brennstofflanze und einen Brenner mit einer solchen Brennstofflan- ze .

Technischer Hintergrund

Brennstofflanzen werden bei Brennern eingesetzt, die sowohl mit flüssigem Brennstoff, als auch mit gasförmigem Brennstoff betrieben werden können. In der Regel ist die Brennstofflanze zum Betrieb mit flüssigen Brennstoffen, beispielsweise Öl, vorgesehen. Der flüssige Brennstoff strömt durch die Brennstofflanze und tritt an ihrer Spitze durch Brennstoffdüsen in eine Brennkammer aus, wobei der Brennstoff zerstäubt wird.

Die Brennstofflanzen enthalten außerdem einen Kühlluftkanal, durch den von einem Verdichter verdichtete Luft in die Brennkammer gelangt, die sich mit dem von den Brennstoffdüsen zerstäubten flüssigen Brennstoff vermischt. Die verdichtete Luft verbrennt mit dem flüssigen Brennstoff zu einem heißen Abgas. Der von dem heißen Abgas erzeugte Strömungsdruck treibt üblicherweise eine Gasturbine an, die neben dem Verdichter für die Kühlluft beziehungsweise die Verbrennungsluft beispielsweise einen elektrischen Generator antreiben kann.

Beim Betrieb ist die Spitze der Brennstofflanze wegen der nahen Flamme hohen Temperaturen in einem Bereich bis ungefähr 1000 Grad Celsius ausgesetzt. Der flüssige Brennstoff und die Kühlluft besitzen hingegen deutlich niedrigere Temperaturen und kühlen die Brennstofflanze im Bereich um die jeweiligen Austrittsöffnungen ab. Dadurch treten an der Spitze der

Brennstofflanze häufig starke Temperaturgradienten auf, die zu mechanischen Spannungen und schließlich zu Rissen führen. In WO 2010/066516 A2 wird vorgeschlagen, die Spitze der

Brennstofflanze mit Schlitzen zu versehen, die eine Wärmeausdehnung des erhitzten Materials erlauben und dadurch die me- chanischen Spannungen in der Spitze des Brennstofflanze vermindern sollen. Solche Schlitze können jedoch nicht an allen Oberflächenstellen der Spitze der Brennstofflanze vorgesehen werden, ohne deren Stabilität zu beeinträchtigen. Die Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung einer verbesserten Brennstofflanze , eine verbesserte Brennstofflanze und einen Brenner mit einer solchen Brennstofflanze einzuführen. Zusammenfassung der Erfindung.

Ein erster Erfindungsaspekt führt daher ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstofflanze für einen Brenner, insbesondere für einen Gasturbinenbrenner, ein. Das Verfahren weist wenigstens die folgenden Schritte auf:

- Erstellen eines Brennstofflanzenkörpers mit einer Spitze, welche einen in eine sich um eine Längsachse des Brennstofflanzenkörpers herum erstreckende Austrittsöffnung mündenden Kühlluftkanal und eine um die Austrittsöffnung herum angeordnete Düsenfläche mit einer Mehrzahl von Brennstoffdüsen aufweist ;

- Bestimmen einer örtlichen Verteilung eines Hitzeeintrags, den die Düsenfläche im Betrieb bei Verbrennung eines durch die Brennstoffdüsen ausgeströmten Brennstoffes erfährt; und

- Aufbringen einer Wärmedämmschicht auf die Düsenfläche in Abhängigkeit von der örtlichen Verteilung des Hitzeeintrags.

Dabei braucht der Schritt des Bestimmens der örtlichen Verteilung des Hitzeeintrags für einen bestimmten Typ von Brennstofflanzenkörper nur einmal ausgeführt werden, während die weiteren Schritte für die Herstellung einer größeren Anzahl von erfindungsgemäßen Brennstofflanzen beliebig oft wiederholt werden können. Hierzu kann die örtliche Verteilung des Hitzeeintrags für die zukünftige Verwendung gespeichert wer- den. Der Hitzeeintrag kann dabei beispielsweise durch Messung im (Probe- ) Betrieb oder anhand von Computersimulationen oder Berechnungen bestimmt werden.

Das Verfahren der Erfindung stellt eine Möglichkeit bereit, verbesserte Brennstofflanzen herzustellen. Indem eine Wärmedämmschicht auf die Düsenfläche in Abhängigkeit von der örtlichen Verteilung des im Betrieb der Brennstofflanze entstehenden Hitzeeintrags aufgebracht wird, können die Temperaturgradienten in der Spitze der Brennstofflanze stark vermindert werden, was eine Entstehung von starken mechanischen Spannungen innerhalb der Spitze der Brennstofflanze verhindert. Dadurch kann das Auftreten von Rissen verhindert werden, was die Lebensdauer der Brennstofflanze verlängert. Vorzugsweise kann der Schritt des Bestimmens der örtlichen

Verteilung des Hitzeeintrags einen ersten Schritt des Bestimmens eines ersten Hitzeeintrags und einen zweiten Schritt des Bestimmens eines zweiten Hitzeeintrags umfassen. Der erste Hitzeeintrag ist dabei derjenige Hitzeeintrag, den eine erste Oberflächenstelle der Düsenfläche im Betrieb bei Verbrennung des durch die Brennstoffdüsen ausgeströmten Brennstoffes erfährt. Der zweite Hitzeeintrag ist dementsprechend derjenige Hitzeeintrag, den eine zweite Oberflächenstelle der Düsenfläche im Betrieb bei Verbrennung des durch die Brennstoffdüsen ausgeströmten Brennstoffes erfährt. Dabei wird die Wärmedämmschicht auf die erste Oberflächenstelle mit einer ersten Schichtdicke und auf die zweite Oberflächenstelle mit einer zweiten Schichtdicke aufgetragen. Das heißt, wenn beispielsweise die erste Oberflächenstelle einen größeren Hitzeeintrag erfährt als die zweite Oberflächenstelle, soll die auf der ersten Oberflächenstelle aufgetragene Wärmedämmschicht eine größere Schichtdicke aufweisen als die auf der zweiten Oberflächenstelle aufgetragene Wärmedämmschicht und umgekehrt. Dies bietet den Vorteil, dass die Temperaturverteilung in der Spitze der Brennstofflanze besonders gut nivelliert wird, wodurch die Temperaturgradienten besonders stark verringert werden. Die Erfindung umfasst allerdings auch Ausführungsformen, bei denen die Wärmedämmschicht mit einer weitgehend konstanten Schichtdicke aufgetragen wird. Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, wenn der oben erwähnte Verfahrensschritt - nämlich dass die Wärmedämmschicht auf die erste Oberflächenstelle mit einer ersten Schichtdicke und auf die zweite Oberflächenstelle mit einer zweiten Schichtdicke aufgetragen - dadurch ergänzt wird, dass eine ausgewählte Schichtdicke von erster und zweiter Schichtdicke größer als eine verbleibende Schichtdicke von erster und zweiter Schichtdicke gewählt wird, wenn ein der ausgewählten Schichtdicke zugeordneter Hitzeeintrag des ersten und des zweiten Hitzeeintrags größer als ein der verbleibenden Schichtdicke zugeordneter Hitzeeintrag des ersten und des zweiten Hitzeeintrags ist.

Das heißt, wenn beispielsweise die erste Oberflächenstelle einen größeren Hitzeeintrag erfährt als die zweite Oberflä- chenstelle, soll die auf der ersten Oberflächenstelle aufgetragene Wärmedämmschicht eine größere Schichtdicke aufweisen als die auf der zweiten Oberflächenstelle aufgetragene Wärmedämmschicht und umgekehrt. Dies bietet den Vorteil, dass die Temperaturverteilung in der Spitze der Brennstofflanze beson- ders gut nivelliert wird, wodurch die Temperaturgradienten besonders stark verringert werden. Die Erfindung umfasst allerdings auch Ausführungsformen, bei denen die Wärmedämmschicht mit einer weitgehend konstanten Schichtdicke aufgetragen wird.

Bei einer Ausführungsvariante des Verfahrens kann die Wärmedämmschicht auf die erste und die zweite Oberflächenstelle aufgetragen werden, indem in einem ersten Schritt eine erste Teilschicht der Wärmedämmschicht auf sowohl die erste und die zweite Oberflächenstelle und in einem zweiten Schritt eine zweite Teilschicht der Wärmedämmschicht auf entweder die erste oder die zweite Oberflächenstelle aufgebracht werden.

Das Aufbringen der Wärmedämmschicht mit variabler Schichtdicke als eine Reihe von übereinandergelagerten Teilschichten erlaubt eine präzise örtliche Steuerung der Schichtdicken der Wärmedämmschicht. Dabei ist es als äquivalent anzusehen, wenn eine Teilschicht mit geringerer örtlicher Ausdehnung auf oder unter (beziehungsweise zeitlich vor oder nach) einer Teilschicht mit größerer örtlicher Ausdehnung aufgebracht wird.

Vorzugsweise wird die Wärmedämmschicht nur auf diejenigen Be- reiche der Düsenfläche aufgetragen, in denen der Hitzeeintrag oberhalb eines vorherbestimmten ersten Schwellwertes liegt.

Dadurch wird das Auftragen der Wärmedämmschicht vereinfacht und Material eingespart. Außerdem wird auch die Wärmedämm- Schicht einen Hitzeeintrag in die Spitze des Brennstofflanze nicht vollständig verhindern, weshalb ein Weglassen der Wärmedämmschicht an Stellen, an denen der Hitzeeintrag unterhalb des ersten Schwellwertes liegt, eine Erwärmung der Teile ohne Wärmedämmschicht bewirken wird, die derjenigen derjenigen in den Bereichen mit Wärmedämmschicht näherungsweise entspricht, wodurch wiederum Temperaturgradienten verhindert oder abgeschwächt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform, wird eine erste Teilschicht auf diejenigen Bereiche der Düsenfläche aufgetragen, in denen der Hitzeeintrag oberhalb eines vorherbestimmten ersten Schwellwertes liegt. Außerdem wird eine e zweite Teilschicht zusätzlich auf diejenigen Bereiche der Düsenfläche aufgetragen, in denen der Hitzeeintrag oberhalb eines vorherbestimmten zweiten Schwellwertes liegt, der größer als der erste Schwellwert ist. Im Ergebnis weist die Düsenfläche wenigstens drei Bereiche auf, einen ersten ohne Wärmedämmschicht, einen zweiten mit nur der ersten Teilschicht und einen dritten mit der ersten und der zweiten Teilschicht, wodurch die Schichtdicke der re- sultierenden Wärmedämmschicht in dem dritten Bereich größer als diejenige im zweiten Bereich ist. Der Hitzeeintrag im dritten Bereich ist dabei größer als derjenige im zweiten Bereich, welcher wiederum größer als der Hitzeeintrag im ersten Bereich ist, so dass die auftretenden Temperaturgradienten weitgehend ausgeglichen werden.

Vorzugsweise ist eine örtliche Schichtdicke der Wärmedämmschicht als Funktion der örtlichen Verteilung des Hitzeeintrags gewählt.

Das heißt, dass die Wärmedämmschicht mit einer jeweiligen Schichtdicke ausgeführt wird, die von dem für diese Stelle zu erwartenden Hitzeeintrag abhängt. Insbesondere kann die örtliche Schichtdicke der Wärmedämmschicht proportional zu der örtlichen Verteilung des Hitzeeintrags gewählt sein.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung führt eine Brennstofflanze für einen Brenner, insbesondere für einen Gasturbinenbrenner, ein, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt oder herstellbar ist.

Diese Brennstofflanze besitzt einen Brennstofflanzenkörper mit einer Spitze, welche einen in eine sich um eine Längsachse des Brennstofflanzenkörpers herum erstreckende Austrittsöffnung mündenden Kühlluftkanal und eine um die Austrittsöffnung herum angeordnete Düsenfläche mit einer Mehrzahl von Brennstoffdüsen besitzt. Erfindungsgemäß umfasst die Brenn- stofflanze ferner eine auf der Düsenfläche in Abhängigkeit von einer örtlichen Verteilung des Hitzeeintrags, den die Düsenfläche im Betrieb bei Verbrennung eines durch die Brenn- stoffdüsen ausgeströmten Brennstoffes erfährt, aufgetragene Wärmedämmschicht .

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Wärmedämm- Schicht zumindest bereichsweise ringförmig um die Austrittsöffnung des Kühlluftkanals herum angeordnet ist.

An diesem Ort treffen die verdichtete Luft und der flüssige Brennstoff zuerst aufeinander, weshalb die Flamme hier einen geringen Abstand zur Spitze der Brennstofflanze besitzt und somit auch einen besonders hohen Hitzeeintrag bewirkt. Zudem weist die Brennstofflanze zwischen der Austrittsöffnung und den Öldüsen eine verhältnismäßig schmal ausgeführte Struktur auf, die besonders stark und hohen Temperaturgradienten und mechanischen Spannungen leiden würde.

Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Wärmedämmschicht eine Mehrzahl von Fortsätzen aufweist, von denen sich jeweils einer zwischen zwei benachbarten Brennstoffdüsen auf der Düsenfläche erstreckt.

Die Erfinder haben erkannt, dass aufgrund der an den Brennstoffdüsen durch den ausströmenden flüssigen Brennstoff erfolgenden lokalen Kühlung auch besonders große Temperaturgra- dienten zwischen den Brennstoffdüsen und den Bereichen der

Düsenfläche zwischen den einzelnen Brennstoffdüsen auftreten, welche durch die Fortsätze der Wärmedämmschicht reduziert werden sollen. Ein weiterer Erfindungsaspekt führt einen Brenner, insbesondere einen Gasturbinenbrenner, ein. Erfindungsgemäß umfasst der Brenner mindestens eine Brennstofflanze , welche nach einem der Ansprüche 9 bis 12 ausgebildet ist. .

Kurzbeschreibung der Abbildungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen näher erläutert. Dabei zeigen: Figur 1 eine perspektivische Sicht einer Spitze einer herkömmlichen Brennstofflanze mit einer örtlichen Verteilung eines Hitzeeintrags im Betrieb der Brenn- Stofflanze;

Figur 2 eine frontale Draufsicht der Spitze von Figur 1 ;

Figur 3 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Brennstofflanze ; und

Figur 4 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Brennstofflanze . Ausführliche Beschreibung der Abbildungen

Figur 1 zeigt eine perspektivische Sicht einer Spitze 1 einer herkömmlichen Brennstofflanze mit einer örtlichen Verteilung eines Hitzeeintrags im Betrieb der Brennstofflanze . Figur 2 zeigt eine frontale Draufsicht der Spitze 1 von Figur 1. Dieselben Bezugszeichen bezeichnen dabei dieselben Elemente, die im Folgenden näher erläutert werden.

Die Spitze 1 der Brennstofflanze ist üblicherweise um eine Längsachse 2 der Brennstofflanze rotationssymmetrisch ausgebildet. Im Inneren der Spitze 1 der Brennstofflanze verläuft ein Kühlluftkanal, der sich in einer Austrittsöffnung 3 in eine Brennkammer eines Brenners öffnet. Auf einer beispielsweise wenigstens näherungsweise kegelstumpfförmigen Düsenflä- che 4 sind entlang des Umfangs der Düsenfläche 4 mehrere

Brennstoffdüsen 5 angeordnet, die jeweils zentral eine Düsenöffnung zum Zerstäuben und Ausströmen des flüssigen Brennstoffes aufweisen. Dabei kann eine beliebige Mehrzahl von Brennstoffdüsen 5 vorgesehen sein, allerdings hat sich eine Zahl von drei Brennstoffdüsen als vorteilhafter Kompromiss zwischen der Komplexität des Aufbaus und der räumlichen Verteilung des flüssigen Brennstoffes in der Brennkammer erwiesen. Um die Brennstoffdüsen 5 herum können optional zusätzli- che Kühlluftbohrungen 6 vorgesehen sein, durch die von dem Kühlluftkanal ausgehend ebenfalls verdichtete Luft ausströmen kann . Die Analyse der örtlichen Verteilung des Hitzeeintrags zeigt, dass die Bereiche um die Austrittsöffnung 3 herum sowie zwischen den Brennstoffdüsen 5 beziehungsweise den Kühlluftbohrungen 6 benachbarter Brennstoffdüsen 5 die höchsten Temperaturen vorliegen. Der aus den Brennstoffdüsen 5 ausströmende flüssige Brennstoff sowie die aus der Austrittsöffnung 3 und gegebenenfalls den Kühlluftbohrungen 6 austretende Luft kühlen die diese Öffnungen umgebenden Bereiche, so dass zwischen den genannten heißen Bereichen einerseits und den genannten gekühlten Bereichen andererseits große Temperaturgradienten entstehen, die besonders im Bereich unmittelbar zwischen den Brennstoffdüsen 5 und der Austrittsöffnung 3 zu Rissen führen können, die die Lebensdauer der Brennstofflanze verkürzen.

Figur 3 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemä- ßen Brennstofflanze . Die erfindungsgemäße Brennstofflanze ist im Wesentlichen wie die herkömmlichen Brennstofflanzen der Figuren 1 und 2 aufgebaut. Zusätzlich besitzt sie jedoch eine auf der Düsenfläche 4 angeordnete Wärmedämmschicht 7 beziehungsweise 8, die im Ausführungsbeispiel der Figur 3 ringför- mig um die Austrittsöffnung 3 herum angeordnet ist. Diese Anordnung schützt bei einer minimalen Fläche der Wärmedämmschicht 7 den empfindlichsten Bereich der Spitze der Brennstofflanze 1, der zwischen der Austrittsöffnung 3 und den Brennstoffdüsen 5 liegt.

Figur 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstofflanze , bei der die Wärmedämmschicht 8 sowohl - wie beim ersten Ausführungsbeispiel - auf dem Bereich 9 zwischen der Austrittsöffnung 3 und den Brennstoffdüsen 5, als auch in Form von Fortsätzen 10, die vorzugsweise in einer der Anzahl der Brennstoffdüsen 5 entsprechenden Anzahl vorhanden und jeweils zwischen zwei benachbarten Brennstoffdüsen 5 angeordnet sind, auf den Bereichen zwischen den Brennstoffdüsen 5 aufgebracht ist. Der ringförmige Bereich 9, der dem der Wärmedämmschicht 7 im Beispiel der Figur 3 entspricht, ist in der Zeichnung zur besseren Illustration durch eine gestrichelte Linie von den Fortsätzen 10 abgetrennt. In der Reali- tät ist die Wärmedämmschicht 8 jedoch vorzugsweise einteilig und zusammenhängend ausgeführt .

Bei allen gezeigten Ausführungsformen der Erfindung kann eine Schichtdicke der Wärmedämmschichten 7 und 8 örtlich variie- ren, wie es bereits ausführlich erläutert wurde.

Die Erfindung bietet den Vorteil einer erhöhten Lebensdauer der erfindungsgemäß hergestellten Brennstofflanzen, indem eine selektiv aufgebrachte Wärmedämmschicht die im Betrieb in der Spitze der Brennstofflanzen auftretenden Temperaturgradienten reduziert und die Spitze der Brennstofflanzen so vor starken mechanischen Spannungen schützt, die zu Rissen und somit zur Beschädigung oder Zerstörung der Brennstofflanze führen würden.

Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben wurde, sollen die Ausführungsbeispiele nicht als die Erfindung beschränkend angesehen werden. Viel mehr sind Abweichungen von den gezeigten Ausführungsbeispielen möglich, ohne den Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche zu verlassen .