WO2018134058A1 - Burner tip having an air channel structure and a fuel channel structure for a burner, and method for producing said burner tip - Google Patents

Burner tip having an air channel structure and a fuel channel structure for a burner, and method for producing said burner tip Download PDF

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WO2018134058A1
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burner tip
fuel
air
burner
fuel channel
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PCT/EP2018/050206
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Carl Hockley
Christoph Kiener
Andreas Kreutzer
Matthias SALCHER
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
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Definitions

  • Burner tip having an air channel structure and a fuel channel structure for a burner and method for producing the burner tip
  • the present invention relates to a burner tip having an air channel structure and a fuel channel structure, preferably for a burner in a gas turbine. Furthermore, a method, preferably an additive method, for the production of the burner tip is described.
  • the burner tip is preferably provided for use in a turbomachine, preferably in the hot gas path of a gas turbine.
  • the component further preferably consists of a nickel-base and / or superalloy, in particular a nickel- or cobalt-based superalloy.
  • the alloy may be precipitation hardened or precipitation hardenable.
  • Burner tips of the construction specified above are known for example from EP 2 196 733 AI.
  • the burner tip described therein can be used, for example, in a gas turbine, wherein the burner tip forms the downstream end of a burner lance, which is arranged in a main duct for combustion air.
  • the burner tip has a double-walled construction, wherein the outer wall forms a heat shield, which is intended to keep emerging heat of combustion away from the inner wall. Therefore, between the outer wall and the inner wall, an annular cavity, so an annular space arranged, which can be flowed through for cooling purposes via openings with air.
  • the heat shield must be designed to withstand the heat load due to the combustion taking place in the downstream combustion chamber.
  • the object of the invention is to develop a burner tip of the type specified in such a way that results in an improvement in the life of the component.
  • an improved cooling of the burner tip is another object of the invention to provide a method for producing such a burner tip.
  • the production can be carried out, for example, by casting with a lost core.
  • an additive manufacturing method is used for the production.
  • the burner tip can preferably be produced in one piece and with a design that is particularly complex and / or optimized with regard to a cooling effect, wherein the additive manufacturing enables in particular geometrically complex constructions with advantageously large surface area for a heat transfer.
  • additive manufacturing processes are to be understood as processes in which the material from which a component is to be produced is added to the component during formation. In this case, the component is already produced in its final shape or at least approximately in this shape.
  • the building or starting material is preferably powdery, wherein the material for producing the component is physically solidified by introducing additive energy by the additive manufacturing process.
  • data describing the component CAD model
  • the data is converted into data of the component adapted to the manufacturing process to produce instructions for the production plant, so that the suitable process steps for the successive production of the component can take place in the production plant.
  • the data are processed in such a way that the geometric data for the respective slices of the construction partly available, which is also referred to as "Slicen".
  • additive manufacturing examples include selective laser sintering (also called SLS for selective laser sintering), selective laser melting (also known as SLM for selective laser sintering)
  • Electron Beam Melting which is called laser powder deposition welding (also LMD for laser metal deposition) or cold gas spraying (also GDCS for gas dynamic cold spray).
  • Construction components can be produced.
  • SLM, SLS and EBM the components are produced in layers in a powder bed. These processes are therefore also referred to as powder bed-based additive manufacturing processes.
  • a layer of the powder is produced in the powder bed which is then locally melted or sintered by the energy source (laser or electron beam) in those areas in which the component is to be formed.
  • the component is successively produced in layers and can be removed after completion of the powder bed.
  • the LMD and GDCS the powder particles are fed directly to the surface on which a material application is to take place.
  • the powder particles are melted by a laser directly in the point of impact on the surface and thereby form a layer of the component to be produced.
  • the powder particles are strongly accelerated so that they adhere primarily due to their kinetic energy with simultaneous deformation on the surface of the component.
  • GDCS and SLS have the common feature that the powder particles are not completely melted in these processes. Among other things, this also allows the production of porous structures, if spaces between the Particles are preserved.
  • melting takes place at most in the edge region of the powder particles, which can melt on their surface due to the strong deformation.
  • the SLS care is taken when selecting the sintering temperature that this is below the melting temperature of the powder particles.
  • the SLM, EBM and LMD amount of the energy input deliberately so high that the powder particles are completely melted.
  • One aspect of the present invention relates to a burner tip for installation in a burner, wherein the burner tip has a surface facing a combustion chamber and an air channel structure leading to the surface and defining an air channel and a fuel channel structure leading to the surface.
  • the fuel channel structure defines a fuel channel which extends in a surface region of the burner tip along a first direction parallel to the surface and then at least partially extends back or is bent or deflected in the surface region along a second direction different from the first direction Surface area of the burner tip to cool by a flowing during operation of the burner tip through the fuel channel fuel.
  • a cooling effect in the surface area of the burner tip can advantageously be effected by the fuel in a particularly effective manner during operation of the burner tip, for example when using a gas turbine Surface or surface area of the burner tip is no longer reliant on the consumption of compressor air valuable for the efficiency of a turbomachine Saved for this compressor air and the corresponding components are advantageously simplified.
  • the fuel channel with several turns runs parallel to the surface and in the surface region.
  • the fuel channel is preferably deflected several times parallel to the surface or extends according to the deflection.
  • the fuel channel extends at least partially along an axis of symmetry of the burner tip or a main flow direction in the operation thereof.
  • the fuel channel extends from its course along the first direction into an interior of the burner tip.
  • an area of the surface (surface area) which is distanced from the surface can advantageously also be cooled during operation of the burner tip. This in turn has an advantageous effect on the life of the entire construction component.
  • the first direction includes an angle between 160 ° and 200 °, preferably 180 °, relative to the second direction. This embodiment allows a particularly expedient return or deflection of the fuel channel, as described above.
  • surface area preferably describes a structure region of the burner tip in the vicinity of the surface mentioned.
  • the fuel channel subsequently, ie after its deflection into the interior of the burner tip, opens into the surface via at least one further change in direction, for example a deflection between 70 ° and 110 °.
  • the fuel channel after its course along the first direction, and expediently before an orifice into the surface, has an area with an enlarged cross-section, in particular an interaction or collection space.
  • a heat transfer from a surface region to a fuel which is located in the collecting chamber or flows through it during operation of the burner tip can be made particularly advantageous.
  • the increased cross-section provides an increased volume of interaction and heat transfer, thereby effectively increasing a heat capacity (to accommodate the heat applied to the surface during operation of the torch tip).
  • the air duct structure comprises a central air duct, which leads to a central outlet opening in the burner tip.
  • the air duct structure may represent or define said central air duct.
  • the burner tip has an inlet region.
  • both the air channel and the fuel channel extend coaxially in the inlet region.
  • air duct structure and fuel channel structure are formed accordingly.
  • the fuel channel extends in the inlet region radially outside the air channel.
  • the fuel channel structure and the air duct structure can be designed accordingly.
  • the burner tip has a discharge region which is preferably offset along an axis of symmetry (axially).
  • the outlet region from which preferably both an air and a fuel flow can escape, comprises the described surface or the surface region.
  • the fuel channel extends in the outlet region at least partially radially within the air channel.
  • the fuel channel and the air channel extend nested, entangled or intertwined in order to additionally cool the surface region of the burner tip by an air flow, and not exclusively by a flow of fuel.
  • the fuel channel and air channel preferably extend without fluid communication with each other.
  • the air channel and the fuel channel can communicate at least partially fluidly with one another.
  • the burner tip is at least largely rotationally symmetrical about the described axis of symmetry.
  • the air duct and / or fuel channel extend at least partially along a circumferential direction or tangential direction of the burner tip.
  • the fuel channel structure preferably in the outlet region, lamellae, which divide the fuel channel - at least in sections - in a plurality of sub-channels.
  • the fuel channel structure forms an annular chamber in the inlet region.
  • the fuel channel structure is shaped such that the fuel channel extends along the second direction and before its mouth into the surface through the annular chamber after its course.
  • the fuel channel structure has a plurality of fuel channels in the outlet region, which lead via the surface into the combustion chamber or open into said surface.
  • the air duct extends at least partially through the fuel channel, or vice versa.
  • the air duct structure has a multiplicity of air ducts which, for example, open into the surface or lead into the combustion chamber at different exit angles relative to the surface or a surface normal.
  • the air channel structure and / or the fuel channel structure define channel cross sections which have a cross-sectional shape deviating from a round, in particular circular shape, for example an elliptical or star-shaped cross-sectional shape.
  • the surface is formed by an open-wall wall or wall structure of the burner tip, which defines a plurality of air channels by their porosity. According to this embodiment, therefore, the surface area can be flowed through particularly homogeneously by cooling air in order to effect effective cooling during operation of the burner tip.
  • the burner tip is additive or produced by an additive manufacturing process. In one embodiment, the burner tip is made in one piece or in one piece.
  • Another aspect of the present invention relates to a turbomachine, for example a gas turbine, comprising the described burner tip.
  • a further aspect of the present invention relates to a method for producing the burner tip, wherein the burner tip is produced in particular as an additive and / or in one piece or can be produced.
  • Embodiments, features and / or advantages relating in the present case to the burner tip or the turbomachine may also relate to the method or vice versa.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a burner, in which an embodiment of the burner tip according to the invention is installed.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a burner tip in an embodiment according to the invention.
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of a part of the burner tip according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of a burner tip in a further embodiment according to the invention.
  • FIG. 5 shows a schematic sectional view of a part of the burner tip according to a further embodiment of the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic sectional view
  • identical or identically acting elements can each be provided with the same reference numerals.
  • the illustrated elements and their proportions with each other are basically not to be regarded as true to scale, but individual elements, for better presentation and / or for better understanding exaggerated thick or large dimensions, be represented.
  • FIG. 1 shows a burner 11 which has a jacket
  • the jacket 12 is symmetrical about a longitudinal and / or symmetry axis 14 and has in the center of the main channel
  • the burner lance 15 is fixed with webs 16 in the main channel 13. In addition, extending between the burner lance 15 and the shell 12 vanes 17, which impose a twist on the air around the symmetry axis 14, as the indicated air arrows 18 can be seen.
  • the burner lance 15 has a burner tip 19 at the downstream end, which is supplied with air via a central air channel 20 and with a fuel 23 via an annular channel 22 arranged around the air channel 20.
  • the fuel 23 may be gaseous or liquid.
  • the fuel may be natural gas, a hydrogen-containing gas or fluid, or another fuel.
  • the air 21 usually cools the burner tip 19 (see below).
  • the burner 11 follows the operating principle of a pilot burner. This can for example be installed in a combustion chamber BR, for example a gas turbine, wherein the combustion chamber BR forms an environment 30 of the burner tip 19 in this case.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a burner tip 19, as described above.
  • a section along the axis of symmetry 14 is shown.
  • the symmetry axis 14 can likewise mean a rotational symmetry of the burner tip 19.
  • the burner tip 19 has an inlet region EB. Furthermore, the burner tip 19 on a Austrittsberei AB.
  • the outlet region AB adjoins the inlet region EB along the axis of symmetry 14, or is arranged axially offset from the inlet region EB.
  • the air channel 20 leads to an outlet opening 24 of the burner tip 19.
  • This air channel can be housed in operation another burner lance (see below).
  • the burner tip 19 is traversed by air, in particular compressor air, in the air channel 20, in that air enters the air channel 20 in the inlet region EB and leaves it again in the outlet region AB.
  • the air channel 20 is defined by an air channel structure 21.
  • the burner tip 19 furthermore has a fuel channel structure 32.
  • the fuel channel structure 32 defines a fuel channel 33.
  • a fuel stream is in operation of the burner tip 19 in FIG.
  • the fuel channel 33 is arranged radially outside of the air channel 20, so that - during operation of the burner tip 19 - a
  • Fuel 23 (along the air flow direction) can be guided radially outside the described air flow.
  • the fuel channel structure 32 may include or define an outer wall 28 of the burner tip 19.
  • the air channel structure 21 may include or define an inner wall 29 of the burner tip 19.
  • the burner tip 19 or the air channel structure 21 is preferably designed such that the air channel 20 tapers from the inlet region EB into the outlet region AB. After a corresponding conical or tapering course, the air channel structure 21 again defines the air channel 20 parallel to the axis of symmetry 14.
  • FIGS. 2 and 4 no further components are shown in the central air duct 20 for the sake of clarity.
  • the burner nerspitze 19 for example, in operation of a burner tip having corresponding gas turbine (not explicitly marked), expediently further components in this central region of the burner tip 19 are arranged, for example, more ignition and / or oil lances.
  • the components mentioned are essential for the function of the burner 11 and preferably at the same time seal off the central air duct in such a way that an air gap is formed which, during operation of the burner tip, causes a suitable cooling effect of said components and / or the burner tip.
  • the outer wall also tapers in the exit region AB or extends to the centrally arranged symmetry axis 14.
  • the fuel channel structure 32 is now designed such that the fuel channel 33 initially extends parallel to an outer surface OF of the burner tip 19 or runs parallel to the surface OF.
  • a fuel stream runs along a first direction 1R parallel to the surface OF.
  • a surface area which has the surface OF is characterized in this case by the reference symbol OFB.
  • this surface area OFB preferably in the exit area AB of the burner tip 19, should be effectively cooled by a fuel 23 guided through the fuel channel structure 32 during operation of the burner tip 19.
  • the fuel channel is deflected by the geometry of the fuel channel structure 32 along a second direction, so that it is at least partially opposite to the the first direction is retracted or deflected to then leave the surface area OFB of the burner tip 19.
  • the fuel channel in the surface area OFB it can be efficiently cooled by a fuel during operation of the burner tip 19, since the fuel is initially guided close to the surface in the interior of the component, then deflected, and later - possibly through passed through itself - at a plurality of provided fuel outlets (not explicitly marked in the figures) can be discharged into the combustion chamber BR (see Figure 3 below).
  • the profile of the fuel channel 33 or the geometry of the fuel channel structure 32 may correspond to or resemble the design of a so-called "small bottle.”
  • the first direction may describe a direction at least partially or proportionately along the symmetry axis (in the flow direction) or along a corresponding main flow direction
  • the second direction preferably designates a direction which is different, preferably exactly opposite, to the first direction,
  • the fuel channel 33 is deflected from the first direction to the second direction in such a way that it follows its course parallel to the first direction In this way, even deeper structures of the surface area can be effectively cooled.
  • the second direction may also describe a direction parallel to the surface, but preferably opposite to a main flow direction.
  • the second direction may alternatively or additionally continue to run at 90 ° or at some other angle inclined to the first direction.
  • the burner tip 19 may, based on its axis of symmetry 14, be rotationally symmetrical or approximately rotationally symmetrical. Accordingly, the second direction may be along a circumferential direction of the burner tip 19, for example.
  • the burner tip 19 in the outlet region AB correspondingly have a plurality of fuel channels 33 which - for example circumferentially arranged equidistantly - over the surface OF in the combustion chamber BR lead (see Figure 3 below).
  • the positions of the fuel outlets correspondingly formed by the mouth of the fuel channels 33 into the surface OF may correspond to a conventional burner tip design.
  • a cooling effect of the surface area OFB can advantageously be relatively cold due to the compressor air used for cooling Fuel, to be improved.
  • compressed air not necessarily compressed air must be taken to cool the component outer surface, but it can be the much cooler fuel gas (about 50 ° C instead of 400 ° C for conventionally used compressed compressed air from the compressor part of a gas turbine (not explicitly shown)) directly be guided under the component surface for cooling in the surface area OFB along.
  • the fuel channel 33 After the retraction, the fuel channel 33 preferably undergoes a further deflection, for example a deflection between 70 and 110 °, so that it can then open into the surface OF or leave it in the direction of the combustion chamber BR.
  • a further deflection for example a deflection between 70 and 110 °
  • Fuel is held or collected by the geometry of the fuel channel structure 32 for an improved cooling effect in the surface area OFB, and can then again emerge at a certain exit angle into the combustion chamber BR and burned.
  • the described burner tip 19 is produced by an additive manufacturing process, preferably selective laser Melting (SLM) or electron beam melting (EBM).
  • SLM selective laser Melting
  • EBM electron beam melting
  • the additive manufacturing makes it possible in particular to produce components with integrated functions.
  • FIG. 2 also shows a region B, in which the fuel channel 33 has an enlarged cross section.
  • This configuration advantageously allows a larger volume of fuel 23 to be "collected" in area B to effect a convenient cooling effect
  • Figure 3 shows a cross-sectional view of a burner tip 19, preferably cut in the surface area OFB (see Figure 2).
  • the outer fuel openings identified by the reference numeral 34 define the shape of the fuel channel 33 (see FIG. 2).
  • the arrows drawn in FIG. 3 again indicate the course of the fuel channel 33 or of the fuel 23.
  • - indicated by the arrows - a plurality of fuel channels, in particular distributed over a circumference of the burner tip 19, shown, which are preferably provided, but not visible in the figures 2 and 4.
  • the fuel channel 33 preferably circumferentially, is divided by one or more fins 39 into a plurality of individual part fuel channels.
  • These plurality of fuel channels or the partial channels indicated by the reference numeral 34 are preferably circumferentially spaced apart (by the fins 39).
  • the partial channels 34 unite - as shown in Figure 3 - extending radially inwardly preferably in a single fuel channel 33 of the burner tip 19. In this way, in the operation of the burner tip 19 continues to advantage with a heat transfer from the structure of the burner tip to a through the fuel channel 33 guided Brennstoffström, and thus the cooling of the burner tip can be improved.
  • FIG. 3 shows fuel channels 34 or openings with rectangular cross sections.
  • other cross-sectional shapes can be used, for example elliptical or star-shaped cross sections, in order to achieve an improved cooling effect through an enlarged surface and thus improved heat exchange during operation of the burner tip 19.
  • the fuel channel structure 32 can furthermore, in particular in accordance with a rotationally symmetrical design of the burner tip 19, have a (complex-shaped) about its axis of symmetry.
  • the fuel channel structure 32 is furthermore preferably shaped in such a way that the fuel channel 33, after its course along the second direction 2R and before its mouth into the surface OF, extends in the exit region AB through the annular chamber (compare the arrows indicating the fuel 23 in FIG. 2).
  • FIG. 3 represents precisely the deflection of the fuel in the fuel channel 33 caused by the geometry of the fuel channel structure 32 in order to be able to effectively cool the surface area OFB of the burner tip 19 during operation thereof.
  • Figure 4 shows a sectional view (longitudinal section) of an alternative embodiment of a burner tip according to the invention.
  • the fuel channel 33 runs at least partially radially inside the air channel 20 in the outlet region AB.
  • the fuel channel 33 and the air channel 20 are at least partially interlaced, in order additionally to cool the surface region OFB of the burner tip 19 by an air flow. which results in a further improved cooling effect.
  • the air channel structure 21 has, in the inlet region EB, openings 25 in the side wall which fluidly connect the (central) air channel 20 with an annular space annularly surrounding the air channel or a plurality of individual air channels.
  • said air ducts can furthermore lead into the combustion chamber BR at different exit angles, for example exit angles between 60 ° and 120 ° relative to the surface OF or a corresponding surface normal.
  • exit angles for example exit angles between 60 ° and 120 ° relative to the surface OF or a corresponding surface normal.
  • fuel channels 33 may vary along the symmetry axis of the burner tip 19. With decreasing exit angles (for example less than 90 °), film cooling on the surface OF of the burner tip 19 can be made stronger or weaker.
  • the air channel structure 21 and the fuel channel structure 32 can define channel cross sections which have a cross-sectional shape deviating from a round, in particular circular, shape.
  • the mentioned channel structures can be star-shaped and / or elliptical. All these geometries can be produced in a simple manner with the described additive manufacturing method and thus permit the use of the inventive advantages of the present invention.
  • the surface OF may be formed by an open-porous wall structure (not explicitly marked) that defines a plurality of air channels 20.
  • This geometry can also advantageously be realized by additive manufacturing technology and contribute to improved cooling of the burner tip during operation.
  • FIG. 5 shows-analogously to the representation of FIG. 3 -a cross-sectional view of the burner tip (cut perpendicular to the axis of symmetry) according to the embodiment of the burner tip described in FIG.
  • additional circular air openings 35 are provided which bring about the cooling effect for the burner tip 19 by air cooling (in addition to the fuel cooling)
  • FIG. 5 The dashed arrows spring from the openings 35 and are intended to indicate an air flow, while the solid arrows - analogous to the representation of Figure 3 - indicate the deflection of the fuel flow according to the present invention.
  • FIG. 6 shows a detail of how a component 19 according to FIG. 2 or FIG. 4 can be produced by laser melting with a laser beam 37. Shown is the section of a powder bed 36, in which a part of the air duct structure 21 and / or the fuel channel structure 32 is produced.
  • the fuel channel structure 32 is embodied, for example, analogously to the representation of FIG. 2 and preferably has inter alia the lamellae described above (not shown in FIG. 6) and likewise defines the inventive deflection of the fuel channel.
  • the powder 36 After the finished structure has been fabricated, the powder 36 must be removed from the respective cavities containing the air chamber. nal- or form the fuel channel system or the corresponding channel structures are removed. This can be done for example by suction, shaking or blowing.
  • the invention is not limited by the description based on the embodiments of these, but includes each new feature and any combination of features. This includes in particular any combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.

Abstract

The invention relates to a burner tip (19) for installation in a burner (11), wherein the burner tip (19) has a surface (OF) facing a combustion chamber (BR), an air channel structure (21) leading to the surface (OF) and defining an air channel (20), and a fuel channel structure (32) leading to the surface (OF), and wherein the fuel channel structure (32) defines a fuel channel (33), which extends in a surface region (OFB) of the burner tip (19) in a first direction parallel to the surface (OF) and then extends back, at least in part, in a second direction (2R), different from the first direction (1R), in order to cool the surface region (OFB) of the burner tip (19) by a fuel flowing through the fuel channel (33) during operation of the burner tip (19).

Description

Beschreibung description
Brennerspitze mit einer Luftkanalstruktur und einer Brennstoffkanalstruktur für einen Brenner und Verfahren zur Her- Stellung der Brennerspitze Burner tip having an air channel structure and a fuel channel structure for a burner and method for producing the burner tip
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennerspitze mit einer Luftkanalstruktur und einer Brennstoffkanalstruktur, vorzugsweise für einen Brenner in einer Gasturbine. Weiterhin ist ein Verfahren, vorzugsweise ein additives Verfahren, zur Herstellung der Brennerspitze beschrieben. The present invention relates to a burner tip having an air channel structure and a fuel channel structure, preferably for a burner in a gas turbine. Furthermore, a method, preferably an additive method, for the production of the burner tip is described.
Die Brennerspitze ist vorzugsweise für den Einsatz in einer Strömungsmaschine, vorzugsweise im Heißgaspfad einer Gastur- bine vorgesehen. Das Bauteil besteht weiterhin vorzugsweise aus einer Nickelbasis- und/oder Superlegierung, insbesondere einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung. Die Legierung kann ausscheidungsgehärtet oder ausscheidungshärtbar sein . The burner tip is preferably provided for use in a turbomachine, preferably in the hot gas path of a gas turbine. The component further preferably consists of a nickel-base and / or superalloy, in particular a nickel- or cobalt-based superalloy. The alloy may be precipitation hardened or precipitation hardenable.
Brennerspitzen der eingangs angegebenen Bauweise sind beispielsweise aus der EP 2 196 733 AI bekannt. Die dort beschriebene Brennerspitze kann beispielsweise in einer Gasturbine zum Einsatz kommen, wobei die Brennerspitze das stromab- wärts gelegene Ende einer Brennerlanze bildet, die in einem Hauptkanal für Verbrennungsluft angeordnet ist. Die Brennerspitze ist doppelwandig aufgebaut, wobei die Außenwand einen Hitzeschild bildet, der entstehende Verbrennungswärme von der Innenwand fernhalten soll. Daher ist zwischen der Außenwand und der Innenwand ein ringförmiger Hohlraum, also ein Ringraum, angeordnet, der zu Kühlungszwecken über Öffnungen mit Luft durchströmt werden kann. Der Hitzeschild muss bei der beschriebenen Ausführung darauf ausgelegt werden, die Wärmebeanspruchung aufgrund der in der nachgeschalteten Brennkam- mer ablaufenden Verbrennung zu ertragen. Daher stellt die Außenwand der Brennerspitze den limitierenden Faktor für die Lebensdauer der Brennerspitze dar. Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Brennerspitze der eingangs angegebenen Art derart weiterzubilden, dass sich eine Verbesserung der Lebensdauer des Bauteils ergibt. Insbesondere soll durch die vorliegende Erfindung eine verbesserte Kühlung der Brennerspitze ermöglicht werden. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Brennerspitze anzugeben. Burner tips of the construction specified above are known for example from EP 2 196 733 AI. The burner tip described therein can be used, for example, in a gas turbine, wherein the burner tip forms the downstream end of a burner lance, which is arranged in a main duct for combustion air. The burner tip has a double-walled construction, wherein the outer wall forms a heat shield, which is intended to keep emerging heat of combustion away from the inner wall. Therefore, between the outer wall and the inner wall, an annular cavity, so an annular space arranged, which can be flowed through for cooling purposes via openings with air. In the embodiment described, the heat shield must be designed to withstand the heat load due to the combustion taking place in the downstream combustion chamber. Therefore, the outer wall of the burner tip is the limiting factor for the life of the burner tip. The object of the invention is to develop a burner tip of the type specified in such a way that results in an improvement in the life of the component. In particular, to be made possible by the present invention, an improved cooling of the burner tip. It is another object of the invention to provide a method for producing such a burner tip.
Die Herstellung kann beispielsweise durch Gießen mit einem verlorenen Kern erfolgen. Gemäß einer Lösung der oben angegebenen Aufgabe ist es aber besonders vorteilhaft, wenn zum Herstellen ein additives Herstellungsverfahren genutzt wird. Hierbei kann die Brennerspitze vorzugsweise in einem Stück und mit besonders komplexen und/oder hinsichtlich eines Kühl- effektes optimierten Designs hergestellt werden, wobei das additive Herstellen insbesondere geometrisch komplexe Konstruktionen mit vorteilhaft großer Oberfläche für einen Wärmeübergang ermöglicht. Als additive Fertigungsverfahren im Sinne dieser Anmeldung sollen Verfahren verstanden werden, bei denen das Material, aus dem ein Bauteil hergestellt werden soll, dem Bauteil während der Entstehung hinzugefügt wird. Dabei entsteht das Bauteil bereits in seiner endgültigen Gestalt oder zumindest an- nähernd in dieser Gestalt. Das Bau- oder Ausgangsmaterial ist vorzugsweise pulverförmig, wobei durch das additive Fertigungsverfahren das Material zur Herstellung des Bauteils unter Einbringung von Energie physikalisch verfestigt wird. Um das Bauteil herstellen zu können, werden das Bauteil beschreibende Daten (CAD-Modell) für das gewählte additive Fertigungsverfahren aufbereitet. Die Daten werden zur Erstellung von Anweisungen für die Fertigungsanlage in an das Fertigungsverfahren angepasste Daten des Bauteils umgewandelt, da- mit in der Fertigungsanlage die geeigneten Prozessschritte zur sukzessiven Herstellung des Bauteils ablaufen können. Die Daten werden dafür so aufbereitet, dass die geometrischen Daten für die jeweils herzustellenden Lagen (Slices) des Bau- teils zur Verfügung stehen, was auch als „Slicen" bezeichnet wird . The production can be carried out, for example, by casting with a lost core. According to a solution of the above-stated object, however, it is particularly advantageous if an additive manufacturing method is used for the production. In this case, the burner tip can preferably be produced in one piece and with a design that is particularly complex and / or optimized with regard to a cooling effect, wherein the additive manufacturing enables in particular geometrically complex constructions with advantageously large surface area for a heat transfer. In the context of this application, additive manufacturing processes are to be understood as processes in which the material from which a component is to be produced is added to the component during formation. In this case, the component is already produced in its final shape or at least approximately in this shape. The building or starting material is preferably powdery, wherein the material for producing the component is physically solidified by introducing additive energy by the additive manufacturing process. To be able to produce the component, data describing the component (CAD model) are prepared for the selected additive manufacturing process. The data is converted into data of the component adapted to the manufacturing process to produce instructions for the production plant, so that the suitable process steps for the successive production of the component can take place in the production plant. The data are processed in such a way that the geometric data for the respective slices of the construction partly available, which is also referred to as "Slicen".
Als Beispiele für das additive Fertigen können das selektive Lasersintern (auch SLS für Selective Laser Sintering) , das selektive Laserschmelzen (auch SLM für Selective Laser Examples of additive manufacturing include selective laser sintering (also called SLS for selective laser sintering), selective laser melting (also known as SLM for selective laser sintering)
Melting) , das Elektronenstrahlschmelzen (auch EBM für Melting), the electron beam melting (also EBM for
Electron Beam Melting) , das Laserpulverauftragsschweißen (auch LMD für Laser Metal Deposition) oder das Kaltgassprit- zen (auch GDCS für Gas Dynamic Cold Spray) genannt werden.Electron Beam Melting), which is called laser powder deposition welding (also LMD for laser metal deposition) or cold gas spraying (also GDCS for gas dynamic cold spray).
Diese Verfahren eignen sich insbesondere zur Verarbeitung von metallischen Werkstoffen in Form von Pulvern, mit denen These methods are particularly suitable for the processing of metallic materials in the form of powders, with which
Konstruktionsbauteile hergestellt werden können. Beim SLM, SLS und EBM werden die Bauteile lagenweise in einem Pulverbett hergestellt. Diese Verfahren werden daher auch als pulverbettbasierte additive Fertigungsverfahren bezeichnet. Es wird jeweils eine Lage des Pulvers in dem Pulverbett erzeugt, die durch die Energiequelle (Laser oder Elektronen- strahl) anschließend in denjenigen Bereichen lokal aufgeschmolzen oder gesintert wird, in denen das Bauteil entstehen soll. So wird das Bauteil sukzessive lagenweise erzeugt und kann nach Fertigstellung dem Pulverbett entnommen werden. Beim LMD und GDCS werden die Pulverteilchen direkt der Oberfläche zugeführt, auf der ein Materialauftrag erfolgen soll. Beim LMD werden die Pulverpartikel durch einen Laser direkt in der Auftreffstelle auf der Oberfläche aufgeschmolzen und bilden dabei eine Lage des zu erzeugenden Bauteils. Beim GDCS werden die Pulverpartikel stark beschleunigt, so dass sie vorrangig aufgrund ihrer kinetischen Energie bei gleichzeitiger Verformung auf der Oberfläche des Bauteils haften bleiben . GDCS und SLS haben das Merkmal gemeinsam, dass die Pulverteilchen bei diesen Verfahren nicht vollständig aufgeschmolzen werden. Dies ermöglicht unter anderem auch die Herstellung von porösen Strukturen, wenn Zwischenräume zwischen den Partikeln erhalten bleiben. Beim GDCS erfolgt ein Aufschmelzen höchstens im Randbereich der Pulverpartikel, die aufgrund der starken Verformung an ihrer Oberfläche anschmelzen können. Beim SLS wird bei Wahl der Sintertemperatur darauf ge- achtet, dass diese unterhalb der Schmelztemperatur der Pul- verpartikel liegt. Demgegenüber liegt beim SLM, EBM und LMD der Energieeintrag betragsmäßig bewusst so hoch, dass die Pulverpartikel vollständig aufgeschmolzen werden. Die eingangs genannte Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Construction components can be produced. With the SLM, SLS and EBM, the components are produced in layers in a powder bed. These processes are therefore also referred to as powder bed-based additive manufacturing processes. In each case, a layer of the powder is produced in the powder bed which is then locally melted or sintered by the energy source (laser or electron beam) in those areas in which the component is to be formed. Thus, the component is successively produced in layers and can be removed after completion of the powder bed. With the LMD and GDCS, the powder particles are fed directly to the surface on which a material application is to take place. With the LMD, the powder particles are melted by a laser directly in the point of impact on the surface and thereby form a layer of the component to be produced. In the GDCS, the powder particles are strongly accelerated so that they adhere primarily due to their kinetic energy with simultaneous deformation on the surface of the component. GDCS and SLS have the common feature that the powder particles are not completely melted in these processes. Among other things, this also allows the production of porous structures, if spaces between the Particles are preserved. In the case of the GDCS, melting takes place at most in the edge region of the powder particles, which can melt on their surface due to the strong deformation. With the SLS, care is taken when selecting the sintering temperature that this is below the melting temperature of the powder particles. In contrast, the SLM, EBM and LMD amount of the energy input deliberately so high that the powder particles are completely melted. The object mentioned is achieved by the subject of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brenner- spitze zum Einbau in einen Brenner, wobei die Brennerspitze eine einem Brennraum zugewandte Oberfläche und eine zu der Oberfläche führende und einen Luftkanal definierende Luftkanalstruktur sowie eine zu der Oberfläche führende Brennstoffkanalstruktur aufweist. Die Brennstoffkanalstruktur definiert einen Brennstoffkanal , welcher in einem Oberflächenbereich der Brennerspitze entlang einer erste Richtung parallel zu der Oberfläche verläuft und sich anschließend in dem Oberflächenbereich entlang einer zweiten, von der ersten Richtung verschiedenen, Richtung zumindest teilweise zurück erstreckt oder gebogen oder umgelenkt wird, um den Oberflächenbereich der Brennerspitze durch einen im Betrieb der Brennerspitze durch den Brennstoffkanal strömenden Brennstoff zu kühlen. One aspect of the present invention relates to a burner tip for installation in a burner, wherein the burner tip has a surface facing a combustion chamber and an air channel structure leading to the surface and defining an air channel and a fuel channel structure leading to the surface. The fuel channel structure defines a fuel channel which extends in a surface region of the burner tip along a first direction parallel to the surface and then at least partially extends back or is bent or deflected in the surface region along a second direction different from the first direction Surface area of the burner tip to cool by a flowing during operation of the burner tip through the fuel channel fuel.
Durch die „Rückerstreckung" beziehungsweise den gebogenen Verlauf des Brennstoffkanals , kann - im Betrieb der Brennerspitze, beispielsweise im Einsatz einer Gasturbine - mit Vorteil auf besonders effektive Weise eine Kühlwirkung in dem Oberflächenbereich der Brennerspitze durch den Brennstoff erfolgen. Damit ist man in der Kühlung der Oberfläche oder des Oberflächenbereichs der Brennerspitze nicht mehr auf den Verbrauch von für die Effizienz einer Strömungsmaschine kostbare Kompressorluft angewiesen. Ferner können Zuführungssysteme für diese Kompressorluft eingespart und die entsprechenden Bauteile vorteilhaft vereinfacht werden. Due to the "back extension" or the curved course of the fuel channel, a cooling effect in the surface area of the burner tip can advantageously be effected by the fuel in a particularly effective manner during operation of the burner tip, for example when using a gas turbine Surface or surface area of the burner tip is no longer reliant on the consumption of compressor air valuable for the efficiency of a turbomachine Saved for this compressor air and the corresponding components are advantageously simplified.
In einer Ausgestaltung verläuft der Brennstoffkanal mit meh- reren Windungen parallel zu der Oberfläche und in dem Oberflächenbereich. Mit anderen Worten wird der Brennstoffkanal vorzugsweise parallel zu der Oberfläche mehrfach umgelenkt oder erstreckt sich entsprechend der Umlenkung. In einer Ausgestaltung verläuft der Brennstoffkanal zumindest teilweise entlang einer Symmetrieachse der Brennerspitze oder einer Hauptströmungsrichtung im Betrieb derselben. In one embodiment, the fuel channel with several turns runs parallel to the surface and in the surface region. In other words, the fuel channel is preferably deflected several times parallel to the surface or extends according to the deflection. In one embodiment, the fuel channel extends at least partially along an axis of symmetry of the burner tip or a main flow direction in the operation thereof.
In einer Ausgestaltung erstreckt sich der Brennstoffkanal , ausgehend von seinem Verlauf entlang der ersten Richtung in ein Inneres der Brennerspitze. Gemäß dieser Ausgestaltung kann mit Vorteil auch ein von der Oberfläche beabstandeter Bereich der Oberfläche (Oberflächenbereich) im Betrieb der Brennerspitze gekühlt werden. Dies wiederum wirkt sich vor- teilhaft auf die Lebensdauer des gesamten Konstruktionsbauteils aus. In one embodiment, the fuel channel extends from its course along the first direction into an interior of the burner tip. According to this embodiment, an area of the surface (surface area) which is distanced from the surface can advantageously also be cooled during operation of the burner tip. This in turn has an advantageous effect on the life of the entire construction component.
In einer Ausgestaltung schließt die erste Richtung einen Winkel zwischen 160° und 200°, vorzugsweise 180°, relativ zu der zweiten Richtung ein. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders zweckmäßige Rückführung oder Umlenkung des Brenn- stoffkanals, wie oben beschrieben. In one embodiment, the first direction includes an angle between 160 ° and 200 °, preferably 180 °, relative to the second direction. This embodiment allows a particularly expedient return or deflection of the fuel channel, as described above.
Der Begriff "Oberflächenbereich" beschreibt vorzugsweise ei- nen Strukturbereich der Brennerspitze in der Nähe der genannten Oberfläche. The term "surface area" preferably describes a structure region of the burner tip in the vicinity of the surface mentioned.
In einer Ausgestaltung mündet der Brennstoffkanal anschließend, d.h. nach seiner Umlenkung in das Innere der Brenner- spitze, über mindestens eine weitere Richtungsänderung, beispielsweise eine Ablenkung zwischen 70° und 110°, in die Oberfläche. Durch diese Ausgestaltung kann eine effiziente Kühlung im Einsatz der Brennerspitze und gleichzeitig ein vorteilhaftes Design der Brennerspitze realisiert werden, da eine effiziente Kühlung durch den Brennstoff im Einsatz der Brennerspitze und gleichzeitig eine Vorwärmung des entsprechend in den Brennraum einzuspeisenden Brennstoffes ermöglicht wird. In one embodiment, the fuel channel subsequently, ie after its deflection into the interior of the burner tip, opens into the surface via at least one further change in direction, for example a deflection between 70 ° and 110 °. By this configuration, an efficient cooling in the use of the burner tip and at the same time Advantageous design of the burner tip can be realized, as an efficient cooling by the fuel in the use of the burner tip and at the same time a preheating of the fuel to be fed into the combustion chamber fuel is enabled.
In einer Ausgestaltung weist der Brennstoffkanal nach seinem Verlauf entlang der ersten Richtung, und zweckmäßigerweise vor einer Mündung in die Oberfläche, einen Bereich mit ver- größertem Querschnitt, insbesondere einen Wechselwirkungsoder Sammelraum auf. Gemäß dieser Ausgestaltung kann besonders vorteilhaft ein Wärmeübergang von einem Oberflächenbereich an einen Brennstoff, welcher sich im Betrieb der Brennerspitze in dem Sammelraum befindet oder durch diesen hin- durch strömt, ermöglicht werden. Insbesondere steht durch den vergrößerten Querschnitt ein vergrößertes Volumen zur Wechselwirkung und für den beschriebenen Wärmeübergang zur Verfügung, wodurch effektiv eine Wärmekapazität (zur Aufnahme der im Betrieb der Brennerspitze auf die Oberfläche einwirkenden Wärme) erhöht werden kann. In one embodiment, the fuel channel, after its course along the first direction, and expediently before an orifice into the surface, has an area with an enlarged cross-section, in particular an interaction or collection space. According to this embodiment, a heat transfer from a surface region to a fuel which is located in the collecting chamber or flows through it during operation of the burner tip can be made particularly advantageous. In particular, the increased cross-section provides an increased volume of interaction and heat transfer, thereby effectively increasing a heat capacity (to accommodate the heat applied to the surface during operation of the torch tip).
In einer Ausgestaltung umfasst die Luftkanalstruktur einen zentralen Luftkanal, der zu einer zentralen Austrittsöffnung in der Brennerspitze führt. Insbesondere kann die Luftkanal - struktur den genannten zentralen Luftkanal darstellen oder definieren . In one embodiment, the air duct structure comprises a central air duct, which leads to a central outlet opening in the burner tip. In particular, the air duct structure may represent or define said central air duct.
In einer Ausgestaltung weist die Brennerspitze einen Eintrittsbereich auf. In dem Eintrittsbereich verlaufen vorzugs- weise sowohl der Luftkanal als auch der Brennstoffkanal koaxial. Mit anderen Worten sind Luftkanalstruktur und Brennstoffkanalstruktur entsprechend ausgebildet. In one embodiment, the burner tip has an inlet region. Preferably, both the air channel and the fuel channel extend coaxially in the inlet region. In other words, air duct structure and fuel channel structure are formed accordingly.
In einer Ausgestaltung verläuft der Brennstoffkanal in dem Eintrittsbereich radial außerhalb des Luftkanals. Mit anderen Worten können die Brennstoffkanalstruktur und die Luftkanal - struktur entsprechend ausgebildet sein. In einer Ausgestaltung weist die Brennerspitze einen vorzugsweise entlang einer Symmetrieachse (axial) versetzt angeordneten Austrittsbereich auf. Zweckmäßigerweise umfasst der Austrittsbereich, aus dem also vorzugsweise sowohl eine Luft- als auch eine BrennstoffStrömung austreten kann, die beschriebene Oberfläche oder den Oberflächenbereich. In one embodiment, the fuel channel extends in the inlet region radially outside the air channel. In other words, the fuel channel structure and the air duct structure can be designed accordingly. In one embodiment, the burner tip has a discharge region which is preferably offset along an axis of symmetry (axially). Expediently, the outlet region, from which preferably both an air and a fuel flow can escape, comprises the described surface or the surface region.
In einer Ausgestaltung verläuft der Brennstoffkanal in dem Austrittsbereich zumindest teilweise radial innerhalb des Luftkanals. In one embodiment, the fuel channel extends in the outlet region at least partially radially within the air channel.
In einer Ausgestaltung verlaufen der Brennstoffkanal und der Luftkanal verschachtelt, verschränkt oder miteinander verflochten, um den Oberflächenbereich der Brennerspitze vor- teilhafterweise zusätzlich durch eine Luftströmung - und nicht ausschließlich durch eine BrennstoffStrömung - zu kühlen. Vorzugsweise verlaufen Brennstoffkanal und Luftkanal jedoch ohne fluidische Kommunikation untereinander. Alternativ können Luftkanal und Brennstoffkanal zumindest teilweise fluidisch miteinander kommunizieren. In one embodiment, the fuel channel and the air channel extend nested, entangled or intertwined in order to additionally cool the surface region of the burner tip by an air flow, and not exclusively by a flow of fuel. However, the fuel channel and air channel preferably extend without fluid communication with each other. Alternatively, the air channel and the fuel channel can communicate at least partially fluidly with one another.
In einer Ausgestaltung ist die Brennerspitze zumindest weitgehend rotationssymmetrisch um die beschriebene Symmetrieachse ausgebildet. In one embodiment, the burner tip is at least largely rotationally symmetrical about the described axis of symmetry.
In einer Ausgestaltung verlaufen Luftkanal und/oder Brennstoffkanal zumindest teilweise entlang einer Umfangsrichtung oder Tangentialrichtung der Brennerspitze. In einer Ausgestaltung weist die Brennstoffkanalstruktur, vorzugsweise in dem Austrittbereich, Lamellen auf, welche den Brennstoffkanal - zumindest abschnittsweise - in eine Mehrzahl von Teilkanälen unterteilen. Dadurch kann mit Vorteil ebenfalls eine Kühlwirkung im Betrieb der Brennerspitze durch einen verbesserten Wärmeübergang, optimiert werden. Die genannten Lamellen können - ebenso wie andere Teile der Brennstoffkanalstruktur oder der Brennerspitze - beliebige Formen aufweisen, welche unter Umständen ausschließlich durch additive Fertigungstechnologie realisierbar sind. In one embodiment, the air duct and / or fuel channel extend at least partially along a circumferential direction or tangential direction of the burner tip. In one embodiment, the fuel channel structure, preferably in the outlet region, lamellae, which divide the fuel channel - at least in sections - in a plurality of sub-channels. As a result, it is also advantageously possible to optimize a cooling effect during operation of the burner tip by means of improved heat transfer. The said fins can - as well as other parts of the fuel channel structure or the burner tip - arbitrary shapes have, which may be realized only by additive manufacturing technology under certain circumstances.
In einer Ausgestaltung bildet die Brennstoffkanalstruktur in dem Eintrittsbereich eine Ringkammer. In one embodiment, the fuel channel structure forms an annular chamber in the inlet region.
In einer Ausgestaltung ist die Brennstoffkanalstruktur derart geformt, dass der Brennstoffkanal nach seinem Verlauf entlang der zweiten Richtung und vor seiner Mündung in die Oberfläche durch die Ringkammer verläuft. In one embodiment, the fuel channel structure is shaped such that the fuel channel extends along the second direction and before its mouth into the surface through the annular chamber after its course.
In einer Ausgestaltung weist die Brennstoffkanalstruktur in dem Austrittsbereich eine Mehrzahl von Brennstoffkanälen auf, die über die Oberfläche in den Brennraum führen bzw. in die genannte Oberfläche münden. Durch diese Ausgestaltung kann mit Vorteil eine verbesserte und/oder homogenere Kühlung der Oberfläche erreicht werden.  In one embodiment, the fuel channel structure has a plurality of fuel channels in the outlet region, which lead via the surface into the combustion chamber or open into said surface. By virtue of this embodiment, an improved and / or more homogeneous cooling of the surface can advantageously be achieved.
In einer Ausgestaltung verläuft der Luftkanal zumindest teilweise durch den Brennstoffkanal hindurch, oder umgekehrt. Durch diese Ausgestaltung kann ein besonders kompaktes und zweckmäßiges Design der Brennerspitze realisiert werden. In one embodiment, the air duct extends at least partially through the fuel channel, or vice versa. With this configuration, a particularly compact and expedient design of the burner tip can be realized.
In einer Ausgestaltung weist die Luftkanalstruktur eine Vielzahl von Luftkanälen auf, welche beispielsweise in verschie- denen Austrittswinkeln relativ zu der Oberfläche oder einer Oberflächennormalen in die Oberfläche münden bzw. in den Brennraum führen. Durch diese Ausgestaltung kann besonders vorteilhaft eine effiziente Oberflächen- oder Filmkühlung der Oberfläche erzielt werden. In one embodiment, the air duct structure has a multiplicity of air ducts which, for example, open into the surface or lead into the combustion chamber at different exit angles relative to the surface or a surface normal. As a result of this embodiment, an efficient surface or film cooling of the surface can be achieved particularly advantageously.
In einer Ausgestaltung definieren die Luftkanalstruktur und/oder die Brennstoffkanalstruktur Kanalquerschnitte, welche eine von einer runden, insbesondere kreisförmigen Form abweichenden Querschnittsform haben, beispielsweise eine el- liptische oder sternförmige Querschnittsform. Durch diese Ausgestaltung kann mit Vorteil weiterhin ein Wärmeübergang von der Oberfläche auf einen Brennstoff oder auf eine Luftströmung im Betrieb der Brennerspitze durch eine - im Ver- gleich zu einem kreisförmigen Querschnitt - vergrößerte Querschnittsfläche verbessert und/oder optimiert werden. In one embodiment, the air channel structure and / or the fuel channel structure define channel cross sections which have a cross-sectional shape deviating from a round, in particular circular shape, for example an elliptical or star-shaped cross-sectional shape. With this configuration, advantageously, a heat transfer from the surface to a fuel or to an air flow during operation of the burner tip by a - in the United States equal to a circular cross-section - increased cross-sectional area can be improved and / or optimized.
In einer Ausgestaltung ist die Oberfläche durch eine offenpo- röse Wand oder Wandstruktur der Brennerspitze gebildet, die durch ihre Porosität eine Vielzahl von Luftkanälen definiert. Gemäß dieser Ausgestaltung kann also der Oberflächenbereich beispielsweise besonders homogen von Kühlluft durchströmt werden, um eine effektive Kühlung im Betrieb der Brennerspit- ze zu bewirken. In one embodiment, the surface is formed by an open-wall wall or wall structure of the burner tip, which defines a plurality of air channels by their porosity. According to this embodiment, therefore, the surface area can be flowed through particularly homogeneously by cooling air in order to effect effective cooling during operation of the burner tip.
In einer Ausgestaltung ist die Brennerspitze additiv bzw. durch ein additives Herstellungsverfahren, hergestellt. In einer Ausgestaltung ist die Brennerspitze einstückig oder in einem Stück hergestellt. In one embodiment, the burner tip is additive or produced by an additive manufacturing process. In one embodiment, the burner tip is made in one piece or in one piece.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, beispielsweise eine Gasturbine, umfassend die beschriebene Brennerspitze. Another aspect of the present invention relates to a turbomachine, for example a gas turbine, comprising the described burner tip.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen der Brennerspitze, wobei die Brennerspitze insbesondere additiv und/oder einstückig herge- stellt wird bzw. herstellbar ist. A further aspect of the present invention relates to a method for producing the burner tip, wherein the burner tip is produced in particular as an additive and / or in one piece or can be produced.
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf die Brennerspitze oder die Strömungsmaschine beziehen, können ferner das Verfahren betreffen oder umgekehrt. Embodiments, features and / or advantages relating in the present case to the burner tip or the turbomachine may also relate to the method or vice versa.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben. Further details of the invention are described below with reference to the figures.
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Bren- ners, in dem ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennerspitze eingebaut ist. Figur 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Brennerspitze in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung. Figure 1 shows a schematic sectional view of a burner, in which an embodiment of the burner tip according to the invention is installed. FIG. 2 shows a schematic sectional view of a burner tip in an embodiment according to the invention.
Figur 3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Teils der Brennerspitze gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung . FIG. 3 shows a schematic sectional view of a part of the burner tip according to an embodiment of the invention.
Figur 4 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Brennerspitze in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung . FIG. 4 shows a schematic sectional view of a burner tip in a further embodiment according to the invention.
Figur 5 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Teils der Brennerspitze gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung. FIG. 5 shows a schematic sectional view of a part of the burner tip according to a further embodiment of the invention.
Figur 6 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein FIG. 6 shows a schematic sectional view
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens .  Embodiment of the method according to the invention.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert, dargestellt sein . In the exemplary embodiments and figures, identical or identically acting elements can each be provided with the same reference numerals. The illustrated elements and their proportions with each other are basically not to be regarded as true to scale, but individual elements, for better presentation and / or for better understanding exaggerated thick or large dimensions, be represented.
In Figur 1 ist ein Brenner 11 dargestellt, der einen MantelFIG. 1 shows a burner 11 which has a jacket
12 aufweist, in dem ein Hauptkanal 13 für Luft ausgebildet ist. Der Mantel 12 ist um eine Längs- und/oder Symmetrieachse 14 symmetrisch aufgebaut und weist im Zentrum des Hauptkanals12, in which a main channel 13 is formed for air. The jacket 12 is symmetrical about a longitudinal and / or symmetry axis 14 and has in the center of the main channel
13 eine Brennerlanze 15 auf. Die Brennerlanze 15 ist mit Stegen 16 in dem Hauptkanal 13 fixiert. Außerdem erstrecken sich zwischen der Brennerlanze 15 und dem Mantel 12 Leitschaufeln 17, die der Luft einen Drall um die Symmetrieachse 14 aufprägen, wie den angedeuteten Luftpfeilen 18 zu entnehmen ist. Die Brennerlanze 15 weist am stromabwartigen Ende eine Brennerspitze 19 auf, wobei diese über einen zentralen Luftkanal 20 mit Luft und über einen um den Luftkanal 20 herum angeordneten Ringkanal 22 mit einem Brennstoff 23 versorgt wird. 13 on a burner lance 15. The burner lance 15 is fixed with webs 16 in the main channel 13. In addition, extending between the burner lance 15 and the shell 12 vanes 17, which impose a twist on the air around the symmetry axis 14, as the indicated air arrows 18 can be seen. The burner lance 15 has a burner tip 19 at the downstream end, which is supplied with air via a central air channel 20 and with a fuel 23 via an annular channel 22 arranged around the air channel 20.
Der Brennstoff 23 kann gasförmig oder flüssig sein. Insbesondere kann es sich bei dem Brennstoff um Erdgas, ein Wasserstoff enthaltendes Gas oder Fluid oder einen anderen Brennstoff handeln. The fuel 23 may be gaseous or liquid. In particular, the fuel may be natural gas, a hydrogen-containing gas or fluid, or another fuel.
Die Luft (vgl. Luftstrom bzw. Luftkanal 20) und der Brennstoff 23 wird über nicht näher dargestellte Öffnungen in der Brennerspitze ausgetrieben und so dem Luftstrom aus dem The air (see air flow or air duct 20) and the fuel 23 is expelled through openings, not shown in the burner tip and so the air flow from the
Hauptkanal 13 zugemischt. Dabei kühlt die Luft 21 üblicher- weise die Brennerspitze 19 (siehe weiter unten) . Der Brenner 11 folgt dem Funktionsprinzip eines Pilotbrenners. Dieser kann beispielsweise in einen Brennraum BR, beispielsweise einer Gasturbine, eingebaut werden, wobei der Brennraum BR in diesem Fall eine Umgebung 30 der Brennerspitze 19 bildet. Main channel 13 mixed. The air 21 usually cools the burner tip 19 (see below). The burner 11 follows the operating principle of a pilot burner. This can for example be installed in a combustion chamber BR, for example a gas turbine, wherein the combustion chamber BR forms an environment 30 of the burner tip 19 in this case.
Figur 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Brennerspitze 19, wie oben beschrieben. Insbesondere ist ein Schnitt entlang der Symmetrieachse 14 dargestellt. Die Symmetrieachse 14 kann ebenfalls eine Rotationssymmetrie der Brennerspitze 19 bedeuten. FIG. 2 shows a schematic sectional view of a burner tip 19, as described above. In particular, a section along the axis of symmetry 14 is shown. The symmetry axis 14 can likewise mean a rotational symmetry of the burner tip 19.
Die Brennerspitze 19 weist einen Eintrittsbereich EB auf. Weiterhin weist die Brennerspitze 19 einen Austrittsberei AB auf. Der Austrittsbereich AB schließt sich entlang der Symmetrieachse 14 an den Eintrittsbereich EB an, bzw. ist axial versetzt zu dem Eintrittsbereich EB angeordnet. The burner tip 19 has an inlet region EB. Furthermore, the burner tip 19 on a Austrittsberei AB. The outlet region AB adjoins the inlet region EB along the axis of symmetry 14, or is arranged axially offset from the inlet region EB.
Zu erkennen ist in Figur 2 weiterhin der entlang der Symmetrieachse 14 verlaufende zentrale Luftkanal 20. Der Luftkanal 20 führt zu einer Austrittsöffnung 24 der Brennerspitze 19. In diesem Luftkanal kann im Betrieb eine weitere Brennerlanze untergebracht sein (siehe weiter unten) . Im Betrieb der Brennerspitze 19, beispielsweise im Einsatz in einer Gasturbine, wird die Brennerspitze 19 in dem Luftkanal 20 von Luft, insbesondere Kompressorluft, durchströmt, indem Luft im Eintrittsbereich EB in den Luftkanal 20 eintritt und diesen im Austrittsbereich AB wieder verlässt. Der Luftkanal 20 wird durch eine Luftkanalstruktur 21 definiert. The air channel 20 leads to an outlet opening 24 of the burner tip 19. In this air channel can be housed in operation another burner lance (see below). During operation of the burner tip 19, for example in use in a gas turbine, the burner tip 19 is traversed by air, in particular compressor air, in the air channel 20, in that air enters the air channel 20 in the inlet region EB and leaves it again in the outlet region AB. The air channel 20 is defined by an air channel structure 21.
Ein Luftstrom ist im Betrieb der Brennerspitze 19 in Figur 2 durch die gestrichelten Pfeile in dem Luftkanal 20 angedeutet . An air flow is indicated in the operation of the burner tip 19 in Figure 2 by the dashed arrows in the air channel 20.
Die Brennerspitze 19 weist weiterhin eine Brennstoffkanal - struktur 32 auf. Die Brennstoffkanalstruktur 32 definiert einen Brennstoffkanal 33. Ein Brennstoffström ist im Betrieb der Brennerspitze 19 inThe burner tip 19 furthermore has a fuel channel structure 32. The fuel channel structure 32 defines a fuel channel 33. A fuel stream is in operation of the burner tip 19 in FIG
Figur 2 durch die durchgezogenen Pfeile in dem Brennstoffkanal 33 angedeutet. 2 indicated by the solid arrows in the fuel channel 33.
Der Brennstoffkanal 33 ist radial außerhalb des Luftkanals 20 angeordnet, sodass - im Betrieb der Brennerspitze 19 - einThe fuel channel 33 is arranged radially outside of the air channel 20, so that - during operation of the burner tip 19 - a
Brennstoff 23 (entlang der Luftströmungsrichtung) radial außerhalb des beschriebenen Luftstroms geführt werden kann. Fuel 23 (along the air flow direction) can be guided radially outside the described air flow.
Die Brennstoffkanalstruktur 32 kann eine Außenwand 28 der Brennerspitze 19 umfassen oder definieren. The fuel channel structure 32 may include or define an outer wall 28 of the burner tip 19.
Die Luftkanalstruktur 21 kann eine Innenwand 29 der Brennerspitze 19 umfassen oder definieren. Die Brennerspitze 19 bzw. die Luftkanalstruktur 21 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sich der Luftkanal 20 von dem Eintrittsbereich EB in den Austrittsbereich AB verjüngt. Nach einem entsprechenden konischen oder verjüngenden Verlauf, definiert die Luftkanalstruktur 21 den Luftkanal 20 wieder parallel zur Symmetrieachse 14. The air channel structure 21 may include or define an inner wall 29 of the burner tip 19. The burner tip 19 or the air channel structure 21 is preferably designed such that the air channel 20 tapers from the inlet region EB into the outlet region AB. After a corresponding conical or tapering course, the air channel structure 21 again defines the air channel 20 parallel to the axis of symmetry 14.
In den Figuren, insbesondere den Figuren 2 und 4, sind - der Übersichtlichkeit halber - in den zentralen Luftkanal 20 keine weiteren Komponenten eingezeichnet. Im Einsatz der Bren- nerspitze 19, beispielsweise im Betrieb einer entsprechend die Brennerspitze aufweisenden Gasturbine (nicht explizit gekennzeichnet) sind, zweckmäßigerweise weitere Komponenten in diesem zentralen Bereich der Brennerspitze 19 angeordnet, beispielsweise weitere Zünd- und/oder Öllanzen. Die genannten Komponenten sind für die Funktion des Brenners 11 wesentlich und dichten vorzugsweise gleichzeitig den zentralen Luftkanal derart ab, dass sich ein Luftspalt bildet, der im Betrieb der Brennerspitze eine zweckmäßige Kühlwirkung der genannten Kom- ponenten und/oder der Brennerspitze hervorruft. In the figures, in particular FIGS. 2 and 4, no further components are shown in the central air duct 20 for the sake of clarity. In use of the burner nerspitze 19, for example, in operation of a burner tip having corresponding gas turbine (not explicitly marked), expediently further components in this central region of the burner tip 19 are arranged, for example, more ignition and / or oil lances. The components mentioned are essential for the function of the burner 11 and preferably at the same time seal off the central air duct in such a way that an air gap is formed which, during operation of the burner tip, causes a suitable cooling effect of said components and / or the burner tip.
Es ist weiterhin in Figur 2 zu erkennen, dass sich die Außenwand in dem Austrittsbereich AB ebenfalls verjüngt oder sich zur zentral angeordneten Symmetrieachse 14 erstreckt. Im Aus- trittsbereich AB ist nun die Brennstoffkanalstruktur 32 so ausgebildet, dass sich der Brennstoffkanal 33 zunächst parallel zu einer äußeren Oberfläche OF der Brennerspitze 19 erstreckt oder parallel zu der Oberfläche OF verläuft. Insbesondere verläuft im Betrieb der Brennerspitze 19 ein Brenn- Stoffstrom entlang einer ersten Richtung 1R parallel zu der Oberfläche OF . It can also be seen in FIG. 2 that the outer wall also tapers in the exit region AB or extends to the centrally arranged symmetry axis 14. In the outlet region AB, the fuel channel structure 32 is now designed such that the fuel channel 33 initially extends parallel to an outer surface OF of the burner tip 19 or runs parallel to the surface OF. In particular, during operation of the burner tip 19, a fuel stream runs along a first direction 1R parallel to the surface OF.
Ein Oberflächenbereich, welcher die Oberfläche OF aufweist, ist vorliegend mit dem Bezugszeichen OFB gekennzeichnet. Ins- besondere soll genau dieser Oberflächenbereich OFB, vorzugsweise im Austrittsbereich AB der Brennerspitze 19, durch einen im Betrieb der Brennerspitze 19 durch die Brennstoffkanalstruktur 32 geführten Brennstoff 23, effektiv gekühlt werden . A surface area which has the surface OF is characterized in this case by the reference symbol OFB. In particular, precisely this surface area OFB, preferably in the exit area AB of the burner tip 19, should be effectively cooled by a fuel 23 guided through the fuel channel structure 32 during operation of the burner tip 19.
Nachdem der Brennstoff (vergleiche im Brennstoffkanal 33 eingezeichnete Pfeile) eine gewisse Länge entlang der ersten Richtung parallel zu der Oberfläche OF verläuft, wird der Brennstoffkanal durch die Geometrie der Brennstoffkanalstruk- tur 32 entlang einer zweiten Richtung umgelenkt, sodass er sich zumindest teilweise entgegengesetzt zu der ersten Richtung zurückerstreckt oder umgelenkt wird, um anschließend den Oberflächenbereich OFB der Brennerspitze 19 zu verlassen. Mit anderen Worten kann durch die Umlenkung des Brennstoffka- nals in dem Oberflächenbereich OFB, dieser im Betrieb der Brennerspitze 19 effizient durch einen Brennstoff gekühlt werden, da der Brennstoff zunächst oberflächennah im Inneren des Bauteils geführt wird, dann umgelenkt wird, und später - gegebenenfalls durch sich selbst hindurchgeführt - an einer Mehrzahl von vorgesehenen Brennstoffauslässen (nicht explizit in den Figuren gekennzeichnet) in den Brennraum BR abgegeben werden kann (vergleiche Figur 3 weiter unten) . Demgemäß kann der Verlauf des Brennstoffkanals 33 bzw. die Geometrie der Brennstoffkanalstruktur 32 dem Design einer sogenannten „Kleinchen Flasche" entsprechen oder dieser ähneln. Die erste Richtung kann eine Richtung zumindest teilweise oder anteilig entlang der Symmetrieachse (in Strömungsrichtung) oder entlang einer entsprechenden Hauptströmungsrichtung beschreiben. Die zweite Richtung bezeichnet vorzugsweise eine Richtung, welche verschieden, vorzugsweise genau entge- gengesetzt, zu der ersten Richtung ist. Vorzugsweise wird der Brennstoffkanal 33 derart von der ersten Richtung in die zweite Richtung umgelenkt, dass er sich nach seinem Verlauf parallel zu der ersten Richtung zunächst in ein Inneres der Brennerspitze oder des entsprechenden Oberflächenbereichs OFB erstreckt. Auf diese Weise können auch tiefer liegende Strukturen des Oberflächenbereichs effektiv gekühlt werden. After the fuel (compare arrows drawn in the fuel passage 33) runs a certain length along the first direction parallel to the surface OF, the fuel channel is deflected by the geometry of the fuel channel structure 32 along a second direction, so that it is at least partially opposite to the the first direction is retracted or deflected to then leave the surface area OFB of the burner tip 19. In other words, by deflecting the fuel channel in the surface area OFB, it can be efficiently cooled by a fuel during operation of the burner tip 19, since the fuel is initially guided close to the surface in the interior of the component, then deflected, and later - possibly through passed through itself - at a plurality of provided fuel outlets (not explicitly marked in the figures) can be discharged into the combustion chamber BR (see Figure 3 below). Accordingly, the profile of the fuel channel 33 or the geometry of the fuel channel structure 32 may correspond to or resemble the design of a so-called "small bottle." The first direction may describe a direction at least partially or proportionately along the symmetry axis (in the flow direction) or along a corresponding main flow direction The second direction preferably designates a direction which is different, preferably exactly opposite, to the first direction, Preferably, the fuel channel 33 is deflected from the first direction to the second direction in such a way that it follows its course parallel to the first direction In this way, even deeper structures of the surface area can be effectively cooled.
Die zweite Richtung kann ebenfalls eine Richtung parallel zu der Oberfläche, aber vorzugsweise entgegen einer Hauptströ- mungsrichtung, beschreiben. Die zweite Richtung kann alternativ oder zusätzlich weiterhin um 90° oder einen anderen Winkel geneigt zu der ersten Richtung verlaufen. The second direction may also describe a direction parallel to the surface, but preferably opposite to a main flow direction. The second direction may alternatively or additionally continue to run at 90 ° or at some other angle inclined to the first direction.
Die Brennerspitze 19 kann, bezogen auf seine Symmetrieachse 14, rotationssymmetrisch oder annähernd rotationssymmetrisch ausgestaltet sein. Die zweite Richtung kann demgemäß beispielsweise entlang einer Umfangsrichtung der Brennerspitze 19 verlaufen. Entlang der Umfangsrichtung (nicht explizit gekennzeichnet in den Figuren) kann die Brennerspitze 19 in dem Austrittsbereich AB entsprechend eine Mehrzahl von Brennstoffkanälen 33 aufweisen, die - beispielsweise umfänglich äquidistant angeordnet - über die Oberfläche OF in den Brennraum BR führen (vergleiche Figur 3 unten) . Die Positionen der entsprechend durch die Mündung der Brennstoffkanäle 33 in die Oberfläche OF entstehenden Brennstoffauslässe können einem konventionel - len Design der Brennerspitze entsprechen. The burner tip 19 may, based on its axis of symmetry 14, be rotationally symmetrical or approximately rotationally symmetrical. Accordingly, the second direction may be along a circumferential direction of the burner tip 19, for example. Along the circumferential direction (not explicitly marked in the figures), the burner tip 19 in the outlet region AB correspondingly have a plurality of fuel channels 33 which - for example circumferentially arranged equidistantly - over the surface OF in the combustion chamber BR lead (see Figure 3 below). The positions of the fuel outlets correspondingly formed by the mouth of the fuel channels 33 into the surface OF may correspond to a conventional burner tip design.
Durch die genannte Umlenkung oder Zurückerstreckung, beispielsweise um einen Winkel zwischen 160 und 220 °C, vorzugsweise um ca. 180°, kann mit Vorteil ein Kühleffekt des Ober- flächenbereichs OFB durch den - im Vergleich zu der üblicherweise zur Kühlung genutzten Kompressorluft - verhältnismäßig kalten Brennstoff, verbessert werden. Mit anderen Worten muss zur Kühlung der Bauteilaußenfläche nicht mehr zwangsläufig verdichtete Luft hergenommen werden, sondern es kann das viel kühlere Brenngas (ca. 50 °C statt 400 °C für konventionell herangezogene verdichtete Kühlluft aus dem Kompressorteil einer Gasturbine (nicht explizit dargestellt) ) direkt unter der Bauteiloberfläche zur Kühlung in dem Oberflächenbereich OFB entlang geführt werden. By virtue of said deflection or retraction, for example by an angle between 160 and 220 ° C., preferably by approximately 180 °, a cooling effect of the surface area OFB can advantageously be relatively cold due to the compressor air used for cooling Fuel, to be improved. In other words, not necessarily compressed air must be taken to cool the component outer surface, but it can be the much cooler fuel gas (about 50 ° C instead of 400 ° C for conventionally used compressed compressed air from the compressor part of a gas turbine (not explicitly shown)) directly be guided under the component surface for cooling in the surface area OFB along.
Nach der Zurückerstreckung erfährt der Brennstoffkanal 33 vorzugsweise eine weitere Ablenkung, beispielsweise eine Ablenkung zwischen 70 und 110°, so dass dieser anschließend in die Oberfläche OF münden beziehungsweise diese in Richtung Brennraum BR verlassen kann. Mit anderen Worten wird derAfter the retraction, the fuel channel 33 preferably undergoes a further deflection, for example a deflection between 70 and 110 °, so that it can then open into the surface OF or leave it in the direction of the combustion chamber BR. In other words, the
Brennstoff durch die Geometrie der Brennstoffkanalstruktur 32 für eine verbesserte Kühlwirkung in dem Oberflächenbereich OFB gehalten oder gesammelt, und kann anschließend wieder unter einem bestimmten Austrittswinkel in den Brennraum BR aus- treten und verbrannt werden. Fuel is held or collected by the geometry of the fuel channel structure 32 for an improved cooling effect in the surface area OFB, and can then again emerge at a certain exit angle into the combustion chamber BR and burned.
Vorzugsweise wird die beschriebene Brennerspitze 19 durch ein additives Fertigungsverfahren, vorzugsweise selektives Laser- schmelzen (SLM) oder Elektronenstrahlschmelzen (EBM) hergestellt. Die additive Fertigung ermöglicht es insbesondere Bauteile mit integrierten Funktionen herzustellen. Insbesondere ist es möglich, die beschriebene Brennerspitze 19 mit der beschriebenen Komplexität seiner Kanalstrukturen in einem Stück und ohne konventionell erforderliche Hitzeschilde über additive Mittel herzustellen. Preferably, the described burner tip 19 is produced by an additive manufacturing process, preferably selective laser Melting (SLM) or electron beam melting (EBM). The additive manufacturing makes it possible in particular to produce components with integrated functions. In particular, it is possible to produce the described burner tip 19 with the described complexity of its channel structures in one piece and without conventionally required heat shields via additive means.
Da die Brennerspitze 19 zur Kühlung nur noch ein einziges Fluid leiten muss, können unter Umständen mit Vorteil weniger Anschlüsse erforderlich sein, wodurch sich Herstellung und Funktion des Bauteils vereinfachen lassen. Since the burner tip 19 only has to conduct a single fluid for cooling purposes, under certain circumstances less connections may be required with advantage, as a result of which the manufacture and function of the component can be simplified.
In Figur 2 ist weiterhin ein Bereich B eingezeichnet, in wel- ehern der Brennstoffkanal 33 einen vergrößerten Querschnitt aufweist. Durch diese Ausgestaltung kann mit Vorteil ein größeres Volumen von Brennstoff 23 in dem Bereich B „gesammelt" werden, um eine zweckmäßige Kühlwirkung zu bewirken. Figur 3 zeigt ausschnitthaft eine Querschnittsansicht einer Brennerspitze 19, vorzugsweise geschnitten in dem Oberflächenbereich OFB (vergleiche Figur 2) . Die äußeren mit dem Bezugszeichen 34 gekennzeichneten BrennstoffÖffnungen definieren die Form des Brennstoffkanals 33 (vergleiche Figur 2) . FIG. 2 also shows a region B, in which the fuel channel 33 has an enlarged cross section. This configuration advantageously allows a larger volume of fuel 23 to be "collected" in area B to effect a convenient cooling effect Figure 3 shows a cross-sectional view of a burner tip 19, preferably cut in the surface area OFB (see Figure 2). The outer fuel openings identified by the reference numeral 34 define the shape of the fuel channel 33 (see FIG. 2).
Die in Figur 3 eingezeichneten Pfeile deuten wieder den Verlauf des Brennstoffkanals 33 bzw. des Brennstoffs 23 an. Insbesondere ist - durch die Pfeile angedeutet - eine Mehrzahl von Brennstoffkanälen, insbesondere verteilt über einen Um- fang der Brennerspitze 19, gezeigt, welche vorzugsweise vorgesehen, in den Figuren 2 und 4 jedoch nicht sichtbar sind. Mit anderen Worten ist der Brennstoffkanal 33, vorzugsweise umfänglich, durch eine oder mehrere Lamellen 39 in eine Mehrzahl von einzelnen Teil -Brennstoffkanälen aufgeteilt. Diese Mehrzahl der Brennstoffkanäle bzw. die mit dem Bezugszeichen 34 gekennzeichneten Teilkanäle sind vorzugsweise umfänglich (durch die Lamellen 39) voneinander beabstandet. Die Teilkanäle 34 vereinigen sich - wie in Figur 3 dargestellt - radial nach innen verlaufend vorzugsweise in einen einzigen Brennstoffkanal 33 der Brennerspitze 19. Auf diese Weise kann im Betrieb der Brennerspitze 19 weiterhin mit Vor- teil ein Wärmeübergang von der Struktur der Brennerspitze auf einen durch den Brennstoffkanal 33 geführten Brennstoffström, und damit die Kühlung der Brennerspitze verbessert werden. The arrows drawn in FIG. 3 again indicate the course of the fuel channel 33 or of the fuel 23. In particular, - indicated by the arrows - a plurality of fuel channels, in particular distributed over a circumference of the burner tip 19, shown, which are preferably provided, but not visible in the figures 2 and 4. In other words, the fuel channel 33, preferably circumferentially, is divided by one or more fins 39 into a plurality of individual part fuel channels. These plurality of fuel channels or the partial channels indicated by the reference numeral 34 are preferably circumferentially spaced apart (by the fins 39). The partial channels 34 unite - as shown in Figure 3 - extending radially inwardly preferably in a single fuel channel 33 of the burner tip 19. In this way, in the operation of the burner tip 19 continues to advantage with a heat transfer from the structure of the burner tip to a through the fuel channel 33 guided Brennstoffström, and thus the cooling of the burner tip can be improved.
Die beschriebene Geometrie der Lamellen ist insbesondere durch konventionelle Herstellungsverfahren nicht realisierbar, und wird deshalb gemäß der beschriebenen Lehre additiv und vorzugsweise einstückig hergestellt, beispielsweise durch selektives Laserschmelzen. Beispielhaft sind in Figur 3 Brennstoffkanäle 34 bzw. Öffnungen mit rechteckigen Querschnitten gekennzeichnet. Alternativ können jedoch auch andere Querschnittsformen herangezogen werden, beispielsweise elliptische oder sternförmige Querschnitte, um eine verbesserte Kühlwirkung durch eine vergrößerte Oberfläche und demgemäß verbesserten Wärmeaustausch im Betrieb der Brennerspitze 19 zu erreichen. The described geometry of the lamellae can not be realized, in particular, by conventional production methods, and is therefore produced additively and preferably in one piece according to the described teaching, for example by selective laser melting. By way of example, FIG. 3 shows fuel channels 34 or openings with rectangular cross sections. Alternatively, however, other cross-sectional shapes can be used, for example elliptical or star-shaped cross sections, in order to achieve an improved cooling effect through an enlarged surface and thus improved heat exchange during operation of the burner tip 19.
Die Brennstoffkanalstruktur 32 kann weiterhin insbesondere gemäß einer rotationssymmetrischen Ausgestaltung der Brenner- spitze 19 um seine Symmetrieachse eine (komplex geformte)The fuel channel structure 32 can furthermore, in particular in accordance with a rotationally symmetrical design of the burner tip 19, have a (complex-shaped) about its axis of symmetry.
Ringkammer bilden. Die Brennstoffkanalstruktur 32 ist weiterhin vorzugsweise derart geformt, dass der Brennstoffkanal 33 nach seinem Verlauf entlang der zweiten Richtung 2R und vor seiner Mündung in die Oberfläche OF in dem Austrittsbereich AB durch die Ringkammer verläuft (vergleiche die den Brennstoff 23 andeutenden Pfeile in Figur 2) . Form ring chamber. The fuel channel structure 32 is furthermore preferably shaped in such a way that the fuel channel 33, after its course along the second direction 2R and before its mouth into the surface OF, extends in the exit region AB through the annular chamber (compare the arrows indicating the fuel 23 in FIG. 2).
Insbesondere stellt der Verlauf der Pfeile in Figur 3 gerade die durch die Geometrie der Brennstoffkanalstruktur 32 her- vorgerufene Umlenkung des Brennstoffs im Brennstoffkanal 33 dar, um den Oberflächenbereich OFB der Brennerspitze 19 im Betrieb derselben effektiv kühlen zu können. Figur 4 zeigt eine Schnittdarstellung (Längsschnitt) einer alternativen Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennerspitze. Im Gegensatz zur Figur 2 verläuft der Brennstoffkanal 33 in dem Austrittsbereich AB zumindest teilweise radial in- nerhalb des Luftkanals 20. Weiterhin verlaufen der Brennstoffkanal 33 und der Luftkanal 20 zumindest teilweise verschachtelt, um den Oberflächenbereich OFB der Brennerspitze 19 zusätzlich durch eine Luftströmung zu kühlen, was eine weiterhin verbesserte Kühlwirkung zur Folge hat. In particular, the course of the arrows in FIG. 3 represents precisely the deflection of the fuel in the fuel channel 33 caused by the geometry of the fuel channel structure 32 in order to be able to effectively cool the surface area OFB of the burner tip 19 during operation thereof. Figure 4 shows a sectional view (longitudinal section) of an alternative embodiment of a burner tip according to the invention. In contrast to FIG. 2, the fuel channel 33 runs at least partially radially inside the air channel 20 in the outlet region AB. Furthermore, the fuel channel 33 and the air channel 20 are at least partially interlaced, in order additionally to cool the surface region OFB of the burner tip 19 by an air flow. which results in a further improved cooling effect.
Die Luftkanalstruktur 21, weist in dem Eintrittsbereich EB Öffnungen 25 in der Seitenwand auf, die den (zentralen) Luftkanal 20 fluidisch mit einem den Luftkanal ringförmig umgebenden Ringraum bzw. einer Mehrzahl von einzelnen Luftkanälen verbinden. The air channel structure 21 has, in the inlet region EB, openings 25 in the side wall which fluidly connect the (central) air channel 20 with an annular space annularly surrounding the air channel or a plurality of individual air channels.
Die genannten einzelnen Luftkanäle 20 schneiden gemäß der Ausgestaltung der Luftkanalstruktur 21 vorzugsweise zumindest teilweise den Verlauf der Brennstoffkanalstruktur 33. The individual air ducts 20 mentioned, according to the embodiment of the air duct structure 21, preferably at least partially intersect the course of the fuel duct structure 33.
Die genannten Luftkanäle können gemäß der Darstellung der Figur 4 weiterhin in verschiedenen Austrittswinkeln, beispielsweise Austrittswinkel zwischen 60° und 120° relativ zu der Oberfläche OF oder einer entsprechenden Oberflächennormalen in den Brennraum BR führen. Die genannten Austrittswinkel derAccording to the representation of FIG. 4, said air ducts can furthermore lead into the combustion chamber BR at different exit angles, for example exit angles between 60 ° and 120 ° relative to the surface OF or a corresponding surface normal. The mentioned exit angle of the
Brennstoffkanäle 33 können beispielsweise entlang der Symmetrieachse der Brennerspitze 19 variieren. Mit kleiner werdenden Austrittswinkeln (beispielweise kleiner als 90°) kann eine Filmkühlung an der Oberfläche OF der brennerspitze 19 stärker oder schwächer ausgebildet werden. For example, fuel channels 33 may vary along the symmetry axis of the burner tip 19. With decreasing exit angles (for example less than 90 °), film cooling on the surface OF of the burner tip 19 can be made stronger or weaker.
Weiterhin können die Luftkanalstruktur 21 und die Brennstoffkanalstruktur 32 Kanalquerschnitte definieren, welche eine von einer runden, insbesondere kreisförmigen Form abweichende Querschnittsform haben. Insbesondere können die genannten Kanalstrukturen sternförmig und/oder elliptisch sein. All diese Geometrieen sind mit dem beschriebenen additiven Fertigungsverfahren auf einfache Weise herstellbar und erlauben somit die Nutzung der erfinderischen Vorteile der vorliegenden Erfindung . Furthermore, the air channel structure 21 and the fuel channel structure 32 can define channel cross sections which have a cross-sectional shape deviating from a round, in particular circular, shape. In particular, the mentioned channel structures can be star-shaped and / or elliptical. All these geometries can be produced in a simple manner with the described additive manufacturing method and thus permit the use of the inventive advantages of the present invention.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Oberfläche OF durch eine offenporöse Wandstruktur (nicht explizit gekennzeichnet) gebildet sein, die eine Vielzahl von Luftkanälen 20 definiert. Diese Geometrie kann ebenfalls vorteilhafterweise durch additive Fertigungstechnologie realisiert werden und zu einer verbesserten Kühlung der Brennerspitze im Betrieb bei- tragen. In a further embodiment, the surface OF may be formed by an open-porous wall structure (not explicitly marked) that defines a plurality of air channels 20. This geometry can also advantageously be realized by additive manufacturing technology and contribute to improved cooling of the burner tip during operation.
Figur 5 zeigt - analog zur Darstellung der Figur 3 - eine Querschnittsansicht der Brennerspitze (senkrecht zu der Symmetrieachse geschnitten) gemäß der in Figur 4 beschriebenen Ausgestaltung der Brennerspitze. Im Unterschied zur Darstellung der Figur 3 ist in Figur 5 zu erkennen, dass zusätzliche kreisförmige Luftöffnungen 35 vorgesehen sind, welche die Kühlwirkung für die Brennerspitze 19 durch eine Luftkühlung (zusätzlich zu der Brennstoffkühlung) bewirken (vgl. Figur 4) . Die gestrichelten Pfeile entspringen den Öffnungen 35 und sollen eine Luftströmung andeuten, während die durchgezogenen Pfeile - analog zur Darstellung der Figur 3 - die Umlenkung der BrennstoffStrömung gemäß der vorliegenden Erfindung andeuten . FIG. 5 shows-analogously to the representation of FIG. 3 -a cross-sectional view of the burner tip (cut perpendicular to the axis of symmetry) according to the embodiment of the burner tip described in FIG. In contrast to the representation of FIG. 3, it can be seen in FIG. 5 that additional circular air openings 35 are provided which bring about the cooling effect for the burner tip 19 by air cooling (in addition to the fuel cooling) (compare FIG. The dashed arrows spring from the openings 35 and are intended to indicate an air flow, while the solid arrows - analogous to the representation of Figure 3 - indicate the deflection of the fuel flow according to the present invention.
In Figur 6 ist ausschnitthaft dargestellt, wie ein Bauteil 19 gemäß Figur 2 oder Figur 4 durch Laserschmelzen mit einem Laserstrahl 37 hergestellt werden kann. Dargestellt ist der Ausschnitt eines Pulverbetts 36, in dem ein Teil der Luftka- nalstruktur 21 und/oder der Brennstoffkanalstruktur 32 hergestellt wird. Die Brennstoffkanalstruktur 32 ist beispielsweise analog zur Darstellung der Figur 2 ausgeführt und weist unter anderem vorzugsweise die oben beschriebenen Lamellen (in Figur 6 nicht eingezeichnet) auf und definiert ebenso die erfinderische Umlenkung des Brennstoffkanals . FIG. 6 shows a detail of how a component 19 according to FIG. 2 or FIG. 4 can be produced by laser melting with a laser beam 37. Shown is the section of a powder bed 36, in which a part of the air duct structure 21 and / or the fuel channel structure 32 is produced. The fuel channel structure 32 is embodied, for example, analogously to the representation of FIG. 2 and preferably has inter alia the lamellae described above (not shown in FIG. 6) and likewise defines the inventive deflection of the fuel channel.
Nach der Herstellung der fertiggestellten Struktur muss das Pulver 36 aus den entsprechenden Hohlräumen, die das Luftka- nal- bzw. das Brennstoffkanal -System bzw. die entsprechenden Kanalstrukturen bilden, entfernt werden. Dies kann beispielsweise durch Absaugen, Rütteln oder Ausblasen erfolgen. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombi - nation selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. After the finished structure has been fabricated, the powder 36 must be removed from the respective cavities containing the air chamber. nal- or form the fuel channel system or the corresponding channel structures are removed. This can be done for example by suction, shaking or blowing. The invention is not limited by the description based on the embodiments of these, but includes each new feature and any combination of features. This includes in particular any combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.

Claims

Patentansprüche claims
1. Brennerspitze (19) zum Einbau in einen Brenner (11), wobei die Brennerspitze (19) eine einem Brennraum (BR) zuge- wandte Oberfläche (OF) und eine zu der Oberfläche (OF) führende und einen Luftkanal (20) definierende Luftkanalstruktur (21) sowie eine zu der Oberfläche (OF) führende Brennstoffka- nalstruktur (32) aufweist, und wobei die Brennstoffkanal - struktur (32) einen Brennstoffkanal (33) definiert, welcher in einem Oberflächenbereich (OFB) der Brennerspitze (19) entlang einer ersten Richtung parallel zu der Oberfläche (OF) verläuft und sich anschließend in dem Oberflächenbereich (OFB) entlang einer zweiten, von der ersten Richtung (1R) verschiedenen Richtung (2R) zumindest teilweise zurücker- streckt, um den Oberflächenbereich (OFB) der BrennerspitzeA burner tip (19) for installation in a burner (11), the burner tip (19) defining a surface (OF) facing a combustion chamber (BR) and defining an air channel (20) leading to the surface (OF) Air duct structure (21) and a fuel channel (32) leading to the surface (OF), and wherein the fuel channel structure (32) defines a fuel channel (33) which in a surface area (OFB) of the burner tip (19) along a first direction parallel to the surface (OF) and then in the surface area (OFB) along a second, from the first direction (1R) different direction (2R) at least partially back to the surface area (OFB) of the burner tip
(19) durch einen im Betrieb der Brennerspitze (19) durch den Brennstoffkanal (33) strömenden Brennstoff zu kühlen. (19) to cool by a in the operation of the burner tip (19) through the fuel passage (33) flowing fuel.
2. Brennerspitze (19) nach Anspruch 1, wobei sich der 2. burner tip (19) according to claim 1, wherein the
Brennstoffkanal (33), ausgehend von seinem Verlauf entlang der ersten Richtung (1R) in ein Inneres der Brennerspitze (19) erstreckt und anschließend über mindestens eine weitere Richtungsänderung, beispielsweise eine Ablenkung zwischen 70° und 110°, in die Oberfläche (OF) mündet. Starting from its course along the first direction (1R), the fuel channel (33) extends into an interior of the burner tip (19) and then opens into the surface (OF) via at least one further change in direction, for example a deflection between 70 ° and 110 ° ,
3. Brennerspitze (19) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Richtung (1R) einen Winkel zwischen 160° und 200° relativ zu der zweiten Richtung (1R) einschließt. 4. Brennerspitze (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brennstoffkanal (33) nach seinem Verlauf entlang der ersten Richtung (1R) und vor einer Mündung in die Oberfläche (OF) einen Bereich (B) mit vergrößertem Querschnitt aufweist. A burner tip (19) according to claim 1 or 2, wherein the first direction (1R) includes an angle between 160 ° and 200 ° relative to the second direction (1R). 4. burner tip (19) according to any one of the preceding claims, wherein the fuel channel (33) after its course along the first direction (1R) and before an orifice in the surface (OF) has a region (B) with an enlarged cross-section.
5. Brennerspitze (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Luftkanalstruktur (21) einen zentralen Luftka- nal (20) umfasst, der zu einer zentralen Austrittsöffnung (24) in der Brennerspitze (10) führt. 5. burner tip (19) according to any one of the preceding claims, wherein the air duct structure (21) has a central Luftka- Nal (20) which leads to a central outlet opening (24) in the burner tip (10).
6. Brennerspitze (19) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, wobei die Brennerspitze (10) einen Eintrittsbereich (EB) aufweist, in dem sowohl der Luftkanal (20) als auch der 6. burner tip (19) according to one of the preceding claims, wherein the burner tip (10) has an inlet region (EB), in which both the air duct (20) and the
Brennstoffkanal (33) koaxial verlaufen, und einen entlang einer Symmetrieachse (14) versetzt zu dem Eintrittsbereich (EB) , einen Austrittsbereich (AB) aufweist. Fuel channel (33) extend coaxially, and one along an axis of symmetry (14) offset from the inlet region (EB), an outlet region (AB).
7. Brennerspitze (19) nach Anspruch 6, wobei der Brennstoffkanal (33) in dem Eintrittsbereich (EB) radial außerhalb des Luftkanals (20) verläuft. 8. Brennerspitze (19) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der7. burner tip (19) according to claim 6, wherein the fuel passage (33) in the inlet region (EB) radially outside of the air passage (20). 8. burner tip (19) according to claim 6 or 7, wherein the
Brennstoffkanal (33) in dem Austrittsbereich (AB) zumindest teilweise radial innerhalb des Luftkanals (20) verläuft. Fuel passage (33) in the outlet region (AB) at least partially radially within the air passage (20).
9. Brennerspitze (19) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, wobei der Brennstoffkanal (33) und der Luftkanal (20), verschachtelt verlaufen, um den Oberflächenbereich (OFB) der Brennerspitze (BS) zusätzlich durch eine Luftströmung zu kühlen . 10. Brennerspitze (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffkanalstruktur (32) Lamellen (39) aufweist, welche den Brennstoffkanal (33) in eine Mehrzahl von Teilkanälen (34) unterteilen. 11. Brennerspitze (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffkanalstruktur (32) in dem Eintrittsbereich (EB) eine Ringkammer definiert und wobei die Brennstoffkanalstruktur (32) derart geformt ist, dass der Brennstoffkanal (33) nach seinem Verlauf entlang der zweiten Rich- tung (2R) und vor seiner Mündung in die Oberfläche (OF) durch die Ringkammer verläuft . 9. Burner tip (19) according to any one of the preceding claims, wherein the fuel channel (33) and the air channel (20), interlaced to additionally cool the surface area (OFB) of the burner tip (BS) by an air flow. 10. burner tip (19) according to any one of the preceding claims, wherein the fuel passage structure (32) lamellae (39) which divide the fuel passage (33) into a plurality of sub-channels (34). 11. burner tip (19) according to any one of the preceding claims, wherein the fuel channel structure (32) in the inlet region (EB) defines an annular chamber and wherein the fuel channel structure (32) is shaped such that the fuel channel (33) along its course along the second Direction (2R) and before its mouth into the surface (OF) by the annular chamber runs.
12. Brennerspitze (19), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Luftkanal (20) zumindest teilweise durch den Brennstoffkanal (33) hindurch verläuft, und wobei die Luftkanalstruktur (21) eine Vielzahl von Luftkanälen (20) aufweist, welche in verschiedenen Austrittswinkeln relativ zu der Oberfläche (OF) in den Brennraum (BR) führen. 12. A burner tip (19) according to any one of the preceding claims, wherein the air passage (20) at least partially through the fuel passage (33) passes therethrough, and wherein the air passage structure (21) has a plurality of air passages (20), which at different exit angles relative to the surface (OF) into the combustion chamber (BR) lead.
13. Brennerspitze (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Luftkanalstruktur (21) und die Brennstoffka- nalstruktur (32) Kanalquerschnitte definieren, welche eine von einer runden, insbesondere kreisförmigen Form abweichende Querschnittsform haben. 13. Burner tip (19) according to any one of the preceding claims, wherein the air channel structure (21) and the Brennstoffka- nalstruktur (32) channel cross-sections define which have a different from a round, in particular circular shape cross-sectional shape.
14. Brennerspitze (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche (OF) durch eine offenporöse Wandstruktur (40) gebildet ist, die eine Vielzahl von Luftkanälen (20) definiert. A burner tip (19) according to any one of the preceding claims, wherein the surface (OF) is formed by an open porous wall structure (40) defining a plurality of air channels (20).
15. Brennerspitze (19) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, wobei die Brennerspitze (19) additiv in einem Stück hergestellt wird. 15. Burner tip (19) according to any one of the preceding claims, wherein the burner tip (19) is produced additively in one piece.
16. Gasturbine, umfassend eine Brennerspitze (19) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche . 16. A gas turbine, comprising a burner tip (19) according to one of the preceding claims.
17. Verfahren zum Herstellen einer Brennerspitze (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennerspitze (19) additiv in einem Stück hergestellt wird. 17. A method for producing a burner tip (19) according to any one of the preceding claims, wherein the burner tip (19) is produced additively in one piece.
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