CN101405422A - 隔热层系统 - Google Patents

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Abstract

为了改善隔热层的耐久性，尤其是在由高的表面温度和温度瞬间引起的对燃气涡轮机来说典型的负荷的情况下，本发明提出了一种隔热层系统(1)，该隔热层系统具有第一主侧面(4)和第二主侧面(5)，该第一主侧面为了邻接有待热防护的部件(30)布置而进行设置，该第二主侧面为了邻接热环境(2)布置而进行设置。该隔热层系统(1)包括具有不同的热膨胀系数的区段(5，6)。

Description

隔热层系统
技术领域
本发明涉及一种具有第一主侧面和第二主侧面的隔热层系统，该第一主侧面为了邻接有待热防护的部件布置而进行设置，该第二主侧面为了邻接热环境布置而进行设置。
背景技术
在燃气涡轮机中有效使用陶瓷的隔热层的前提条件除了成本有利的处理工艺尤其是在燃气涡轮机的典型使用条件下的结构稳定性以及由此隔热层的可靠性。如此，例如在发电站应用的领域内必须保证25000运行小时以上的无故障的功能，该时间相应于力求达到的检验周期。隔热层过早的故障会导致基材的过热以及可能导致涡轮机损坏。由此造成的操作故障成本和修复成本会是巨大的，并且可能会取消隔热层在工艺上的使用。
在保护资源和保护环境地产生能量的道路上，效率提升起着重要的作用。提升燃气涡轮机的效率的决定性的参数是涡轮机入口温度。为了将燃气涡轮机在涡轮机入口温度为1230℃(ISO)时大约38％的效率提升到45％，需要将涡轮机入口温度提高到大约1350℃。除了使用改善的基材和有效的冷却方法，在使用陶瓷隔热层的情况下可以达到该目的。在此，可以通过陶瓷的隔热层的隔热作用在保持相同的冷却条件的情况下根据隔热层的厚度将允许的表面温度提高几百个K。
为了可以在通过高的表面温度和温度瞬间对燃气涡轮机进行典型加载的情况下确保和改善隔热层的耐久性，由现有技术公开了不同的方案：
1.通过使用烧结的耐久的陶瓷材料可以改善隔热层的温度稳定性。由此可以限制在高温下隔热层材料的不断的压缩和隔热层的与之相关的收缩过程。
2.通过有目的地将微小裂纹或沟纹结构即所谓的雕刻置入隔热层中，可以提高隔热层的延伸率公差。在此，有目的地产生由减负裂纹和减负沟纹构成的紧密的网纹，由此可以提高出现剪切损坏的负荷极限。
3.在预先给定的温度区域内抑制相转变，例如通过添加钇来稳定ZrO2的四角形的相和与之相关的效应比如转变时的体积膨胀，引起隔热层负荷的明显减少。
4.通过将隔热层的热膨胀系数与有待热防护的部件的所使用的金属基材匹配也会减少隔热层的损坏。通过使隔热层的热膨胀系数与基材的热膨胀系数相适应，可以减少由在热方面的不匹配在隔热层中出现的延伸率的大小，尤其是在隔热层和朝基材的增附剂层之间的界面附近出现的延伸率。
发明内容
本发明的任务是进一步改善隔热层的耐久性，尤其是在由高的表面温度和温度瞬间引起的对燃气涡轮机来说典型的负荷的情况下。
该任务通过具有权利要求1所述特征的隔热层系统得到解决。有利的设计方案由从属权利要求中获得。
按本发明的隔热层系统具有第一主侧面和第二主侧面，该第一主侧面为了邻接有待热防护的部件布置而进行设置，该第二主侧面为了邻接热环境布置而进行设置。按本发明，该隔热层系统包括具有不同的热膨胀系数的区段。
本发明基于这个认识，即通过使隔热层的热膨胀系数与有待热防护的部件的基材的热膨胀系数相适应虽然可以减少隔热层的在隔热层和连接隔热层与基材的增附剂层之间的界面附近的延伸率。然而由于隔热层的第二主侧面和隔热层的构成界面的第一主侧面之间大的温度差，由此会在第二主侧面上导致产生显著的延伸率。尤其在所谓的加热或冷却冲击时会是这样的情况。在此，该延伸率随着隔热层的热膨胀系数的大小以及第一与第二主侧面之间的温度差而增加。所以，隔热层的热膨胀系数在一侧与通常由金属(例如镍基超合金)制成的基材的比较大的热膨胀系数的匹配会在第二主侧面上产生不利影响。尤其随着开头所提到的朝更高的表面温度发展的趋势，损坏危险将会增加。
所以为了避开该问题，本发明提出一种隔热层系统，该隔热层系统包括具有不同的热膨胀系数的区段。由此可以避免在隔热层系统的第二主侧面的区域内过大的延伸率。由此减少了损坏危险。
尤其这样设置，即隔热层系统的邻接有待热防护的部件的第一区段具有与部件的热膨胀系数匹配的第一热膨胀系数。此外，隔热层系统的至少一个第二区段具有较小的第二热膨胀系数。由此，本发明以该原则为基础，随着隔热层系统上增加的温度按区段地减少热膨胀系数。
邻接第二主侧面的第二区段具有隔热层系统中最小的热膨胀系数，由此将隔热层系统的第二主侧面上的延伸率减少到最低程度。如此选择邻接第二主侧面的第二区段的第二热膨胀系数，即在典型的工作条件下出现在第二主侧面上的延伸率处于指定的区域内。该指定的区域可以通过根据隔热层系统的温度测量延伸率公差来确定。热膨胀系数的最佳值可以从负荷模拟的结果与测量的延伸率公差范围的比较中求得。
将隔热层系统构造成由面对有待热防护的部件的第一隔热层和面对热环境的第二隔热层组成的复合体就足够了。只有两个隔热层的设置是尽可能最简单的结构，从而可以以简单以及相对成本有利的方法提供隔热层系统。当然不排除将隔热层系统构造成由多于两个的层组成的复合体。
证实有利的是，第一隔热层具有1.0·10-5K-1范围内的热膨胀系数。而第二隔热层在一种实施方式中具有8.0·10-6K-1范围内的热膨胀系数。
隔热层系统可以由下面的材料组合中的一种制成，其中第一值表示第一隔热层的材料并且第二值表示第二隔热层的材料：
-7YSZ/La2Hf2O7；
-7YSZ/BaZrO3；
-7YSZ/LaYbO3，
其中7YSZ＝二氧化锆，用重量百分比7％的氧化钇来稳定。在1000℃的温度下，热膨胀系数CTE如下：
-CTE7YSZ～10-5K-1；
-CTELaHfO～8.0·10-6K-1；
-CTEBaZrO～8.3·10-6K-1；
-CTELaYbO～8.6·10-6K-1。
为了获得高的机械稳定性，通过等离子喷射方法将第一和第二隔热层相互连接。
附图说明
本发明以及其优点在下面根据附图进行详细解释。其中：
图1是按本发明的隔热层系统的横截面，该隔热层系统安置在有待热防护的部件上，以及
图2是x-y图，从该图中示出了在燃气涡轮机的典型工作条件下出现在隔热层表面上的延伸率。
具体实施方式
图1以横截面图示出了按本发明的隔热层系统1。该隔热层系统1以第一主侧面2通过增附剂层31安置在有待热防护的部件30上。该有待热防护的部件30例如由金属制成，例如由镍基超合金制成。该有待热防护的部件30例如可以是燃气涡轮机的叶片。该隔热层系统1以第二主侧面3暴露在热环境4下。
该隔热层系统1示例性地包括分别具有不同的热膨胀系数CTE1，CTE2的第一区段5和第二区段6。第一区段5的热膨胀系数CTE1与部件30材料的热膨胀系数相匹配，而第二区段6的材料由对温度变化稳定的材料制成，该材料具有比第一区段5更小的热膨胀系数CTE2。
该隔热层系统1构造成由隔热层8和隔热层9组成的复合体，这两个隔热层例如以等离子喷射方法在界面的区域内相互连接。在此，隔热层8形成了第一区段5并且隔热层9形成了第二区段6。
通过隔热层系统1的按区段不同的热膨胀系数，可以显著减少隔热层的损坏危险，尤其是在冷却的情况下。另一方面也获得了提高允许的表面温度、也就是说隔热层系统第二主侧面3上的温度的可能性，由此如开头所述，获得在使用在燃气涡轮机中时提高的效率。
由此，本发明是通过附加地匹配温度关于隔热层系统1厚度在空间和时间上所期望的分布来扩展隔热层的热膨胀系数与部件30的所使用的基材的至今为止所规定的匹配。由此可以减少在隔热层或者说隔热层系统中出现的机械载荷，并且尤其是提高了关于最大表面温度的使用极限。
如在图1中示例性地示出，该第一和第二隔热层8，9可以是大致相同厚度的。在此，按本发明的隔热层系统1的总厚度大致相应于常规的隔热层的厚度。邻接有待热防护的部件30的第一隔热层例如由7YSZ(二氧化锆，用重量百分比7％的氧化钇来稳定)制成，其中该材料具有在1000℃时大约10-5K-1的热膨胀系数。邻接热环境4的第二隔热层9的材料例如由以下材料中的一种制成，其中在括号里分别说明了在1000℃时的热膨胀系数：
-7YSZ/La2Hf2O7，其中CTELaHfO(1000℃)～8.0·10-6K-1；
-7YSZ/BaZrO3，其中CTEBaZrO(1000℃)～8.3·10-6K-1；
-7YSZ/LaYbO3，其中CTELaYbO(1000℃)～8.6·10-6K-1。
图2示出了隔热层系统1关于其厚度x的延伸率的曲线。在x轴上绘出了隔热层系统1中的标准化的位置x。用x0表示隔热层系统1与增附剂层31的界面(也就是第一主侧面2)。用x1表示隔热层系统1的表面，也就是第二主侧面3。在y轴上示出了在各个隔热层8(具有热膨胀系数CTE1)和9(具有热膨胀系数CTE2)中的延伸率(“WDS延伸率”)。在此，负值表示压缩延伸率，正值表示拉伸延伸率。
该图示出了在冷却后的工作状态中的延伸率变化曲线。在此假设，安置在有待热防护的部件30上的隔热层系统1的整个装置在运行期间在高温下是无应力的。
为了更好地阐述本发明，在图表中一共画出了三条延伸率变化曲线DV1，DV2和DV3。DV1表示邻接有待热防护的部件30的第一隔热层8中的延伸率变化曲线。DV1用实线进行绘制。DV2表示邻接热环境4的第二隔热层9中的延伸率变化曲线。DV2用虚线示出。在此为了说明，分别关于整个厚度x绘出了延伸率变化曲线DV1和DV2，并且不只在涉及的隔热层8或者说9中绘出。最后，DV3表示在按本发明的隔热层系统1中的延伸率变化曲线，该延伸率变化曲线在第一和第二隔热层8，9之间形成的界面7的区域内具有突变。
第二隔热层9的材料的减少的热膨胀系数CTE2使得在典型工作条件下出现在隔热层系统的表面(x轴的x1)上的延伸率处于延伸率公差的指定的区域DT内。可以通过测量取决于隔热层系统1的温度的延伸率公差来确定该区域DT。热膨胀系数的最佳值必须从负荷模拟的结果与测量的延伸率公差范围的比较中求得，该最佳值是曲线的在x＝0.5和x＝1.0之间的区域内延伸的区段的斜率。
通过按本发明的规定，隔热层系统1中的延伸率变化曲线不在拉伸延伸率区域内(参见延伸率变化曲线DV3，该延伸率变化曲线在x1的区域内处于指定的区域DT内部)。由此可以避免在表面(第二主侧面3)上的损坏整个装置的垂直应力。

Claims (9)

1.具有第一主侧面(4)和第二主侧面(5)的隔热层系统(1)，该第一主侧面为了邻接有待热防护的部件(30)布置而进行设置，该第二主侧面为了邻接热环境(2)布置而进行设置，其中所述隔热层系统(1)包括具有不同的热膨胀系数的区段(5，6)。
2.按权利要求1所述的隔热层系统，其特征在于，
-所述隔热层系统(1)的邻接有待热防护的部件(30)的第一区段(5)具有与部件(30)的热膨胀系数匹配的第一热膨胀系数，并且
-所述隔热层系统(1)的至少一个第二区段(6)具有较小的第二热膨胀系数。
3.按权利要求1或2所述的隔热层系统，其特征在于，邻接第二主侧面(5)的第二区段(6)具有隔热层系统(1)中最小的热膨胀系数。
4.按上述权利要求中任一项所述的隔热层系统，其特征在于，选择邻接第二主侧面(5)的第二区段(6)的第二热膨胀系数，使得在典型的工作条件下出现在第二主侧面(5)上的延伸率处于指定的区域内。
5.按上述权利要求中任一项所述的隔热层系统，其特征在于，所述隔热层系统构造成由面对有待热防护的部件的第一隔热层(8)和面对热环境(4)的第二隔热层(9)组成的复合体。
6.按权利要求5所述的隔热层系统，其特征在于，所述第一隔热层(8)具有1.0·10-5K-1范围内的热膨胀系数。
7.按权利要求5或6所述的隔热层系统，其特征在于，所述第二隔热层(9)具有8.0·10-6K-1范围内的热膨胀系数。
8.按权利要求5到7中任一项所述的隔热层系统，其特征在于，所述隔热层系统由下面的材料组合中的一种制成，其中第一值表示第一隔热层(8)的材料并且第二值表示第二隔热层(9)的材料：
-7YSZ/La2Hf2O7；
-7YSZ/BaZrO3；
-7YSZ/LaYbO3，
其中7YSZ＝二氧化锆，用重量百分比7％的氧化钇来稳定。
9.按权利要求5到8中任一项所述的隔热层系统，其特征在于，通过等离子喷射方法将第一和第二隔热层(8，9)相互连接。
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