DE102012217535A1

DE102012217535A1 - Gasturbine mit einem Wärmeflusssensor

Info

Publication number: DE102012217535A1
Application number: DE102012217535.0A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-03-27
Also published as: CN104769230A; JP2016500780A; US20150247418A1; EP2898188A1; WO2014049041A1; CN104769230B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine (18) mit einem Wärmeflusssensor (10), welcher an einer Oberfläche eines Bauteils (20) der Gasturbine (18) angeordnet und als Thermoelement ausgebildet ist, wobei der Wärmeflusssensor (10) ein transversales thermoelektrisches Element ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem Wärmeflusssensor nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Um Wirkungsgrad und Energieeffizienz von industriellen Gasturbinen zu steigern, werden zunehmend höhere Verbrennungstemperaturen im Brennraum solcher Turbinen angestrebt. Die resultierenden Materialbelastungen machen es notwendig, die Betriebsparameter und den Zustand von Komponenten von Gasturbinen genau zu überwachen.
Um die teilweise in miteinander in Konflikt stehenden Anforderungen an Energieausbeute, Emissionskontrolle und Verschleiß optimieren zu können, ist es dabei von besonderer Bedeutung, die Temperaturen der Gasturbine zu überwachen. Insbesondere Verschleißprozesse wie Oxidation und Kriechen sind thermisch aktiviert und in der Regel exponentiell temperaturabhängig.
Aufgrund der hohen Temperaturen in den zu überwachenden Bereichen sind an die verwendeten Sensoren insbesondere in Hinblick auf deren langfristige funktionale Integrität selbst hohe Anforderungen zu stellen.
Neben den Temperaturen müssen auch Wärmeströme durch die thermische Barriereschicht von Turbinenbauteilen überwacht werden. Hierzu ist es bekannt, Stapel von Thermoelementen in die Barriereschicht einzubetten. Aus den gemessenen Temperaturen in unterschiedlichen Tiefen der Barriereschicht kann dann auf den Wärmestrom durch die Barriereschicht geschlossen werden.
Solche Wärmeflusssensoren sind jedoch äußerst aufwändig in der Herstellung sowie bezüglich der elektrischen Kontaktierung unter Betriebsbedingungen einer Gasturbine.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasturbine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welche eine einfache und zuverlässige Messung des Wärmestroms ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Gasturbine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 gelöst.
Eine solche Gasturbine umfasst einen Wärmeflusssensor, welcher an einer Oberfläche eines Bauteils der Gasturbine angeordnet und als Thermoelement ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Wärmeflusssensor ein transversales thermoelektrisches Element ist.
Transversale thermoelektrische Elemente beruhen auf der Verwendung anisotroper thermoelektrischer Materialien, deren Seebecktensor von Null verschiedene Nichtdiagonalelemente aufweist. Hieraus resultiert eine Spannung senkrecht zu einem auf das thermoelektrische Element wirkenden Temperaturgradienten.
Auf diese Weise ist es möglich, mit einem einzigen Sensor den Wärmefluss in der Gasturbine zu erfassen, ohne das komplexe Arrangements, wie beispielsweise Stapel von Thermoelementen, nötig sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmeflusssensor aus monokristallinem Zinkoxid besteht. Zinkoxid besitzt eine intrinsische Anisotropie bzgl. seiner thermoelektrischen Eigenschaften, kann durch Sputtern in monokristalliner Form mit gegebener Achsneigung aufgebracht werden und ist unter Betriebsbedingungen einer Gasturbine stabil.
Um den gewünschten Wärmefluss aus der Thermospannung ermitteln zu könne, ist es zweckmäßig, das thermoelektrische Element so anzuordnen, dass die kristallographische c-Achse des Zinkoxids gegenüber einer Flächennormalen der Oberfläche des Bauteils verkippt ist.
Vorzugsweise ist der Wärmeflusssensor unterhalb einer thermischen Barriereschicht des Bauteils angeordnet, so dass er zum einen selbst den Schutz der Barriereschicht genießt und zum anderen den Wärmefluss durch die Barriereschicht exakt erfassen kann.
Es ist ferner zweckmäßig, wenn zwischen dem Wärmeflusssensor und der Oberfläche des Bauteils eine elektrische Isolierschicht angeordnet ist, so dass der Wärmeflusssensor nicht durch die leitfähige Oberfläche des Bauteils kurzgeschlossen wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind Anschlussleitungen für den Wärmeflusssensor zwischen der elektrischen Isolierschicht und der thermischen Barriereschicht angeordnet, so dass die Leitungen selbst ebenfalls durch die Barriereschicht geschützt werden.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines transversalen thermoelektrischen Sensors; und
2 eine schematische Schnittdarstellung durch den Anbringungsbereich eines Wärmeflusssensors in einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gasturbine.
Ein transversaler thermoelektrischer Sensor 10 besteht aus einem Material mit intrinsischer Anisotropie bzgl. des thermoelektrischen Effekts, wie beispielsweise aluminiumdotiertem monokristallinem Zinkoxid, welches so angeordnet wird, dass die kristallographische c-Achse gegenüber einem zu messenden Wärmestrom verkippt ist. Entlang des Wärmestroms durch den Sensor 10 stellt sich ein Temperaturgradient ein, welcher wiederum eine senkrecht zum Wärmestrom stehende Potentialdifferenz verursacht, so dass an den Seitenflächen 12, 14 des Sensors 10 eine Spannung abgegriffen werden kann, welche proportional zum Wärmefluss ist.
Zur Messung des Wärmeflusses durch eine thermische Barriereschicht 16 einer Gasturbine 18, die in 2 ausschnittsweise dargestellt ist, wird zunächst auf ein Bauteil 20 – insbesondere eine Brennkammerwandung der Gasturbine – eine elektrische Isolierschicht 22 aufgebracht. Auf die Isolierschicht wird, beispielsweise durch Sputtern, der Sensor 10 aufgetragen und an seinen Seitenflächen 12, 14 mit elektrischen Verbindungsleitungen 24 kontaktiert.
Über den Sensor 10 und die Verbindungsleitungen 24 wird schließlich die thermische Barriereschicht 16 aufgetragen. Dies kann beispielsweise durch thermisches Spritzen einer hochtemperaturstabilen Keramik geschehen.
Beim Betrieb der Gasturbine stellt sich ein Wärmestrom durch die Barriereschicht 16 und damit auch durch den Sensor 10 ein. Da dieser so angeordnet ist, dass die kristallographische c-Achse gegenüber der Flächennormalen des Bauteils 20 verkippt ist, entsteht eine Potentialdifferenz zwischen den Seitenflächen 12, 14, die über die Verbindungsleitungen 24 abgegriffen und mit einem Voltmeter 26 erfasst werden kann.
Aus der erfassten transversalen Thermospannung kann unter Berücksichtigung der Geometrie des Sensors 10 der Wärmestrom durch die thermische Barriere ermittelt werden. Insbesondere von Bedeutung ist hierbei das Verhältnis zwischen Länge und Dicke des Sensors 10, da für einen gegebenen Wärmestrom die Thermospannung mit steigendem Verhältnis ebenfalls steigt.
Insgesamt wird so eine Gasturbine bereitgestellt, in welcher auf einfache und zuverlässige Weise der Wärmefluss durch die thermische Barriereschicht überwacht werden kann, so dass deren Barrierewirkung unter Betriebsbedingungen stets zuverlässig kontrollierbar ist.

Claims

Gasturbine (18) mit einem Wärmeflusssensor (10), welcher an einer Oberfläche eines Bauteils (20) der Gasturbine (18) angeordnet und als Thermoelement ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeflusssensor (10) ein transversales thermoelektrisches Element ist.
Gasturbine (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeflusssensor (10) aus monokristallinem Zinkoxid besteht.
Gasturbine (18) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kristallographische c-Achse des Zinkoxids gegenüber einer Flächennormalen der Oberfläche des Bauteils (20) verkippt ist.
Gasturbine (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeflusssensor (10) unterhalb einer thermischen Barriereschicht (16) des Bauteils (20) angeordnet ist.
Gasturbine (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wärmeflusssensor (10) und der Oberfläche des Bauteils (20) eine elektrische Isolierschicht (22) angeordnet ist.
Gasturbine (18) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlussleitungen (24) für den Wärmeflusssensor (10) zwischen der elektrischen Isolierschicht (22) und der thermischen Barriereschicht (16) angeordnet sind.