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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine umfassend einen Rotor mit einer Vielzahl von Rotorschaufeln und ein Gehäuse, wobei zumindest die Spitzen der Rotorschaufeln mit einem Hartstoff beschichtet sind und am Gehäuse im Bereich der Rotorschaufeln eine Anstreifschicht angebracht ist, und wobei zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein Spalt ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung solcher Verfahren sowie eine Gasturbine mit einer derartigen Steuerungseinrichtung.
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In jeder Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, gibt es im Strömungskanal zwischen den rotierenden Bauteilen (i.d.R. die Laufschaufeln des Rotors, nachstehend auch als Rotorschaufeln bezeichnet) und dem Gehäuse radiale Spalte. Durch diese Spalte kommt es zu Druckverlusten, welche den Wirkungsgrad des Prozesses verringern. Daher werden die Spalte beim Design der Gasturbine so klein wie möglich gewählt.
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Während des Betriebs der Gasturbine verändert sich die Größe der Spalte. Die Ursachen dafür sind vielfältig, beispielsweise unterschiedliche Erwärmungs- oder Abkühlungsgeschwindigkeit von Gehäuse und Schaufeln (insbesondere im transienten Betrieb), Deformation der Wellenlagerung bei Erwärmung, Ovalität bzw. ungleichmäßige Deformation des Gehäuses bei Erwärmung durch unsymmetrische Kühlluftzufuhr oder unsymmetrisches Gehäusedesign, ungleichmäßiges Altern (Kriechen) der Bauteile, etc. Dies führt dazu, dass es insbesondere beim transienten Betrieb der Gasturbine zu einem Anstreifen der Rotorschaufeln am Gehäuse kommen kann. Die Rotorschaufeln verkürzen sich dadurch, so dass im folgenden Volllast-Betrieb permanent größere Spalte und somit größere Verluste entstehen.
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Aus der
US 8,682,563 B2 ist z.B. ein System zum Vorhersagen des Turbinenreibens bekannt.
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Um einen maximalen Gasturbinenwirkungsgrad zu gewährleisten, ist es von entscheidender Bedeutung, die Spalte zwischen den rotierenden und den statischen Bauteilen während des Betriebs möglichst klein zu halten. Bei einem konischen Strömungskanal ist eine Möglichkeit hierzu, nachdem transiente Phasen durchfahren sind, in welchen die Spalte an den Schaufelspitzen sich maximal verengen, den Rotor im stationären Hochlast-Betrieb z.B. mit einer Hydraulik axial zu verfahren. Wird der Rotor gegen die Strömungsrichtung verfahren, dann reduzieren sich die Spalte.
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Aus der
WO 2014/016153 A1 ist ein Verfahren zur Minimierung eines einstellbaren Spalts zwischen einer Laufschaufel und einem Gehäuse einer Turbine bekannt. Durch Verschiebung von Läufer und Gehäuse gegeneinander soll der Spalt zwischen dem Läufer und dem Gehäuse auf einfache Art und Weise minimiert werden. Dazu wird ein Ausgangssignal eines dem Läufer und/oder dem Gehäuse zugeordneten Körperschallüberwachungssystems als Maß für die Größe des Spalts und damit zur Einstellung eines minimalen Spalts herangezogen.
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Am Turbinengehäuse ist eine abschleifbare Dichtung angebracht, die auch als Anstreifschicht bezeichnet wird. Anstreifdichtungen oder -schichten für die Rotorschaufeln von Gasturbinen, die an der Innenwand des Turbinengehäuses angeordnet sind, werden als Wabenstruktur-Dichtungen (auch „Honeycomb-Dichtung“ genannt) oder als poröse, keramische Beschichtungen ausgebildet. Das Einschneiden der Schaufelspitze in die abschleifbare Dichtung erfolgt ohne einen wesentlichen Verschleiß oder eine wesentliche Beschädigung der Beschichtung oder der Schaufelspitze.
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Um ein Abtragen des Materials an der Spitze der Rotorschaufel zu vermeiden, ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, die Enden bzw. Spitzen der Schaufeln mit einem keramischen Belag oder mit Hartstoffpartikeln bzw. mit abrasiven Partikeln zu panzern. Insbesondere wird kubisches Bornitrid als Hartstoff-Beschichtung verwendet. Eine solche Beschichtung geht z.B. aus der
DE 44 36 186 C2 hervor. Problematisch ist dabei jedoch, dass das kubische Bornitrid bei den Einsatztemperaturen (>1100°C) einer Gasturbine nur eine begrenzte Lebensdauer von mehreren Hundert Stunden hat.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für die beschichteten Spitzen der Rotorschaufel besonders schonenden Betrieb der Gasturbine zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine umfassend einen Rotor mit einer Vielzahl von Rotorschaufeln und ein Gehäuse, wobei zumindest einige der Rotorschaufeln mit einem Hartstoff beschichtet sind und am Gehäuse im Bereich der Rotorschaufeln eine Anstreifschicht angebracht ist, und wobei zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein Spalt ausgebildet ist, wobei die Gasturbine:
- - angefahren wird,
- - mindestens 15 min bei Volllast betrieben wird,
- - abgefahren wird und mehrere Stunden ohne Feuerung bei einer niedrigen Frequenz in Rotation gehalten wird, und
- - erneut hochgefahren wird.
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Ergänzend oder alternativ wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein weiteres Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine umfassend einen Rotor mit einer Vielzahl von Rotorschaufeln und ein Gehäuse, wobei zumindest die Spitzen der Rotorschaufeln mit einem Hartstoff beschichtet sind und am Gehäuse im Bereich der Rotorschaufeln eine Anstreifschicht angebracht ist, und wobei zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein Spalt ausgebildet ist, wobei
- - die Gasturbine angefahren wird,
- - die Gasturbine bei Volllast betrieben wird, bis die Gasturbine vollständig durchgewärmt wird,
- - optional eine Spaltoptimierung, bei der ein axialer Versatz des Rotors und/oder des Gehäuses erfolgt, eingeschalten wird,
- - die Gasturbine in Teillast entlastet wird und mindestens eine Stunde bei Teillast betrieben wird.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des oder der oben beschriebenen Verfahren.
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Die Aufgabe wird schließlich erfindungsgemäß gelöst durch eine Gasturbine mit einer solchen Steuerungseinrichtung.
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Die in Bezug auf die Verfahren nachstehend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf die Steuerungseinrichtung und die Gasturbine übertragen.
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Aus Untersuchungen ist bekannt, in welchen Phasen des transienten Betriebs und an welcher Position das Anstreifen der Schaufelspitzen stattfindet. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, das Anstreifen gezielt zu provozieren, insbesondere das Anstreifen in den ersten Betriebsstunden der Gasturbine als Standard zu etablieren. Der wesentliche Vorteil dabei ist, dass die Beschichtung, die z.B. kubisches Bornitrit enthält, noch intakt ist und somit ein Einreiben in die Anstreifschicht möglich ist, ohne dass sich die Schaufelspitzen verkürzen. Dabei müssen nicht zwingend alle Rotorschaufeln mit Hartstoffpartikeln beschichtet sein, jedoch weisen zumindest 10% der Rotorschaufeln pro Stufe eine Hartstoffbeschichtung auf. Bei den beschichteten Rotorschaufeln ist zudem ausreichend, wenn nur die Spitzen die Beschichtung aufweisen.
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Das Anstreifen tritt insbesondere bei zwei Betriebszuständen auf. Die Erfindung zielt dabei darauf ab, durch unterschiedliche Betriebsweisen diese zwei Betriebszustände gezielt anzufahren.
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Im ersten Fall wird die Gasturbine zunächst wie üblich angefahren und mehrere Minuten oder Stunden (je nach Turbinentyp zwischen 15 min und 100 Stunden), bei Volllast betrieben. Wenn anschließend die Gasturbine abgefahren wird und ohne Feuerung mehrere Stunden, bevorzugt bis 24 Stunden, jedoch bis maximal 30 Stunden weiter rotiert, stellt sich aufgrund der sehr geringen Geschwindigkeiten bei niedriger Turndrehzahl eine natürliche Konvektion ein. Diese führt zu einem vertikalen Temperaturgradienten im Durchmesser der Gasturbine und folglich zu einer Deformation der stehenden Gehäusebauteile. Diese Verformung verursacht an zumindest einer Stelle einen kleineren, radialen Turbinenspalt. Das Schließen der Spalte erfolgt kontinuierlich, so dass die Spalte einen minimalen Wert etwa 10 Stunden nach dem Abfahren der Gasturbine aufweisen, daher rotiert die Gasturbine mehrere Stunden lang, insbesondere bis 24 Stunden, in diesem Zustand.
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Wird die Gasturbine in einem solchen Zustand erneut gestartet, kommt es zu einem starken Anstreifen im Bereich des verkleinerten Spalts oder der verkleinerten Spalte. Dieser Betriebszustand wird gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gezielt angefahren. Somit wird ein Einreiben mit beschichteten Schaufelspitzen garantiert, so dass später, wenn die Beschichtung nicht mehr intakt ist, sich die Schaufelspitzen nicht verkürzen, sollte dieser Betriebszustand erneut eingestellt werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsvariante wird die Gasturbine zwischen 8 Stunden und 12 Stunden bei Volllast betrieben. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine vollständige Durchwärmung der Gasturbine stattfindet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird die Gasturbine ohne Feuerung (d.h. in einem sogenannten „turning gear“-Betriebsmodus, in dem die Gasturbine z.B. einen externen Elektromotor oder den Generator in Rotation gehalten wird) bei einer Frequenz zwischen 0,5 Hz und 5 Hz betrieben, um die natürliche Konvektion hervorzurufen, welche zum vertikalen Temperaturgradienten und somit letztendlich zum Anstreifen führt.
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Der zweite Fall bzw. Betriebszustand betrifft ein Anstreifen an einer unterschiedlichen Position. Insbesondere aufgrund einer ungleichmäßigen Zufuhr der Kühlluft, welche während des Betriebs zu einem Temperaturgradienten in Umfangsrichtung führt, sowie einer nicht optimalen Zentrierung des Rotors zum Gehäuse über den Lagerstern, kommt es zu einer dreidimensionalen Abweichung der Turbinenradialspalte. Um dieses Anstreifen zu erzwingen, wird gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch 4 die Gasturbine aus einem durchgewärmten Volllastbetrieb entlastet und anschließend eine Stunde bei Teillast, d.h. insbesondere bei einem Lastabwurf von mindestens 10%, mit aktivierter Spaltoptimierung, wenn diese vorhanden ist, betrieben. Bevorzugt erfolgt dabei die Entlastung aus dem durchgewärmten Volllastbetrieb auf eine für die Spaltoptimierung minimal erreichbare bzw. zulässige Teillast.
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Um das Anstreifen mit den beschichteten Spitzen der Rotorschaufel möglichst früh zu provozieren, nämlich solange die Beschichtung der Schaufelspitzen sich sicher in einem intakten Zustand befindet, ist bei beiden Verfahren das erste Anfahren der Gasturbine vorzugsweise eine Inbetriebnahme der Gasturbine. Mit Inbetriebnahme wird hierbei auch die Betriebsaufnahme nach einem Austausch der Rotorschaufeln im Rahmen von Wartungsarbeiten verstanden.
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Aus den gleichen Gründen werden das oder die oben beschriebenen Verfahren vorzugsweise innerhalb der ersten 200 Betriebsstunden durchgeführt. Ein möglichst frühes Provozieren des Anstreifens ist jedoch effizienter und vorteilhafter, daher wird die das Anstreifen gemäß der oben beschriebenen Verfahren insbesondere innerhalb der ersten 100 Betriebsstunden gezielt hervorgerufen.
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Der Fokus beider erfinderungemäßer Betriebsverfahren liegt auf dem geplanten Anstreifen bei der Inbetriebnahme. Der Vorteil daraus ist zunächst, dass die Schaufelspitzen sich nicht mehr verkürzen und die Warmspalte im Betrieb kleiner sind. Dies resultiert in geringeren Spaltverlusten bzw. einem höheren Wirkungsgrad der Gasturbine. Darüber hinaus erfolgt eine Verringerung der Schaufelspitzenkorrosion. Im Stand der Technik wurde beim Anstreifen die Schutzschicht der Rotorschaufel beschädigt, so dass an diesen Stellen eine erhöhte Alterung/Schädigung (Heißgaskorrosion) verursacht wurde. Da jedoch erfindungsgemäß das Anstreifen mit intakter Beschichtung stattfindet, ist dies nicht mehr der Fall. Durch die Hartstoffbeschichtung, die insbesondere Bornitrid enthält, sind die Schaufelspitzen beim Anstreifen geschützt, somit ist eine höhere Lebensdauer der Rotorschaufeln gewährleistet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 eine Gasturbine im Längsschnitt,
- 2 den Ablauf eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Provokation des Einschleifens, und
- 3 den Ablauf eines zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Provokation des Einschleifens.
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Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
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Die 1 zeigt eine Turbine 100, hier eine Gasturbine, in einem Längsteilschnitt. Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 (Axialrichtung) drehgelagerten Rotor 103 auf. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine Ringbrennkammer 106 mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und ein Abgasgehäuse 109.
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Die Ringbrennkammer 106 kommuniziert mit einem ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbinenstufe 112 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen, folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 130 eine aus Laufschaufeln bzw. Rotorschaufeln 120 gebildete Reihe. Die Spitzen der Laufschaufeln 120 weisen eine Hartstoffbeschichtung aus kubischem Bornitrid auf.
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Die Leitschaufeln 130 sind dabei am Gehäuse 138 befestigt, wohingegen die Rotorschaufeln 120 am Rotor 103 angebracht sind. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
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Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 106 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Rotorschaufeln 120. An den Rotorschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Rotorschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine oder Generator.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Rotor 103 entlang der Achse 102 axial verschiebbar, jedoch ist eine hydraulische Spaltoptimierung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht zwingend erforderlich, sondern sie wirkt unterstützend und ist lediglich optional. Aufgrund der Konizität des Rotors 103 und des Gehäuses 138 zueinander wird durch eine Axialverschiebung des Rotors 103 oder des Gehäuses 138 der Spalt d zwischen dem Rotor 103, insbesondere den Rotorschaufelenden, und dem Gehäuse 138 verringert oder vergrößert. Die Axialverschiebung erfolgt hierbei hydraulisch.
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Aufgrund der ungleichmäßigen thermischen Dehnungen der verschiedenen Turbinenkomponenten kommt es zu Verkleinerungen des Radialspalts d und somit zum Anstreifen der Spitzen der Rotorschaufeln 120 am Gehäuse 138. Das Gehäuse 138 weist dabei im Kontaktbereich eine Anstreifschicht auf, die hier nicht näher gezeigt ist.
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Gemäß einem ersten Betriebsverfahren ist es vorgesehen, die Gasturbine 100 derart anzusteuern, dass ein gezieltes Anstreifen der Rotorschaufeln 120 verursacht wird. Der Verfahrensablauf ist aus 2 ersichtlich. In 2 ist eine Drehfrequenz f der Turbine 100 über die Zeit t aufgetragen. Im Zeitraum von t0 bis t1 im Rahmen einer Inbetriebnahme der Gasturbine 100 wird die Gasturbine 100 zunächst angefahren. Wenn eine Volllast von in diesem Ausführungsbeispiel 50 Hz erreicht ist, wird die Gasturbine 100 zwischen t1 und t2 noch mindestens 15 min, jedoch bevorzugt mehrere Stunden, insbesondere zwischen 8 und 12 Stunden, bei Volllast betrieben. Bei t2 wird die Gasturbine 100 abgefahren, wobei sie weiter im „turning gear“ Betriebsmodus ohne Feuerung rotiert. Wichtig ist dabei, dass die Gehäuseteile noch gut durchwärmt sind. Dieser Betriebsmodus dauert z.B. 8 Stunden, jedoch kann er auch bis zu 24, sogar bis 30 Stunden dauern. Ab t3 wird die Gasturbine 100 erneut hochgefahren bis sie bei t5 wieder die Volllast erreicht hat, wobei zum Zeitpunkt t4 das Anstreifen stattfindet. Das Erreichen von Volllast beim erneuten Anfahren ist nicht erforderlich, entscheidend ist primär ein schnelles Starten, z.B. mit Steigerung von 10% der Maximalleistung pro Minute. Zu Zeitpunkt t4 ist die Beschichtung der Rotorschaufeln 120 noch intakt, daher werden Einschleifspuren in der Anstreifschicht hinterlassen. Somit wird gewährleistet, dass selbst wenn es zu einem späteren Zeitpunkt der Spalt d zwischen dem Rotor 103 und dem Gehäuse 138 n geschlossen wird, keine Beschädigung der Schaufelspitzen an dieser Stelle erfolgt.
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Ein zweites Betriebsverfahren für die Gasturbine 100 ist aus 3 ersichtlich. In 3 ist die Entwicklung der Gasturbinenlast P über die Zeit t gezeigt. Ziel dabei ist es, ein Anstreifen in einer anderen Position als beim Betriebsverfahren gemäß 2 zu erzwingen. Um dies zu erreichen, wird die Gasturbine 100 angefahren (ggf. bei veränderlicher Drehzahl) und ab t1 bei Volllast betrieben, bis die Gasturbine 100 vollständig durchgewärmt wird. Die Gasturbine braucht, je nach Größe, bis zu 10 Stunden bis zur vollständigen Durchwärmung. Anschließend erfolgt zwischen t2 und t4 ein schnelles Entlasten der Gasturbine 100 mit maximal zulässiger Rate oder mindestens 30% dieser Rate. Wenn die Gasturbine 100 über eine Spaltoptimierung verfügt, so wird die Spaltoptimierung während dieses Manövers aktiviert. Unter diesen Bedingungen wird die Gasturbine 100 ab t4 mindestens eine Stunde betrieben. Schließlich kann die Gasturbine erneut auf Volllast hochgefahren werden und die hydraulische Spaltoptimierung kann ausgeschaltet werden.
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Beide Verfahren können zeitlich hintereinander an derselben Gasturbine 100 im Rahmen der Inbetriebnahme angewendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8682563 B2 [0004]
- WO 2014/016153 A1 [0006]
- DE 4436186 C2 [0008]
