DE19704976C2 - Gasturbinenanlage mit einem mit Keramiksteinen ausgekleideten Brennkammergehäuse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage mit ei­ nem Brennkammergehäuse, das auf der Innenseite mit massiven Keramiksteinen ausgekleidet ist, mit einem mit Laufschaufeln versehenen Rotor und mit einem mit Leitschaufeln versehenen Gehäuse, wobei insbesondere wenigstens die ersten Schaufeln auf der Turbinenseite eine keramische Wärmedämmschicht tragen.

Eine derartige Gasturbine ist beispielsweise aus der DE-OS 43 43 319 bekannt. Zur Realisierung sehr hoher Eintrittstem­ peraturen werden die Brennkammergehäuse, insbesondere deren Flammrohre bei modernen Gasturbinen thermisch extrem belast­ bar ausgeführt. Zu diesem Zweck können die Innenwände mit ke­ ramischen Dämmschichten bedeckt oder mit einem Schild aus massiven Keramiksteinen versehen sein.

Zudem sind die Schaufeln des Turbinenteils der Gasturbinenan­ lagen, insbesondere die Schaufeln der der Brennkammer benach­ barten Stufen oft mit keramischen Thermobarriereschichten als thermischen Schutzschichten versehen, die beispielsweise aus yttriumoxidstabilisierten Zirkoniumoxidschichten bestehen.

Versuche haben gezeigt, daß bei der Verwendung massiver Kera­ miksteine für die Auskleidung der Brennkammer in Zusammenhang mit Turbinenschaufeln, welche mit empfindlichen keramischen Thermobarriereschichten versehen sind, diese Thermobarriere­ schichten starkem mechanischen Verschleiß ausgesetzt sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Gasturbine der eingangs genannten Art Maßnahmen zu treffen, um einerseits die Brennkammer und die Schaufeln vor thermischer Überlastung zu schützen und andererseits die Le­ bensdauer der Turbinenschaufeln zu verlängern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ke­ ramiksteine an ihrer Oberfläche zum Schutz der Wärmedämm­ schicht der nachgeordneten Schaufeln mit einer Beschichtung versehen sind.

Die keramischen Steine haben gegenüber Hitzeschildplatten aus anderen Materialien, beispielsweise Superlegierungen den Vor­ teil, daß höhere Materialtemperaturen möglich und zulässig sind. Nur die Befestigungselemente der Steine müssen gekühlt werden. Dies führt beispielsweise wegen der höheren zulässi­ gen Werkstofftemperaturen dazu, daß auf die Oberfläche der Brennkammerauskleidung gelangende unvollständig verbrannte Rauchgaspartikel dort vollständig verbrannt werden und hier­ durch weniger toxisches CO (Kohlenmonoxyd) im Abgas entsteht, da dies in ungiftiges CO₂ (Kohlendioxyd) umgewandelt wird. Hinzu kommt, daß die im Vergleich zu metallischen Auskleidun­ gen weniger benötigte Kühlluft nun für die Verbrennung zu­ sätzlich zur Verfügung steht. Hierdurch werden eine tiefere Flammtemperatur und merklich weniger Stickoxyde gebildet, die aus bekannten Gründen die Umwelt zusätzlich belasten. Es ist somit sowohl aus Gründen des Wirkungsgrades als auch aus Um­ weltgründen die Auskleidung der Brennkammer mit massiven Ke­ ramiksteinen wünschenswert. Bei der Verwendung solcher Ke­ ramikbausteine entsteht jedoch das Problem, daß Partikel sich von deren Oberfläche lösen können, die wegen der hohen Relativgeschwindigkeit zwischen der Rauchgasströmung und den Schaufeln auf diese wie Geschosse wirken und eine starke ab­ rasive Wirkung haben.

Durch die erfindungsgemäße Beschichtung der Keramiksteine wird die Ablösung solcher Partikel von der Oberfläche der Ke­ ramiksteine wirksam verhindert. Besonders günstig erscheint hierbei, die Keramiksteine vor dem Einbau in das Brennkam­ mergehäuse zu beschichten. Die Beschichtung muß hierzu so beschaffen sein, daß eine gute Haftung zu den Keramiksteinen und ein guter Zusammenhalt der Schicht gewährleistet ist, um ein Abplatzen bei thermischen Wechselbeanspruchungen zu ver­ meiden. Die Beschichtung der Keramiksteine bildet somit eine Schicht zur Fixierung der Oberflächenpartikel. Somit wird die Verwendung keramischer Thermobarriereschichten an den Schau­ feln in Kombination mit massiven Keramiksteinen als Brennkam­ merauskleidung ermöglicht.

Aus der DE-OS 26 30 247 ist eine keramische Auskleidung für eine Gasleitung, insbesondere Abgasleitung für eine Brenn­ kraftmaschine bekannt, wobei dort einer Zerstörung der Aus­ kleidung durch eine dünne metallische oder metalloxidische Schicht entgegengewirkt wird. Die Beschichtung der Ausklei­ dung dient dort nicht zum Schutz von in Gasströmungsrichtung nachfolgenden empfindlichen Elementen, sondern lediglich dem Zusammenhalt der Auskleidung.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß eine metalli­ sche Beschichtung mittels Vakuum-Plasmaspritzen (VPS) aufge­ bracht ist.

Hierzu können unterschiedliche mittels VPS verarbeitbare Kor­ rosionsschutzschichten verwendet werden.

Auch eine Kombinationsbeschichtung aus einem metallischen Bondcoat als Haftvermittler mit darüberliegender Keramik­ deckschicht wäre einsetzbar.

Falls auf ein VPS-Bondcoat verzichtet werden kann, ist auch das unmittelbare Beschichten der Steine mit Keramikschichten denkbar.

Der geringe Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten zwischen Keramiksteinen und einer keramischen APS- Thermobarriereschicht wirkt sich dabei günstig auf die Be­ ständigkeit gegen thermische Wechselbeanspruchung aus.

Die Erfindung kann auch vorteilhaft dadurch ausgestaltet wer­ den, daß die Keramikdeckschicht mittels Air-Plasma-Spraying- Verfahren (APS)aufgebracht ist.

Das APS-Verfahren stellt eine kostengünstigere Alternative zu dem VPS-Verfahren dar.

Insbesondere kann auch die mehrlagige Beschichtung der Kera­ miksteine aus thermischen Gründen oder aus Gründen eines bes­ seren Zusammenhalts der Schicht vorteilhaft sein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrie­ ben.

Dabei zeigt

Fig. 1 schematisch einen Längsschnitt eines Teils einer Gasturbine,

Fig. 2 schematisch einen Schnitt der Brennkammergehäusewand mit verzerrten Größenverhältnissen, um die Beschichtung er­ kennbar zu machen.

Die Fig. 1 zeigt schematisch erfindungsgemäße Gasturbinenan­ lage in einem Längsschnitt mit einem Gehäuse 1, in dem fest­ stehende Leitschaufeln 3, 4 befestigt sind sowie einem Rotor 2, an dem Laufschaufeln 5, 6 befestigt sind. In dem Brenn­ kammergehäuse 7 wird der über die Brenner 14, 15 einge­ spritzte Brennstoff mit der Luft aus dem Verdichter 16 ver­ brannt. Als Verdichter 16 wird dabei der Eingangsteil der Gasturbinenanlage bezeichnet, in dem einströmende Luft (Pfeile 17, 18) vor dem Einströmen in die Brennkammer 7 kom­ primiert wird.

Die Expansion der Verbrennungsgase treibt die Turbine an. Mittels der Verbindungswelle 19 wird ein Generator 20 zur Er­ zeugung elektrischer Energie angetrieben.

In der Fig. 2 ist der Oberflächenbereich der Ringbrennkammer vereinfacht im Querschnitt dargestellt. Mittels Befesti­ gungselementen 8, 9 sind Keramiksteine 10 an der Brennkammer­ gehäusewand 11 befestigt, welche beispielsweise aus Metall besteht. Die Keramiksteine 10 bestehen beispielsweise aus Si­ lizium- oder Aluminiumoxyd.

In der Fig. 2 ist eine Beschichtung der Keramiksteine 10 vergrößert in zwei Schichten dargestellt, von denen die un­ tere Schicht eine Bindeschicht (Bondcoat) 12, die obere Schicht eine Keramikschicht 13 bildet, die auf der Binde­ schicht 12 besonders gut haftet. Zusammen bilden die Schich­ ten 12 und 13 eine in sich feste, die Keramiksteine 10 be­ deckende Schicht, die etwaige von der Oberfläche der Kera­ miksteine 10 gelöste Partikel bindet. Solche Teilchen können somit keine erosive Wirkung auf die Thermobarriereschicht der Turbinenschaufeln des Gehäuses oder auch des Rotors ausüben. Die Haftvermittlungsschicht 12 besteht dabei vorzugsweise aus yttriumoxidstabilisiertem Zirkoniumoxid, während die Wär­ medämmschicht 13 vorzugsweise aus einer Metall-Chrom-Alumi­ nium-Yttrium-Legierung (MCrAlY) besteht.

Claims (6)

1. Gasturbinenanlage mit einem Brennkammergehäuse (7), das auf der Innenseite mit massiven Keramiksteinen (10) ausge­ kleidet ist, mit einem mit Laufschaufeln (5, 6) versehenen Rotor (2) und mit einem mit Leitschaufeln (3, 4) versehenen Gehäuse (1), wobei insbesondere wenigstens die ersten Schau­ feln auf der Turbinenseite eine keramische Wärmedämmschicht tragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramiksteine (10) an ihrer Oberfläche zum Schutz der Wärmedämmschicht der nachgeordneten Schaufeln mit einer Be­ schichtung (12, 13) versehen sind.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (12, 13) mittels Vakuum-Plasmaspritzen (VPS) aufgebracht ist.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einem Bondcoat und einer Keramikdeck­ schicht besteht und daß die Keramikdeckschicht (13) mittels Air-Plasma-Spraying-Verfahren (APS) aufgebracht ist.

4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder einem der folgen­ den, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung als keramische Schicht ausgebildet ist.

5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder einem der folgen­ den, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung als metallische Schicht ausgebildet ist.

6. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder einem der folgen­ den, gekennzeichnet durch eine mehrlagige Beschichtung der Keramiksteine (10).