DE19815473A1 - Heißgasführendes Gassammelrohr einer Gasturbine - Google Patents

Heißgasführendes Gassammelrohr einer Gasturbine

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein heißgasführendes Gassammelrohr (1) einer Gasturbine, das zwischen der Brennkammer und den Turbinenschaufeln angeordnet ist. DOLLAR A Das Gassammelrohr (1) weist für die Aufnahme des Heißgases zwei Eintrittsöffnungen (2) auf. DOLLAR A Der Austritt besteht aus den Flanschen (5, 6), die mit der Turbine verbunden werden. DOLLAR A Der Werkstoff des Gassammelrohres (1) ist ein hochwarmes und korrosionsbeständiges Basismetall (9) mit einer sowohl an der Innen- als auch an der Außenseite des Basismetalls (9) aufgebrachten Hochtemperaturkorrosions- und -oxydationsschicht (4). DOLLAR A Im Bereich des Innenkonus (13) wird auf das Basismetall (9) auf einer Seite eine HKO-Schicht (4), auf der gegenüberliegenden Seite eine Wärmedämmschicht (8) aufgebracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein heißgasführendes Gassammel­ rohr einer Gasturbine zwischen der Brennkammer und dem Eintrittsflansch der Turbinenschaufeln aus einem hochwarmen und korrosionsbeständigen Basismetall M (Substrat) mit einer auf der Innenseite aufgebrachten Hochtemperaturkorrosions- und -oxydationsschicht.
Bei Gasturbinen-Anlagen wird das zweiarmige Gassammel- bzw. Hosenrohr zwischen den Brennkammergehäusen und dem Eintrittsstutzen der Turbinenschaufeln im Heißbetrieb einer extremen Beanspruchung und erhöhtem Verschleiß durch Temperatur, Druck und Korrosion ausgesetzt.
Die Verbrennungsluft wird in einem Verdichter auf hohen Druck verdichtet, wobei ein wesentlicher Teil den beiden Brennkammern zur Verbrennung, ein kleinerer Anteil zur Kühlung der heißen Metallteile verwendet wird.
In den Brennkammern wird der wesentliche O2-Anteil der Luft durch Verbrennen eines Kohlenstoffträgers zum Oxydieren gebracht, Stickstoff verbleibt im Abgas als Ballast und wird durch den Verbrennungsvorgang bei hohem Druck zusätzlich auf hohe Temperaturen gebracht und strömt aus den Brennkammern in das Hosenrohr und von dort in die Turbine auf die Turbineneintritts­ schaufeln und versetzt diese in erhöhte Rotation.
Das Gassammel- bzw. Hosenrohr besteht aus einem Eisen- Nickel-Basis-Werkstoff. Dieser wird durch hohen Druck und besonders durch eine erhöhte Gastemperatur angegriffen, wobei Sauerstoff die Metalloberfläche oxydiert.
Die Legierungselemente der Ni-Basis-Legierung wie Aluminium, Chrom oder dergleichen, vermindern eine weitere Oxydation durch Bildung von festen Oxyd­ schichten.
Diese passive Oxydschicht verhindert aber nicht ein Durchdringen von Stickstoff, so daß im Laufe der Zeit der Stickstoff mit den obengenannten Legierungsele­ menten Nitride bzw. Carbonnitride bilden kann, deren Bildung durch den höheren Druck des Gases thermodyna­ misch begünstigt wird.
Die Folge ist, daß es je nach Legierungsanteilen und Löslichkeit von N2 unter der Oxydschicht zur Bildung von AIN (Nitriden) und/oder Cr-Carbonnitriden kommen kann.
Dieses führt einerseits zum Abbinden der Aluminium­ konzentration in dem Metall, so daß der Oxydations­ widerstand abnimmt und es zur Bildung von AIN-Nadeln und/oder Cr-Carbonnitriden, die zu einer Versprödung des Metalles führt, kommt.
Dieser Mechanismus findet nicht nur in dem Brennraum des Hosenrohres statt, sondern auch in der mit Kühlluft beaufschlagten Außenoberfläche, welche nicht immer so weit gekühlt werden kann, daß die besagte Gasmetall­ reaktion nicht stattfinden kann.
Als Hochtemperaturkorrosionsschutz ist die gesamte Innenseite des Gassammelrohres mit einer einschichtigen MCrAlY-Schicht ausgekleidet, die sich durch einen erhöhten Chrom- und Al-Gehalt auszeichnet. Verwendung findet hierbei ein Spritzpulver auf Nickelbasis mit 31% Cr, 11% Al und 0,6% Y.
Die HKO-Schicht entwickelt durch die erhöhten Cr- und Al-Gehalte in Verbindung mit Yttrium ein großes Wider­ standspotential gegen Oxydation und Aufstickung und damit einen erhöhten Hochtemperaturkorrosions- und -oxydationswiderstand.
Als zusätzlicher Korrosions- und Wärmeschutz werden bei der heißgasbeaufschlagten Oberfläche des Innenkonus des Gassammelrohres Wärmedämmschichten (TBC = Thermal Barrier Coating) aufgebracht.
Die Wärmedämmschicht ist ein plasmagespritzes Beschich­ tungssystem, bestehend aus einer Haftschicht und einer keramischen Deckschicht, die die Wärmedämmung des Schichtsystems bewirkt.
Die Haftschicht (Bondcoat) dient neben der Haftung der Deckschicht auch zur Vermeidung von Hochtemperatur­ korrosion/-oxydation des Werkstoffes. Um beide Funk­ tionen optimal erfüllen zu können, besteht diese Haft­ schicht aus einer zweischichtigen MCrAlY-Schicht, einer sogenannten Haftschicht A und B.
Die Haftschicht A ist eine duktile MCrAlY-Schicht mit abgesenktem Chrom- und Aluminiumgehalt, um langfristig eine optimale Haftung am Substrat zu gewährleisten.
Die Haftschicht B ist eine MCrAlY-Schicht mit erhöhtem Chrom- und Aluminimgehalt. Dadurch wird neben des erhöhten Hochtemperaturkorrosions- und -oxydations­ widerstandes eine Aufstickung des Grundwerkstoffes verhindert.
Die Deckschicht (Topcoat) besteht aus einer ZrO2-Y2-O3- Keramik und bewirkt aufgrund ihrer geringeren Wärme­ leitfähigkeit die Wärmedämmung dieser Schicht.
Hochtemperatur- und korrosionsfeste Schutzbeschich­ tungen aus Legierungen für Gasturbinenbauteile, die eine hohe Korrosionsfestigkeit bei mittleren und hohen Temperaturen erfordern, die unmittelbar mit den heißen Abgasen aus der Brennkammer in Berührung stehen, und die im wesentlichen Nickel, Chrom, Kobald, Aluminium und eine Beimischung von seltenen Erden enthalten, wurden in zahlreichen Zusammensetzungen entwickelt und auf den Markt gebracht.
Aus der WO 89/07159 sind Mehrfachschutzschichten für Metallgegenstände, insbesondere Gasturbinenschaufeln, bekannt. Gemäß der Erkenntnis, daß es zwei unterschied­ liche Korrosionsmechanismen gibt, die für die Lebens­ dauer solcher Gegenstände von Bedeutung sind, werden zwei übereinanderliegende Schutzschichten angegeben, von denen die innere gegen Korrosionsangriffe bei Temperaturen von 600 °C bis 800 °C schützt und die äußere gegen Angriffe bei Temperaturen von 800 °C bis 900 °C optimiert ist. Zusätzlich kann als äußerste Überzugsschicht noch eine Thermobarriereschicht vor­ handen sein. Bevorzugt wird als erste Überzugsschicht eine Diffusionsschicht mit einem Chromgehalt größer als 50% und einem Gehalt an Eisen und/oder Mangan von mehr als 10% und als zweite Überzugsschicht eine MCrAlY- Schicht mit z. B. etwa 30% Chrom, etwa 7% Aluminium und etwa 0,7% Yttrium, die durch Plasmaspritzen bei vermindertem Druck aufgebracht wird.
Aus der WO 91/02108 ist eine Schutzbeschichtung, ins­ besondere für Gasturbinenbauteile, bekannt, die gute Korrosionseigenschaften im Temperaturbereich von 600 bis etwa 1150 °C hat. Die Schutzbeschichtung enthält (in Gewichtsprozent): 25-40% Nickel, 28-32% Chrom, 7-9% Aluminium, 1-2% Silizium, 0,3-1% Yttrium; Rest Kobalt, mindestens 5%; und unvermeid­ bare Verunreinigungen. Verschiedene Wahlkomponenten können hinzukommen. Durch Beigabe von Rhenium können die Eigenschaften der Schutzbeschichtung weiter verbessert werden. Dieser Effekt tritt schon bei geringen Zusätzen ein. Bevorzugt wird ein Bereich von 4-10% Rhenium.
Die Beschichtungen können durch Plasmaspritzen oder Aufdampfen (PVD) aufgebracht werden und sind besonders geeignet für Gasturbinenschaufeln aus einer Superle­ gierung auf Nickelbasis oder Kobaltbasis. Auch andere Gasturbinenbauteile, insbesondere bei Gasturbinen mit hoher Eintrittstemperatur von z. B. über 1200 °C, können mit solchen Schutzbeschichtungen versehen werden.
Aus der WO 96/34128 ist eine Nickel- bzw. Kobalt- Metallegierung bekannt, auf die eine Schutzschicht gegen erhöhte Temperatur- und Korrosionsangriffe durch heiße Gase aus der Brennkammer einer Gasturbine aufge­ bracht werden.
Die dreischichtige Schutzschicht besteht aus einer ersten Bindeschicht aus einer MCrAlY-Zusammensetzung gegenüber dem zu schützenden Basismetall und einer zweiten Verankerungsschicht gegenüber der äußeren Oxydschicht.
Aus der WO 96/34129 ist ein Metallsubstrat auf Basis einer Nickel- oder Kobaltlegierung bekannt, auf die ein Schutzsystem gegen erhöhte Temperatur, Korrosion und Erosion aufgebracht wird.
Das Schutzsystem setzt sich aus einer Zwischenschicht, bestehend aus einer Bindeschicht, gegenüber dem Ni-Substrat und einer Verankerungsschicht gegenüber der äußeren Keramikschicht auf Zirkon-Oxyd-Basis zusammen.
Die äußere Keramikschicht dient dabei als Wärmedämm­ schicht.
Aus der DE 42 42 099 ist eine Vorrichtung, insbesondere Gasturbineneinrichtung, mit einer Beschichtung von Ein­ richtungsteilen, bekannt.
Dort werden Komponenten in Gasturbinensystemen und ähnlichen Vorrichtungen, die betriebsmäßig mit heißen Gasen in Kontakt kommen, mit einer Beschichtung ver­ sehen, die sowohl eine Korrosionsschutzwirkung als auch eine katalytische Wirkung haben. Dabei sind Komponenten im Temperaturbereich über 600 °C mit einer Beschichtung versehen, die oxidationskatalytisch wirkt und Komponen­ ten in einem Temperaturbereich zwischen 350 °C bis 600 °C mit einer reduktionskatalytisch wirkenden Schicht. Es werden für die Beschichtung erster Art Mischoxyde mit Perowskit- oder Spinellstruktur auf LaMn-Basis, für die Beschichtung zweiter Art Mischoxyde gleicher Struktur auf LaCu-Basis verwendet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Gasmetall­ reaktion an der heißen inneren Oberfläche des Sammel­ mischrohres zu unterbinden oder so weit zu verzögern, daß die Lebensdauer dieses Teiles beachtlich verlängert wird und die Gasmetallreaktion auch an der gekühlten äußeren Oberfläche des Sammelmischrohres zu unterbinden oder so weit zu verzögern, daß die Lebensdauer der Teile beachtlich verlängert wird.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt entsprechend Anspruch 1. Die abhängigen Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen des heißgasführenden Gassammelrohres.
Erfindungsgemäß werden daher die Oberflächen des heiß­ gasführenden Gassammel- bzw. Hosenrohres zwischen Brennkammergehäuse und Turbine sowohl von innen als auch von außen mit einer Hochtemperaturkorrosions- und -oxydationsschicht versehen, die aus einer einschich­ tigen MCrAlY-Schicht besteht, so daß eine Gasmetall­ reaktion von Stickstoff mit dem Metall des Gassammel­ rohres unterbunden oder weitgehend verzögert wird. Das Basismetall M kann dabei aus einer Eisen-Nickel- oder Eisen-Chrom-Legierung (M = Ni oder Cr) bestehen.
Die Hochtemperaturkorrosions- und -oxydationsschicht mit einem Gehalt von 31% Cr, 11% Al, 0,6% Y und Restnickel hat daher so hohe Cr- und Al-Gehalte, daß ein großes Widerstandspotential in der Schutzschicht gegen Oxydation und Aufstickung und damit ein erhöhter Hochtemperaturkorrosions- und oxydationswiderstand gegeben ist.
Die Beschichtung des kompletten Hosenrohres - innen und außen - erfolgt manuell oder als programmgesteuerte MCrAlY-Plasmabeschichtung in einer Schichtstärke von 60 + 40 µm.
Der Innenkonus des Gassammelrohres wird am Übergang zu der Gasturbine zusätzlich mit einer einseitigen Wärme­ dämmschicht ausgekleidet. Diese Wärmedämmschicht besteht bekannterweise aus einer zweischichtigen MCrAlY-Schicht - Schicht A und B - und einer keramischen Deckschicht.
Die Haftgrundschicht A ist eine duktive MCrAlY-Schicht mit abgesenktem Chrom- und Aliminiumgehalt, um eine Haftung dieser Schicht am Grundwerkstoff des Gassammelrohres zu gewährleisten.
Die Haftgrundschicht B entspricht in der Zusammensetzung der Hochtemperaturkorrosions- und -oxydationsschicht.
Komplementiert wird die Wärmedämmschicht durch eine keramische Deckschicht (Topcoat) auf Zirkonbasis, die aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit die Wärme­ dämmung bewirkt. Die Wärmedämmschicht setzt sich aus einer Schichtdicke von 60/60/250 µm zusammen.
Das Gassammelrohr wird zusätzlich an den beiden Eintrittsöffnungen mit einer Antiverschleißbeschichtung versehen.
Ausführungsbeispiele der Erfindungen werden anhand von schematischen Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine mehrdimensionale Ansicht des Gassammelrohres,
Fig. 2 einen Schnitt durch das Hosenrohr mit der beidseitigen HKO-Schicht,
Fig. 3 einen Schnitt durch das Gassammelrohr im Bereich eines der beiden Eintrittsöffnungen und
Fig. 4 einen Schnitt durch die Wärmedämmschicht.
Fig. 1 zeigt eine mehrdimensionale Ansicht des Gassammel- bzw. Hosenrohres (1) mit im oberen Bereich angeordneten Eintrittsöffnungen (2) für das Heißgas aus den beiden nicht dargestellten Brennkammern.
Das Gassammelrohr (1) ist sowohl außen als auch innen mit einer Hochtemperaturkorrosions- und -oxydations­ sChicht (4) ausgekleidet.
Das Heißgas (s. Pfeile) strömt aus den beiden Brennkammern durch die Eintrittsöffnungen (2) in das Gassammelrohr (1), wird im unteren Gassammelraum (3) gesammelt und verläßt das Gassammelrohr (1) Richtung Turbine, wobei das Gassammelrohr (1) durch einen äußeren Flansch (5) und einen inneren Flansch (6) an die Gegenflansche der Turbine angeschlossen wird.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Wand des Hosenrohres mit der Hochtemperaturkorrosions- und -oxydations- (HKO)-Schicht. Auf beiden Seiten des Basismetalles (9) ist eine 60 µm starke HKO-Schicht (4) aufgebracht.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch das Gassammelrohr (1), das zwischen den nicht dargestellten Brennkammerge­ häusen und einer nachgeschalteten Turbine angeordnet ist.
Das heiße und korrosive Abgas verläßt das Mischrohr der Brennkammer und strömt durch die Eintrittsöffnung (2) in das Gassammelrohr (1), das innerhalb eines nicht dargestellten Gehäuses zwischen den Flanschen des Brennkammergehäuses und den Flanschen der Turbine angeordnet ist.
Das beidseitig mit einer HKO-Schicht (4) beschichtete Basismetall (9) des Gassammelrohres (1) wird außen durch ein Kühlmedium gekühlt.
Das komprimierte Heißgas wird in dem unteren Gassammel­ raum (3) zwischen den Flanschen (5) und (6) zusammenge­ führt, bevor es in die Turbine strömt und den Turbinen­ läufer mit den Laufschaufeln in Rotation versetzt.
Die Eintrittsöffnungen (2) des Gassammelrohres (1) sind im Gaseintrittsbereich zusätzlich mit einer Anti­ verschleißbeschichtung (7) versehen.
Der Innenkonus (13) ist im Bereich des Flansches anstelle der HKO-Schicht (4) zusätzlich mit einer Wärmedämmschicht (8) ausgekleidet.
Entsprechend Fig. 4 besteht die Wärmedämmschicht (8) aus einer zweischichtigen (A und B) MCrAlY-Schicht, wobei die A-Schicht (10) als Haftgrundschicht gegenüber dem Basismetall (9) und die B-Schicht (11) als Haft­ grundschicht gegenüber der keramischen Schicht (12) wirkt.
In diesem Bereich des Innenkonus wird das Substrat- Basismetall (9) auf einer Seite durch die HKO-Schicht (4), auf der anderen Seite durch die Wärmedämmschicht (8) geschützt.
Bezugszeichenliste
1
Gassammel- oder Hosenrohr
2
Eintrittsöffnungen zu
1
3
Unterer Gassammelraum
4
Hochtemperaturkorrosions- und -oxydationsschicht
5
Äußerer Flansch
6
Innerer Flansch
7
Antiverschleißbeschichtung an
2
8
einseitige Wärmedämmschicht
9
Substrat/Basismetall
10
MCrAlY-A-Schicht
11
MCrAlY-B-Schicht
12
Keramische Schicht
13
Innenkonus

Claims (6)

1. Heißgasführendes Gassammelrohr einer Gasturbine zwischen der Brennkammer und dem Eintrittsflansch der Turbinenschaufeln aus einem hochwarmen und korrosionsbeständigen Basismetall M mit einer auf der Innenseite aufgebrachten Hochtemperaturkorro­ sions- und -Oxydationsschicht, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl an der Innen- als auch an der Außenseite des Basismetalles (9) des Gassammelrohres (1) eine Hochtemperaturkorrosions- und -oxydationsschicht (4) aufgebracht wird.
2. Heißgasführendes Gassammelrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Basismetall M aus einer Nickel-Basis- Legierung besteht.
3. Heißgasführendes Gassammelrohr nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochtemperaturkorrosions- und -oxydations- bzw. MCrAlY-Schicht (4) aus einem Anteil von 31% Cr, 11% Al und 0,6% Y besteht.
4. Heißgasführendes Gassammelrohr nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Basismetall (9) des Innenkonus (13) zusätzlich mit einer einseitigen Wärmedämmschicht (8) ausgekleidet ist.
5. Heißgasführendes Gassammelrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht (8) aus einer zweischichtigen (A und B) MCrAlY-Schicht (10, 11) und einer keramischen Deckschicht (12) besteht.
6. Heißgasführendes Gassammelrohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die A-Schicht (10) eine duktile MCrAlY-Schicht mit abgesenktem Cr- und Al-Gehalt ist und
  • - daß die B-Schicht (11) eine MCrAlY-Schicht mit erhöhtem Cr- und Al-Gehalt ist.
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