DE2421927A1 - Verfahren zum verhindern von vanadiumkorrosion - Google Patents
Verfahren zum verhindern von vanadiumkorrosionInfo
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Description
Patentanwalt DipHng. IbIf Merges
O / O 1 Q 01 8011 Pöring/München Commerzbank München
Z 4 Z I α Z / Hubertusstrasse 20 4406120
Telefon (08106) 21 76
Telegramme Postscheck München
Dipl.-Ing. Rolf Menges, 8011 Pöring/München, Hubertusse 20 PATENTMENGES Zomedlng 307487-803
Ihr Zeichen/Your ref. Mein Zeichen/My ref.
Tag/Date 6. Mai 1974
Anwaltsakte U 111
United Aircraft Corporation East Hartford, V.St.A.
Verfahren zum Verhindern von Vanadiumkorrosion
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und Kraftstoffe für dieselben, und insbesondere auf die Verhinderung
von Korrosion in solchen Triebwerken, die sich durch das Vorhandensein von Vanadium in den Kraftstoffen ergibt.
Viele Kraftstoffe enthalten Spurenmengen von"Vanadium, und es
hat sich herausgestellt, daß Vanadium eine ziemlich starke
Korrosionswirkung auf die Triebwerkslegierungen ausübt. Vanadium läßt sich nicht in wirtschaftlicher Weise aus dem Kraftstoff
entfernen. Deshalb sind andere Mittel zum Verhindern seiner Korrosionswirkung erforderlich.
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Es ist seit langem bekannt, daß der Zusatz von Magnesiumsalzen,
wie beispielsweise Magnesiumoxid, Magnesiumsulfat und bestimmte metallo-organisehe Verbindungen, die Magnesium enthalten, bei
der Verringerung der Vanadiumkorrosion von Nutzen sind. Die Wirksamkeit der Magnesiumzusätze nimmt jedoch mit zunehmenden Triebwerkstemperaturen und Druckverhältnissen ab. Bei modernen Gasturbinentriebwerken geht jedoch der Trend zu höheren Triebwerkstemperaturen und Druckverhältnissen. Außerdem ist es aus der
US-PS 3 581 491 bereits bekannt, Additive zum Unterdrücken des Sulfidationsangriffes zu verwenden.
Durch die Erfindung sollen insbesondere Mittel geschaffen werden
zum Verringern oder Verhindern der Vanadiumkorrosion in Gasturbinentriebwerken, und insbesondere in Triebwerken, in welchen
sehr hohe Betriebstemperaturen und Triebwerksverdichtungsverhältnisse verwendet werden.
Die gewünschte Verringerung wird durch die Verwendung eines Additivs erreicht, welches mit Vanadiumoxid unter Bildung eines Vanadats
oder anderen Vanadiumprodukten reagiert, deren Schmelzpunkt höher ist als die Betriebstemperatur des Triebwerks.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung im einzelnen
erläutert, die ein Diagramm des Oxidationsverhaltens von Vanadiumoxid VgOg zusammen mit verschiedenen Additiven auf einer herkömmlichen Hochtemperatur-Triebwerkslegierung auf Nickelbasis zeigt.
Der genaue Mechanismus, durch den Vanadium die Korrosionsabtragung
von Gasturbinentriebwerkslegierungen beschleunigt, ist noch nicht vollständig geklärt. Während der Verbrennung oxidiert das in dem
Kraftstoff vorhandene Vanadium und bildet hauptsächlich Vanadiumoxid VpOg. Das Vanadiumoxid hat einen verhältnismäßig niedrigen
Schmelzpunkt und ist bei den üblichen Betriebstemperaturen von Gasturbinentriebwerken flüssig.
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Super!egierungen auf Nickelbasis, die in solchen Triebwerken
verwendet werden, von der Bildung eines anhaftenden Schutzoxids
ab, welches eine wirksame Barriere zwischen dem korrosionsfördernden Medium und dem Basismetall bildet. Folglich hängt die
Lebenszeit von Triebwerksbauteilen häufig von der Länge der Zeitspanne ab, während welcher die Oxidschicht intakt bleibt.
Flüssiges Vanadiumoxid löst viele Oxide auf. Das in dem Verbrennungsprozeß
erzeugte flüssige Vanadiumoxid verbindet sich mit dem normalerweise schützenden Oxid auf der Oberfläche unter
Bildung eines komplexen Glases. Diese Verbindung zerstört nicht nur die Haftkraft des schützenden Oxids auf der Substratoberfläche,
wodurch der Sauerstoff Zugang zu dem Substrat erhält, sondern das Glas macht auch jegliche schützende Haut, die sich
zu bilden versucht, flüssig. Das Gesamtergebnis ist eine Beschleunigung der Substratkorrosionsgeschwindigkeit.
Wie oben erwähnt, ist es seit langem bekannt, daß der Zusatz von Magnesiumsalzen zum Verringern der Vanadiumkorrosion nützlich
ist. Durch eine thermodynamische Analyse läßt sich vorhersagen, warum das Magnesium mit zunehmenden Triebwerkstemperaturen und
Druckverhältnissen seine Wirksamkeit verliert.
Magnesiumoxid reagiert während der Verbrennung mit den Schwefeloxiden
und Sauerstoff unter Bildung von Magnesiumsulfat. In Triebwerken, in welchen das Magnesium wirksam ist, dissoziiert das
Magnesiumsulfat, wenn es dem Kraftstoff zugesetzt ist oder während der Verbrennung gebildet wird, und bildet Magnesiumoxid, welches
die tatsächliche Schutzfunktion ausübt, hauptsächlich durch Verbindung
mit dem Vanadium unter Bildung eines unschädlichen Vanadats.
Wenn die Triebwerksdrücke vergrößert werden, nimmt jedoch das Bestreben des Magnesiumsulfats, sich zu zersetzen und Magnesiumoxid
zu bilden, ab, wodurch das Magnesiumsulfat zurückbleibt, statt daß das gewünschte Magnesiumoxid erzeugt wird. Folglich scheint die
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begrenzte Nutzbarkeit der Magnesiumadditive eine.direkte Funktion
1) des Sehern!zpunktes des Vanadats und des Niederhaltens des
Schmelzpunktes durch die Alkalimetalle und 2) der Stabilität des
Sulfats zu sein.
Es hat sich nun gezeigt, daß die Additive auf der Basis der Oxide der seltenen Erdelemente, Yttrium, Skandium, Niob und Nickel wirksame
Hemmstoffe gegen Hochtemperatur-Vanadiumangriff sind. In der Zeichnung wird einfache Oxidation und Vanadiumangriff mit dem
behinderten Angriff verglichen, der den Additiven nach der Erfindung zugeordnet ist. In sämtlichen Fällen war das Substratelement
die Nickelsuperlegierung B-1900, die aus der US-PS 3 310 399 bekannt
ist. Zusätzlich zu dem Vorstehenden dürften, beruhend auf einer thermodynamisehen Analyse, die Oxide von Kobalt und Eisen
ebenfalls wirksame Vanadiumkorrosionshemmstoffe darstellen.
Ein besonders zweckmäßiges Verfahren zum Zuführen der Additive zu dem Triebwerk wäre ein Kraftstoffadditiv, obwohl sich andere
Mittel des Zusetzens ebenfalls eignen können, je nach den Umständen. Beispielsweise kann in einer bodennahen Triebwerksanlage,
bei welcher eine Wasserquelle zur Verfügung steht, ein Wassereinspritzsystem
geeignet sein. Für Kraftstoffzusatzzwecke muß das Reaktionsmittel in dem Kraftstoff lösbar und mit demselben verträglich
sein. Beispielsweise ist Yttriumoxid Y2O3 ein wirksamer
Vanadiumkorrosionshemmstoff. Es wird typischerweise in dem Kraftstoff gelöst, beispielsweise als ein Organometall, wie etwa Yttriumazetonylazetonat,
und während der Verbrennung in sein Oxid umgewandelt. Dieses Oxid reagiert seinerseits mit dem Vanadiumoxid
V2Og unter Bildung des unschädlichen festen Yttriumvanadats. Wenn
Gemische von Y2O3 und V2O5 angewendet werden und ihnen gestattet
wird, mit der Oberfläche einer beschichteten Nickellegierung B-1900 zu reagieren, so zeigt es sich, daß verschiedene Molverhältnisse
von 1, 4 und 5 Molen Y2O3 zu V2O5 den Vanadiumangriff wirksam verhindern.
Der Schlüsselfaktor bei der Erzielung des gewünschten Ergebnisses kann deshalb darin gesehen werden, daß ein Additiv verwendet wird,
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welches eine stabile Vanadium-Additiv-Sauerstoff-Verbindung während
der Verbrennung oder an den zu schützenden Oberflächen bildet. Das wiederum erfordert, daß das Additiv nicht vorzugsweise irgendeine
andere Verbindung bilden darf, wie etwa das Sulfat, welches bei der Triebwerksbetriebstemperatur stabil ist und dessen Erzeugung
oder Vorhandensein das Additiv daran hindert, sich mit dem Vanadium zu verbinden.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen besonderen Ausführungsbeispiele beschränkt. Im Rahmen der Erfindung bietet
sich dem Fachmann eine Vielzahl von Abwandlungsmöglichkeiten,
ohne daß dadurch die Hauptvorteile der Erfindung verlorengehen.
- Patentansprüche -
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Claims (2)
- PatentansprücheI I.J Verfahren zum Verhindern von Vanadiumkqrrosion in einem Gasturbinentriebwerk, dessen Verbrennungsprodukte Vanadium in ■ einer für heiße Triebwerkslegierungsteile korrodierenden Form enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts dieser Teile die Verbrennungsprodukte dem Oxid eines Metalls ausgesetzt werden, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus den seltenen Erdelementen, Yttrium, Skandium, Niob, Nickel, Kobalt und Eisen besteht, wobei durch Reaktion mit dem Vanadium ein Vanadat eines solchen Metalls gebildet wird, dessen Schmelzpunkt über der Verbrennungsprodukttemperatur liegt, und wobei das Sulfat eines solchen Metalls in bezug auf das Vanadat in den Verbrennungsprodukten unbeständig ist.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall in dem Kraftstoff für ein solches Triebwerk als ein Organometall gelöst ist.409849/0752
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