EP0960308B1 - Gasturbinenanlage mit einem mit keramiksteinen ausgekleideten brennkammergehäuse - Google Patents

Gasturbinenanlage mit einem mit keramiksteinen ausgekleideten brennkammergehäuse Download PDF

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EP0960308B1
EP0960308B1 EP98909340A EP98909340A EP0960308B1 EP 0960308 B1 EP0960308 B1 EP 0960308B1 EP 98909340 A EP98909340 A EP 98909340A EP 98909340 A EP98909340 A EP 98909340A EP 0960308 B1 EP0960308 B1 EP 0960308B1
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ceramic
gas turbine
coating
combustion chamber
turbine installation
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Siemens Corp
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine system with a Combustion chamber housing with massive inside Ceramic stones are lined with a with blades provided rotor and one with guide vanes Housing, in particular at least the first blades a ceramic thermal barrier coating on the turbine side wear.
  • Such a gas turbine is for example from DE-OS 43 43 319 known.
  • the combustion chamber housing, especially their Flame tubes in modern gas turbines can withstand extreme thermal loads executed.
  • the interior walls can be covered with ceramic Insulation layers covered or with a sign massive ceramic stones.
  • the blades of the turbine part of the gas turbine systems in particular the blades of the combustion chamber adjacent Steps often with ceramic thermal barrier layers as thermal protective layers provided, for example yttrium oxide stabilized zirconium oxide layers exist.
  • the present invention is therefore based on the object in the case of a gas turbine of the type mentioned at the beginning meet the combustion chamber and the blades to protect thermal overload and on the other hand the service life to extend the turbine blades.
  • the object is achieved in that the ceramic stones provided with a coating on its surface are.
  • the ceramic stones have the advantage over heat shield plates made of other materials, for example super alloys, that higher material temperatures are possible and permissible. Only the stone fasteners need to be cooled. Because of the higher permissible material temperatures, this leads to the fact that incompletely burned flue gas particles that get onto the surface of the combustion chamber lining are completely burned there and less toxic CO (carbon monoxide) is produced in the exhaust gas, since this is converted into non-toxic CO 2 (carbon dioxide).
  • the cooling air which is less required in comparison to metallic linings, is now additionally available for combustion. As a result, a lower flame temperature and noticeably fewer nitrogen oxides are formed, which, for known reasons, also pollute the environment.
  • the ceramic stones according to the invention By coating the ceramic stones according to the invention is the detachment of such particles from the surface of the ceramic stones effectively prevented. Appears particularly cheap Here, the ceramic stones before installation in the combustion chamber housing to coat. The coating must be so be able to adhere well to the ceramic stones and good cohesion of the layer is guaranteed to to prevent flaking in the case of alternating thermal stresses. The coating of the ceramic stones thus forms one Layer to fix the surface particles.
  • the coating of the ceramic stones thus forms one Layer to fix the surface particles.
  • An embodiment of the invention provides that the coating consists of a metallic material and in particular is applied by means of vacuum plasma spraying (VPS).
  • VPS vacuum plasma spraying
  • Different corrosion protection layers that can be processed using VPS can be used for this purpose are used, e.g. B. the type M Cr AlY, where M is Ni or Co.
  • a combination coating made of a metallic Bond coat as an adhesion promoter with an overlying ceramic cover layer would be applicable.
  • the ceramic cover layer can be advantageous applied by air plasma spraying process his.
  • VPS bondcoat can be dispensed with, is also the immediate coating of the stones with ceramic layers conceivable.
  • the slight difference in the coefficient of thermal expansion between ceramic stones and a ceramic APS coating has a favorable effect on the resistance to alternating thermal stress.
  • the execution of a ceramic layer as a thermal barrier layer has the additional advantage that the cooling air requirement of the combustion chamber lining is further reduced.
  • Typical thermal insulation layers such as Yr 2 O 3 -stabilized ZrO 2 or SiO 2 or Al 2 O 3, are conceivable as ceramic coatings.
  • the invention can also be advantageously configured by that the ceramic cover layer by means of air plasma spraying (APS) is applied.
  • APS air plasma spraying
  • the APS procedure provides a cheaper alternative the VPS method.
  • the multilayer coating of the ceramic stones can also for thermal reasons or for reasons of better Cohesion of the layer can be advantageous.
  • both the binding layer and the outer layer Coating can be carried out as a graded layer the thermal expansion behavior and chemical composition change constantly over the layer thickness.
  • FIG. 1 schematically shows a gas turbine system according to the invention in a longitudinal section with a housing 1, in the fixed Guide blades 3, 4 are attached and a rotor 2, on the blades 5, 6 are attached.
  • housing 7 is injected via the burners 14, 15 Fuel burned with the air from the compressor 16.
  • the compressor 16 the input part of the Gas turbine plant referred to in the incoming air (Arrows 17, 18) compressed before flowing into the combustion chamber 7 becomes.
  • a generator 20 is used to generate the connection shaft 19 electrical energy.
  • FIG 2 is the surface area of the annular combustion chamber shown in simplified cross-section.
  • the ceramic stones 10 consist for example of silicon or aluminum oxide.
  • a coating of the ceramic stones 10 is shown enlarged in two layers, of which the lower layer forms a binding layer (bond coat) 12, the upper layer forms a ceramic layer 13 which adheres particularly well to the binding layer 12.
  • the layers 12 and 13 together form a solid layer covering the ceramic stones 10, which binds any particles detached from the surface of the ceramic stones 10. Such particles can therefore have no erosive effect on the thermal barrier layer of the turbine blades of the housing or of the rotor.
  • the adhesion-promoting layer 12 preferably consists of a metal-chromium-aluminum-yttrium alloy (MCrAlY), while the thermal insulation layer 13 preferably consists of yttrium oxide-stabilized zirconium oxide, SiO 2 or Al 2 O 3 .
  • the coating is made of ceramic.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage mit einem 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 Eintrittstemperaturen werden die Brennkammergehäuse, insbesondere deren Flammrohre bei modernen Gasturbinen thermisch extrem belastbar ausgeführt. Zu diesem Zweck können die Innenwände mit keramischen Dämmschichten bedeckt oder mit einem Schild aus massiven Keramiksteinen versehen sein.
Zudem sind die Schaufeln des Turbinenteils der Gasturbinenanlagen, insbesondere die Schaufeln der der Brennkammer benachbarten Stufen oft mit keramischen Thermobarriereschichten als thermischen Schutzschichten versehen, die beispielsweise aus yttriumoxidstabilisierten Zirkoniumoxidschichten bestehen.
Versuche haben gezeigt, daß bei der Verwendung massiver Keramiksteine für die Auskleidung der Brennkammer in Zusammenhang mit Turbinenschaufeln, welche mit empfindlichen keramischen Thermobarriereschichten versehen sind, diese Thermobarriereschichten 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 Lebensdauer der Turbinenschaufeln zu verlängern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Keramiksteine an ihrer Oberfläche mit einer Beschichtung versehen sind.
Die keramischen Steine haben gegenüber Hitzeschildplatten aus anderen Materialien, beispielsweise Superlegierungen den Vorteil, daß höhere Materialtemperaturen möglich und zulässig sind. Nur die Befestigungselemente der Steine müssen gekühlt werden. Dies führt beispielsweise wegen der höheren zulässigen Werkstofftemperaturen dazu, daß auf die Oberfläche der Brennkammerauskleidung gelangende unvollständig verbrannte Rauchgaspartikel dort vollständig verbrannt werden und hierdurch weniger toxisches CO (Kohlenmonoxyd) im Abgas entsteht, da dies in ungiftiges CO2 (Kohlendioxyd) umgewandelt wird. Hinzu kommt, daß die im Vergleich zu metallischen Auskleidungen weniger benötigte Kühlluft nun für die Verbrennung zusätzlich 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 Umweltgründen die Auskleidung der Brennkammer mit massiven Keramiksteinen wünschenswert. Bei der Verwendung solcher Keramikbausteine 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 abrasive Wirkung haben.
Durch die erfindungsgemäße Beschichtung der Keramiksteine wird die Ablösung solcher Partikel von der Oberfläche der Keramiksteine wirksam verhindert. Besonders günstig erscheint hierbei, die Keramiksteine vor dem Einbau in das Brennkammergehäuse 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 vermeiden. Die Beschichtung der Keramiksteine bildet somit eine Schicht zur Fixierung der Oberflächenpartikel. Somit wird die Verwendung keramischer Thermobarriereschichten an den Schaufeln in Kombination mit massiven Keramiksteinen als Brennkammerauskleidung ermöglicht.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Beschichtung aus einem metallischen Material besteht und insbesondere mittels Vakuum-Plasmaspritzen (VPS) aufgebracht ist.
Hierzu können unterschiedliche mittels VPS verarbeitbare Korrosionsschutzschichten verwendet werden, z. B. der Art M Cr AlY, wobei M für Ni oder Co steht.
Auch eine Kombinationsbeschichtung aus einem metallischen Bondcoat als Haftvermittler mit darüberliegender Keramikdeckschicht wäre einsetzbar. Die Keramikdeckschicht kann vorteilhaft mittels Air-Plasma-Spraying-Verfahren aufgebracht sein.
Falls auf ein VPS-Bondcoat verzichtet werden kann, ist auch das unmittelbare Beschichten der Steine mit Keramikschichten denkbar.
Der geringe Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Keramiksteinen und einer keramischen APS-Beschichtung wirkt sich dabei günstig auf die Beständigkeit gegen thermische Wechselbeanspruchung aus. Die Ausführung einer Keramikschicht als Thermobarriereschicht hat den zusätzlichen Vorteil, daß der Kühlluftbedarf der Brennkammerauskleidung noch weiter gesenkt wird. Als Keramikbeschichtungen sind dabei übliche Wärmedämmschichten, wie z.B. Yr2O3-stabilisiertes ZrO2 oder aber SiO2 bzw. Al2O3 denkbar.
Die Erfindung kann auch vorteilhaft dadurch ausgestaltet werden, 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 Keramiksteine aus thermischen Gründen oder aus Gründen eines besseren Zusammenhalts der Schicht vorteilhaft sein.
Generell kann sowohl die Bindeschicht als auch die außenliegende Beschichtung als gradierte Schicht ausgeführt sein, bei der das Wärmeausdehnungsverhalten und die chemische Zusammensetzung sich über die Schichtdicke stetig verändern.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrieben.
Dabei zeigt
  • Figur 1 schematisch einen Längsschnitt eines Teils einer Gasturbine,
  • Figur 2 schematisch einen Schnitt der Brennkammergehäusewand mit verzerrten Größenverhältnissen, um die Beschichtung erkennbar zu machen.
    • Die Figur 1 zeigt schematisch erfindungsgemäße Gasturbinenanlage in einem Längsschnitt mit einem Gehäuse 1, in dem feststehende Leitschaufeln 3, 4 befestigt sind sowie einem Rotor 2, an dem Laufschaufeln 5, 6 befestigt sind. In dem Brennkammergehäuse 7 wird der über die Brenner 14, 15 eingespritzte Brennstoff mit der Luft aus dem Verdichter 16 verbrannt. Als Verdichter 16 wird dabei der Eingangsteil der Gasturbinenanlage bezeichnet, in dem einströmende Luft (Pfeile 17, 18) vor dem Einströmen in die Brennkammer 7 komprimiert wird.
    Die Expansion der Verbrennungsgase treibt die Turbine an. Mittels der Verbindungswelle 19 wird ein Generator 20 zur Erzeugung elektrischer Energie angetrieben.
    In der Figur 2 ist der Oberflächenbereich der Ringbrennkammer vereinfacht im Querschnitt dargestellt. Mittels Befestigungselementen 8, 9 sind Keramiksteine 10 an der Brennkammergehäusewand 11 befestigt, welche beispielsweise aus Metall besteht. Die Keramiksteine 10 bestehen beispielsweise aus Silizium- oder Aluminiumoxyd.
    In der Figur 2 ist eine Beschichtung der Keramiksteine 10 vergrößert in zwei Schichten dargestellt, von denen die untere Schicht eine Bindeschicht (Bondcoat) 12, die obere Schicht eine Keramikschicht 13 bildet, die auf der Bindeschicht 12 besonders gut haftet. Zusammen bilden die Schichten 12 und 13 eine in sich feste, die Keramiksteine 10 bedeckende Schicht, die etwaige von der Oberfläche der Keramiksteine 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 einer Metall-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierung (MCrAlY), während die Wärmedämmschicht 13 vorzugsweise aus yttriumoxidstabilisiertem Zirkoniumoxid, SiO2 oder Al2O3 besteht.
    In dem Bereich 21 der Figur 2 ist beispielhaft eine einschichtige Beschichtung 22 eines Keramiksteines dargestellt, wobei die Beschichtung aus Keramik besteht.

    Claims (5)

    1. Gasturbinenanlage mit einem Brennkammergehäuse (7), das auf der Innenseite mit massiven Keramiksteinen (10) ausgekleidet 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 Schaufeln auf der Turbinenseite eine keramische Wärmedämmschicht tragen,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Keramiksteine (10) an ihrer Oberfläche mit einer Beschichtung (12, 13) versehen sind.
    2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Beschichtung (12, 13) aus einem metallischen Material besteht und insbesondere mittels Vakuum-Plasmaspritzen (VPS) aufgebracht ist.
    3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Beschichtung aus einem Bondcoat und einer Keramikdeckschicht besteht und daß die Keramikdeckschicht (13) insbesondere mittels Air-Plasma-Spraying-Verfahren (APS) aufgebracht ist.
    4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Beschichtung als keramische Schicht ausgebildet ist.
    5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
      gekennzeichnet durch
      eine mehrlagige Beschichtung der Keramiksteine (10).
    EP98909340A 1997-01-29 1998-01-29 Gasturbinenanlage mit einem mit keramiksteinen ausgekleideten brennkammergehäuse Expired - Lifetime EP0960308B1 (de)

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    DE19704976A DE19704976C2 (de) 1997-01-29 1997-01-29 Gasturbinenanlage mit einem mit Keramiksteinen ausgekleideten Brennkammergehäuse
    PCT/DE1998/000324 WO1998034068A1 (de) 1997-01-29 1998-01-29 Gasturbinenanlage mit einem mit keramiksteinen ausgekleideten brennkammergehäuse

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    EP0960308A1 EP0960308A1 (de) 1999-12-01
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    EP (1) EP0960308B1 (de)
    JP (1) JP4294736B2 (de)
    DE (2) DE19704976C2 (de)
    RU (1) RU2178530C2 (de)
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