EP1712745A1

EP1712745A1 - Komponente einer Dampfturbinenanlage, Dampfturbinenanlage, Verwendung und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: EP1712745A1
Application number: EP05008207A
Authority: EP
Inventors: Detlef Dr. Haje; Dietmar Dr. Röttger; Friedhelm Schmitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2006-10-18
Also published as: WO2006108746A1; EP1869292B1; US8137063B2; EP1869292A1; JP2008536050A; PL1869292T3; CN101155973A; CN101155973B; US20090041578A1

Abstract

Um einer heißdampfbeaufschlagten Komponente (10, 20, 30, 40) einer Dampfturbinenanlage gleichzeitig eine hohe Temperaturals auch mechanische Beständigkeit zu verleihen, weist die Komponente (10, 20, 30, 40) an einer einem Heißdampfraum (1) zugewandten Heißseite (3) eine auf einen Bauteilkörper (23) aufgebrachte Verkleidung (7) auf, die der Kontur (5) des Bauteilkörpers (23) angepasst ist. Gemäß dem neuen Konzept weist die Verkleidung (7) eine Anzahl von Formstücken (27) auf, und ein Formstück (27) weist eine Metall- und Keramikverbundschicht (9) auf, die wenigstens aus einer Metallschicht (11) und wenigstens einer Keramikschicht (13) gebildet ist. Die Keramikschicht (13) dient insbesondere als Dämmschicht. Die Metallschicht (11) dient insbesondere als Stütze oder auch zum Schutz gegen Abrieb und/oder Erosion.

Description

Die Erfindung betrifft eine Komponente einer Dampfturbinenanlage, zur Beaufschlagung mit Heißdampf, mit einer einem Heißdampfraum zugewandten Heißseite, die eine Kontur und eine Verkleidung aufweist. Die Erfindung betrifft weiter eine Dampfturbinenanlage, eine Verwendung und ein Herstellungsverfahren.
Eine Dampfturbinenanlage besteht üblicherweise aus der Dampfturbine als solcher und einer Dampfturbinenperipherie. Die Peripherie dient dabei unter anderem der Zuführung und Abführung von Heißdampf zu bzw. von der Dampfturbine. Durch die eingangsseitige Peripherie wird der Heißdampf der Turbine bei einer hohen Temperatur und einem hohen Druck einem Turbinengehäuse zugeführt. Dazu wird der Heißdampf zunächst einem Einströmbereich der Turbine zugeführt, der sich im Wesentlichen zwischen einem Anschluss eines Dampfkessels an die Turbine und dem Beginn einer Beschaufelung im Gehäuse bzw. am Rotor der Turbine erstreckt. In der Dampfturbine wird der Heißdampf als Arbeitsmedium unter Abkühlung und Entspannung an den Turbinenschaufeln vorbeigeführt und treibt auf diese Weise unter Abgabe seiner thermischen und kinetischen Energie den Rotor der Turbine an. Die Drehung kann zum Antrieb eines Generators und dort zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden. Das entspannte und abgekühlte Arbeitsmedium kann in Form von abgekühltem und entspanntem Dampf in der ausgangsseitigen Peripherie, z. B. über einen Kondensator, rezirkulieren.
Um den Wirkungsgrad einer solchen Dampfturbinenanlage zu erhöhen, ist es notwendig unter anderem den Druck und die Temperatur des Arbeitsmediums, also des Heißdampfes, zu erhöhen. Dies hat eine Vielzahl zusätzlicher oder erhöhter Beanspruchungen der eingesetzten Werkstoffe bei Komponenten mit hohen thermischen Belastungen, insbesondere in der Peripherie der Turbinenanlage, dem Einströmbereich, Gehäuse- oder Rotorbereich der Turbine der Turbinenanlage zur Folge. Denn bei hohen Betriebstemperaturen kommt es z. B. aufgrund chemischer Reaktionen des Werkstoffes mit dem Arbeitsmedium unter anderem zu einer erhöhten Oxidationsrate, was in vermehrtem Maße zur Zunderbildung führt. Dies ist unerwünscht und bereitet mannigfaltige Probleme, unter anderem hinsichtlich des Dichtungsverhaltens der jeweiligen Komponente oder nachgeschalteter Bauteile.
Zur Lösung derartiger Probleme ist man bislang dazu übergegangen, insbesondere in der Peripherie der Turbinenanlage, dem Einströmbereich und/oder dem Gehäuse- oder Rotorbereich der Turbine der Turbinenanlage für die Leitungs- und/oder Sammelkomponenten höherwertige Werkstoffe einzusetzen. Hohe Temperaturen der Komponenten haben jedoch in der Regel auch eine Absenkung der zulässigen mechanischen Beanspruchung zur Folge, was wiederum den Einsatz von noch höherwertigeren Werkstoffen nicht nur bei der Komponente selbst, sondern auch bei deren konstruktiven Verankerung bedingt.
Höherwertigere Werkstoffe sind nicht nur kostenintensiv, sondern auch arbeitsintensiv hinsichtlich ihrer Verarbeitung und ihrem Einsatz. Prinzipien der Kühlung für Komponenten einer Dampfturbinenanlage sind grundsätzlich bekannt, haben jedoch Einbußen im Wirkungsgrad der Gesamtanlage zur Folge.
Man ist deshalb dazu übergegangen, zum Teil, insbesondere bei Komponenten, die hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, Isolierungen anzubringen. Diese werden bislang, beispielsweise bei Rohrleitungen, Kesseln oder Sammlern der Peripherie, im Rahmen eines Spritzverfahrens aufgebracht, bei dem ein Beschichtungspulver thermisch aufgespritzt wird.
Daneben ist es bekannt, Wärmedämmgewebe auf einer einem Heißdampfraum zugewandten Heißseite einer Komponente der Peripherie anzubringen. Solche Wärmedämmmaterialien können in der Regel in Schichten mit hoher Dicke aufgetragen werden und wären im Prinzip gut geeignet. Allerdings sind im Rahmen höherer Betriebstemperaturen und höherer Betriebsdrücke inzwischen die Strömungseigenschaften von Dampfströmungen in und/oder an einer Komponente, z. B. bereits aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit, derart aggressiv, dass die genannten Wärmedämmmaterialien sich als nicht ausreichend fest erweisen und bereits nach kurzer Zeit, z. B. durch Erosion, sonstigen Abrieb und/oder durch Oxidation, zerstört und/oder abgelöst werden können. Verstärkt wird dieser Effekt noch durch Thermo-Schock-Beanspruchungen, die die Werkstoffe spröde machen oder jedenfalls Spannungen erzeugen. Abgelöste Wärmedämmmaterialien gelangen dann in den Strom des Arbeitsmediums und können zu einer weiteren Verstärkung der Erosionsbeschädigung sowohl in der Peripherie als auch der Turbine der Turbinenanlage führen.
Wünschenswert wäre eine Verkleidung mit gleichzeitig hohen Wärmedämmungseigenschaften und hohen Abriebfestigkeiten. Bislang führt die Erhöhung der Wärmedämmung durch Erhöhung einer Dicke einer Wärmedämmschicht in der oben erläuterten Weise zu einer Verringerung der mechanischen Beständigkeit. Eine Erhöhung der mechanischen Beständigkeit durch eine Verringerung der Dicke einer Wärmedämmschicht führt andererseits zu einer geringeren thermischen Beständigkeit, da die Wärmedämmung mit abnehmender Dicke ebenfalls abnimmt.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Komponente einer Dampfturbinenanlage zur Beaufschlagung mit Heißdampf, eine Dampfturbinenanlage sowie eine Verwendung und ein Herstellungsverfahren anzugeben, gemäß dem gleichermaßen eine thermische und mechanische Beständigkeit der Komponente, selbst bei erhöhten Temperatur- und Druckparametern eines Heißdampfes, insbesondere bei Temperaturen oberhalb von 600 °C und/oder Drücken oberhalb von 250 bar, vorteilhaft verbessert ist.
Die Aufgabe hinsichtlich der Komponente wird durch eine eingangs genannte Komponente gelöst, bei der erfindungsgemäß die Verkleidung im Bereich der Heißseite der Komponente angeordnet ist und durch eine Anzahl von an die Kontur angepassten Formstücken gebildet ist, wobei ein Formstück jeweils als eine Metall- und Keramik-Verbundschicht mit wenigstens einer Metallschicht und wenigstens einer Keramikschicht ausgebildet ist.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass grundsätzlich eine physikalische Trennung einer Oberfläche einer Komponente von einem mit Heißdampf beaufschlagten Heißdampfraum vorteilhaft ist, d. h. die Erfindung geht davon aus, eine Kontur einer einem Heißdampfraum zugewandten Heißseite der Komponente mit einer Verkleidung zu versehen. Die Erfindung hat darüber hinaus aber im Unterschied zum Stand der Technik ebenfalls erkannt, dass es infolge der Dicke einer solchen Verkleidung, wenn diese, um gesteigerte Wirkungsgrade zu erreichen, bei hohen Druck- und Temperaturparametern, insbesondere > 600 °C und/oder > 250 bar, einem Arbeitsmedium ausgesetzt wird, zu erheblichen Einschränkungen der Beständigkeit der Komponente kommt. Mit steigender Dicke einer thermischen Isolierung steigt ihre thermische Isolationswirkung, es sinkt aber in der eingangs erläuterten Weise ihre mechanische Beständigkeit, insbesondere bei Thermoschock-Beanspruchung. Mit abnehmender Dicke der Verkleidung sinkt die thermische Isolationswirkung und steigt die mechanische Beständigkeit unter Einfluss eines Arbeitsmediums, das infolge hoher Temperaturen und hoher Drücke eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und eine hohe Reaktivität aufweist. Die Erfindung löst diesen Konflikt durch den Einsatz einer Verkleidung in Form einer Anzahl von konturangepassten Formstücken, die an der Heißseite eine Metall- und Keramik-Verbundschicht aufweisen.
Es hat sich nämlich betreffend einen ersten Aspekt der Erfindung gezeigt, dass sich im Falle einer Metall- und Keramik-Verbundschicht, die aus einer Metallschicht und einer Keramikschicht gebildet ist, eine größere Schichtdicke erzielen lässt. Die Schichten der Verbundschicht sind vorteilhaft stoffschlüssig, insbesondere innig, miteinander verbunden. Sie können aber auch durch Verfahren wie Schrauben, Stecken oder Nieten verbunden sein. Das heißt, es lässt sich für den genannten Fall einer Verbundschicht die thermische Isolationswirkung der Verkleidung erhöhen, ohne dabei die mechanische Beständigkeit zu verringern. Die Verkleidung gemäß dem neuen Konzept erweist sich in verschiedensten Varianten als besonders abriebfest und erosionsbeständig.
Darüber hinaus hat sich betreffend einen zweiten Aspekt der Erfindung gezeigt, dass die Anbringung einer Verkleidung je nach Ausmaß einer Komponente in Form einer Anzahl oder einer Vielzahl von Formstücken auf der Kontur nicht nur die mechanische Beständigkeit der Verkleidung erhöht, sondern auch eine bessere Haftung der Auskleidung an der Heißseite garantiert und zudem unempfindlicher gegen wechselnde Temperatur und mechanische Beanspruchungen im Hochtemperatur- und Hochdruckbereich ist. Überraschenderweise hat sich gerade bei Turbinengehäusen, z. B. im Einströmbereich einer Turbinenanlage sowie bei Leitungs- und/oder Sammelkomponenten gezeigt, dass sich wegen ihrer oft verwinkelten und unzugänglichen Ausführung ein Plasmaspritzen oder andere thermische Spritzverfahren als weniger zuverlässig erweisen als eine als besonders vorteilhaft erkannte Verkleidung in Form einer Vielzahl von konturangepassten Formstücken. Ein Formstück kann dabei vorzugsweise selbst derart gekrümmt, gewölbt oder gebogen sein, dass es z. B. passgenau auf eine Kontur passt und in diesem Sinne konturangepasst ist. Dies kann insbesondere bei kleinen Komponenten vorteilhaft sein. Insbesondere bei großen Komponenten kann ein Formstück selbst gegebenenfalls planar sein. Dennoch kann die Verkleidung konturangepasst sein, beispielsweise dadurch, dass an vereinzelten Stellen der Kontur ausreichend kleine Formstücke angebracht sind.
Durch die Verkleidung, die gemäß dem neuen Konzept eine Kombination der beiden oben genannten Aspekte vorsieht, werden die oben geschilderten Nachteile des Standes der Technik vermieden. Die mechanische, thermische und chemische Beanspruchung an der Heißseite der Komponente wird durch die Verkleidung gemäß dem neuen Konzept herabgesetzt. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit derzeitige Werkstoffe für höhere Arbeitsmediumsparameter einzusetzen oder bei gleichbleibenden Parametern kostengünstigere Werkstoffe zu verwenden.
Darüber hinaus erweist sich insbesondere die Wärmedämmung im Inneren der Komponente, die Minimierung des Temperaturgefälles von innen nach außen, die Minimierung des Wärmeverluststroms als auch die chemische Resistenz, insbesondere die Korrosionsbeständigkeit, als verbessert gegenüber dem Stand der Technik. Diese und weitere Vorteile werden insbesondere durch vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ausgebaut, die den Unteransprüchen zu entnehmen sind und die im Einzelnen Möglichkeiten angeben, eine Komponente einer Dampfturbinenanlage zur Beaufschlagung mit Heißdampf gemäß dem neuen Konzept zu realisieren.
Gemäß einer ersten Variante kann die Keramikschicht der Heißseite näher sein als die Metallschicht. Dies hat den Vorteil, dass die Metallschicht als eine Halterung, Fixierung und Gegenlagerung der Keramikschicht dient. Das heißt, praktisch dient die Metallschicht innerhalb der Verbundschicht als Stützschicht für die Keramikschicht. Dies erhöht die mechanische Beständigkeit der Verbundschicht als Ganzes, insbesondere bei hoher mechanischer Beanspruchung im Rahmen erhöhter Arbeitsmediumsparameter. Die hinter die Keramikschicht zurückgesetzte Metallschicht ist darüber hinaus einer geringeren Korrosion ausgesetzt.
Gemäß einer zweiten Variante kann die Metallschicht der Heißseite näher sein als die Keramikschicht. In diesem Fall dient die Metallschicht innerhalb der Verbundschicht vor allem als Abrieb- und/oder Erosionssicherung für die Keramikschicht. Das heißt, die Keramikschicht wird durch die Strömung, insbesondere bei hohen Strömungsparametern, weniger stark mechanisch beansprucht.
In einer dritten Variante werden die Vorteile der beiden vorgenannten Varianten vereinigt, indem die Keramikschicht zwischen einer unmittelbar benachbarten ersten Metallschicht und zweiten Metallschicht angeordnet ist. Hier wird die Stützeigenschaft der ersten Metallschicht auf der Kaltseite kombiniert mit einer erosionssichernden Eigenschaft einer zweiten Metallschicht auf der Heißseite.
Grundsätzlich könnte im Rahmen einer vierten Variante auch die Metallschicht zwischen einer unmittelbar benachbarten ersten Keramikschicht und zweiten Keramikschicht angeordnet sein. In diesem Fall kann die Metallschicht als innere Stützschicht dienen und ist gleichzeitig durch die keramischen Schichten gegen chemische und insbesondere korrosive Belastungen insbesondere auf der Heißseite geschützt.
Welche der vier Varianten sich im Einzelfall als vorteilhaft erweist, ist in bezug auf eine konkrete Anwendung zu entscheiden. Es hat sich insbesondere gezeigt, dass sich die Dicke einer Verkleidung im Rahmen des neuen Konzepts, d. h. im Rahmen eines konturangepassten Formstücks mit einer vor mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen schützenden Verbundschicht bereits mit einer Verbundschichtdicke oberhalb von 2 mm realisieren lässt. Dies ist allerdings ein Dickenbereich, der bei Verkleidungen gemäß dem Stand der Technik bereits zu erhöhter Thermoschock-Empfindlichkeit führen würde, insbesondere bei der Beaufschlagung der Komponente mit Heißdampf bei Temperaturen oberhalb von 600 °C und Drücken oberhalb von 250 bar.
Weiterbildungen aller vier Varianten können den weiteren Unteransprüchen entnommen werden und sind im Übrigen anhand der Zeichnung beispielhaft im Detail beschrieben.
Die Erfindung führt insbesondere auf eine Dampfturbinenanlage mit einer Komponente der oben erläuterten Art. Insbesondere erweist sich eine Verwendung der Komponente als Leitungs- und/oder Sammelkomponente im Rahmen einer Peripherie der Dampfturbinenanlage als vorteilhaft. Darüber hinaus erweist sich auch eine Verwendung der Komponente bei einem Gehäuseteil, insbesondere im Einströmbereich einer Dampfturbine einer Dampfturbinenanlage als vorteilhaft. Die Einströmung kann in diesem Zusammenhang selbst als Leitungskomponente aufgefasst werden.
Es kann ebenfalls vorteilhaft sein, ein Verkleidungsformstück mit einer Metall- und Keramik-Verbundschicht an einer Heißseite im Rotor- und Schaufelbereich einer Dampfturbine zu verwenden.
Hinsichtlich des Herstellungsverfahrens wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein Herstellungsverfahren für eine Komponente einer Dampfturbinenanlage, zur Beaufschlagung mit Heißdampf gelöst, die eine einem Heißdampfraum zugewandte Heißseite und die eine Kontur aufweist. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass

der Bauteilkörper der Komponente bereitgestellt wird,
eine Verkleidung aufgebracht wird, indem
eine die Verkleidung bildende Anzahl von Formstücken aufgebracht wird, wobei
ein konturangepasstes Formstück zur Verfügung gestellt wird, und
dem Verlauf der Kontur entsprechend und mit einer Metall- und Keramik-Verbundschicht zur Heißseite hin gerichtet angebracht wird, wobei
die Verbundschicht aus wenigstens einer Metallschicht und wenigstens einer Keramikschicht gebildet wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung am Beispiel einer Rohrleitung für eine Dampfturbine beschrieben. Darüber hinaus erweist sich die Erfindung auch als besonders zweckmäßig für andere Komponenten einer Peripherie einer Dampfturbinenanlage, z. B. das Ausführungsbeispiel eines Sammlers, insbesondere eines Austrittssammlers oder eines Kessels einer Dampfturbinenanlage. Die Zeichnung kann auch auf solche Ausführungsbeispiele gelesen werden, die vorliegend nicht explizit genannt sind, z. B. eine Komponente eines Gehäuses eines Einströmbereichs oder eines Rotors oder einer Schaufel einer Dampfturbine. Die Zeichnung ist, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Im Einzelne zeigt die Zeichnung in:

FIG 1A: eine Kontur und eine Verkleidung einer Rohrleitung im Rahmen einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß dem Konzept der Erfindung;
FIG 1B: eine Kontur und eine Verkleidung bei einer Rohrleitung im Rahmen einer zweiten besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß dem Konzept der Erfindung;
FIG 2A: eine Kontur und eine Verkleidung bei einer Einströmung im Rahmen einer dritten besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß dem Konzept der Erfindung;
FIG 2B: eine Kontur und eine Verkleidung bei einer Einströmung im Rahmen einer vierten besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß dem Konzept der Erfindung;
FIG 3: eine perspektivische Schnittansicht einer Einströmung gemäß einer der oben genannten besonders bevorzugten Ausführungsformen.

FIG 1A zeigt eine Leitungskomponente 10 in Form einer Rohrleitung einer Dampfturbinenperipherie oder im Einströmbereich einer Dampfturbine zur Beaufschlagung mit Heißdampf, wobei die Dampfturbine nicht näher dargestellt ist. Ein Bauteil kann beispielsweise aus 9-12 % Cr-Stahlwerkstoff hergestellt werden. Die Leitungskomponente 10 weist eine einem Heißdampfraum 1 zugewandte Heißseite 3 auf, die eine Kontur 5 und eine Verkleidung 7 aufweist. Die Verkleidung 7 ist in Form einer Vielzahl von in FIG 3 gezeigten Formstücken 27 auf der Kontur 5 gebildet, wobei die Verkleidung in der FIG 1A im Schnitt gezeigt und in FIG 3 als perspektivische Schnittansicht in Bezug auf die Formstücke 27 näher erläutert und gezeigt ist.
Ein in FIG 1A nicht näher dargestelltes Formstück 27 der Verkleidung 7 ist, wie der Schnitt der Verkleidung zeigt, in seiner geschwungenen Form der geschwungenen Kontur 5 angepasst. Das heißt, das Formstück 27 ist im Wesentlichen wie die Kontur 5 gekrümmt und verläuft parallel zur Kontur 5 und ist der Heißseite 3 der Leitungskomponente 10 zugewandt. An der Heißseite 3 weist das Formstück 27 eine Metall- und Keramik-Doppelverbundschicht 9 auf, die aus genau einer Metallschicht 11 und genau einer Keramikschicht 13 gebildet ist. Insbesondere sind die Metallschicht 11 und die Keramikschicht 13 auf innige Weise stoffschlüssig miteinander verbunden.
Im Rahmen der in FIG 1A gezeigten Ausführungsform einer Leitungskomponente 10 weist die Heißseite 3 die Metall- und Keramik-Verbundschicht 9 unmittelbar auf der Kontur 5 des Bauteilkörpers 23 der Komponente 10 auf. Die Verbundschicht 9 ist als solche mechanisch auf der Kontur 5 befestigt. Im Herstellungsverfahren kann dies beispielsweise durch eine Dübel-, Schrauben- oder Schweißverbindung erfolgen. Die Verkleidung 7 besteht aus der Verbundschicht 9. Es hat sich nämlich gezeigt, dass in der Peripherie von Dampfturbinen für den Temperaturbereich unterhalb von 1000 °C ein Formstück mit einer Verbundschicht 9 mit einer Dicke von größer als 2 mm gebildet werden kann. Dies ist ein Maß, das weit über übliche Wärmedämmschichten hinausgeht, und dennoch erweist sich die Verbundschicht 9 thermisch und mechanisch als äußerst beständig. Übliche Wärmedämmschichten in Form einer Verkleidung sind plasmagespritzt oder aufgedampft und können für eine solche Dicke gar nicht gefertigt werden - selbst wenn, sie hätten keine ausreichende mechanische Beständigkeit, welche aber im Rahmen des neuen Konzepts durch ein entsprechendes Formstück möglich wird.
Es sind vorteilhafte Wärmeisolationswirkungen erreichbar, die von Stoff, Porosität und Dicke der Verbundschicht 9 abhängig sind und die im Rahmen einer jeweiligen Anwendung zweckmäßig ausgeführt werden können.
Die Erosionsbeständigkeit ist dadurch, dass die Metallschicht 11 der Heißseite 3 näher ist als die Keramikschicht 13 erheblich verbessert. Darüber hinaus wirkt die Metallschicht 11 aber auch als oben liegende Halterung oder Fixierung für die Keramikschicht 13. Die Metallschicht ist vorliegend als ein hochtemperaturbeständiger Blechwerkstoff zur Verfügung gestellt, z. B. in Form eines Blechs aus einer Nickel-Basis-Legierung oder anderen alterungsbeständigen Legierung, die geeignet sind, eine Keramikschicht zu tragen. Im Rahmen eines Herstellungsverfahrens der Verbundschicht 9 kann diese leicht auf eine Keramikschicht 13 aufgeklebt oder anderweitig mechanisch befestigt werden, so dass an der Grenzschicht 15 eine innige Verbindung entsteht. Als Werkstoff für die Keramikschicht hat sich insbesondere eine Keramik mit besonders geringer Wärmeleitfähigkeit, z. B. eine auf Zirkonoxid basierende Keramik, als besonders vorteilhaft erwiesen. Die Keramikschicht dient zur Wärmeisolation. Sie ist zweckmäßigerweise auch aus einem geeignet druckfesten Material gebildet. Bei dieser Ausführungsform kann auf eine innige Verbindung der Keramik- und Metallschicht auch verzichtet werden. Um eine Verbundschicht zu erreichen, kann eine Metallschicht in Form eines Blechformstücks auf ein zunächst lose aufliegendes Keramikformstück angedrückt werden und letzteres durch einen Anpressdruck auf der Kontur halten.
Eine hier nicht dargestellte Modifikation dieses Ausführungsbeispiels könnte auch eine Sandwich-Anordnung in Form einer Metall-Keramik-Metall-Verbundschicht bilden. Das heißt, in Abwandlung von FIG 1A könnte auf der Rückseite der Keramikschicht 13 und direkt auf der Kontur 5 aufliegend eine weitere Metallschicht in Form einer Blechlage zur Verstärkung angeordnet sein. Ein solches zwischen Kontur 5 und Keramikschicht 13 liegendes Blech kann im Vergleich zur dargestellten Metallschicht 11 wegen seines niedrigeren Temperaturniveaus im Betriebsfall aus einem niedriger legierten Blechwerkstoff hergestellt werden, was Preisvorteile hat. Das der Heißseite 3 direkt zugewandte Blech ist aus einem hochwertigeren Blechstoff gefertigt.
In FIG 1B ist eine ähnliche, zweite Ausführungsform einer Leitungskomponente 20 gemäß dem Konzept der Erfindung gezeigt, bei der im Übrigen die der FIG 1A entsprechenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und nicht noch einmal erläutert werden. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform der Leitungskomponente 20 in FIG 1A ist bei der zweiten Ausführungsform in FIG 1B die Keramikschicht 13 der Heißseite 3 näher als die Metallschicht 11. Beide Schichten 11, 13 sind an der Grenzlinie 15 stoffschlüssig oder ggf. auch nur formschlüssig miteinander verbunden.
Vorliegend weist die Heißseite 3 die Metall- und Keramik-Verbundschicht 9 unter Bildung eines Abstandsraumes 17 von der Kontur 5 auf, d. h., Bauteilkörper 23 und Verbundschicht 9 sind voneinander beabstandet. Der Abstandsraum 17 ist in Form einer Kühlmittelzuführung 19 ausgebildet und hohl. Die Verkleidung 9 gemäß der zweiten Ausführungsform der Leitungskomponente 20 in FIG 1B kann durch ein Kühlmedium, insbesondere Kühldampf, hinterströmt werden. Die Verkleidung 7 ist also neben der Verbundschicht 9 auch mit einem Kühlmantel ausgestaltet, der durch die Kühlmittelzuführung gebildet wird.
Eine weitere Modifikation des Kühlmantels wird in Bezug auf die FIG 2A und 2B erläutert. Dabei sind wiederum Merkmale mit im Wesentlichen gleicher Funktion mit gleichen Bezugszeichen versehen.
FIG 2A zeigt eine dritte Ausführungsform einer Leitungskomponente 30, hier in Form einer Einströmung. Dabei ist die Keramikschicht 13 als eine dünne wärmedämmende Schicht auf einer Metallschicht 11 gebildet. Auf diese Weise wird der Wärmeeintrag durch den Heißdampf aus dem Heißdampfraum 1 in den Bauteilkörper 23 begrenzt. Darüber hinaus ist bei der dritten Ausführungsform 30 der FIG 2A die Metall- und Keramik-Verbundschicht 9 mit Bohrungen 21 versehen. Der ansonsten hohle Abstandsraum 17 dient als Kühlmittelzufühung 19, wobei das Kühlmittel durch die Bohrungen 21 in den Heißdampfraum 1 entweichen kann und damit eine kühlende Grenzschicht auf er als Wärmeisolierschicht ausgebildeten Keramikschicht 13 bildet, was einen zusätzlichen Wärmeisolierungseffekt hat. Vorliegend sind die Bohrungen 21 in der Metallschicht 11 und in der Keramikschicht 13 angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann die Keramikschicht 13 auch Poren aufweisen, durch die das Kühlmedium in den Heißdampfraum 1 entweichen kann.
In FIG 2B ist als vierte Ausführungsform eine Leitungskomponente 40 eine Modifikation der in FIG 2A gezeigten dritten Ausführungsform gezeigt. Wiederum werden im Wesentlichen die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die vierte Ausführungsform einer Leitungskomponente 40 weist einen Abstandsraum 40 auf, der mit einem porösen und/oder netzartigen Material 29 gefüllt ist. Dies kann insbesondere eine poröse Keramik oder ein Netz aus Fasermaterial, z. B. Glas oder Metallfasern, sein. Das auf diese Weise gebildete Rückhaltesystem im Abstandsraum 17 ist vorteilhaft etwas nachgiebig und stützt ansonsten die Verbundschicht 9 auf vorteilhafte Weise. Sowohl ein hohler Abstandsraum 17, wie in der dritten Ausführungsform einer Leitungskomponente 30 der FIG 2A als auch ein mit einem Rückhaltesystem gefüllter Abstandsraum 17 bei der vierten Ausführungsform einer Leitungskomponente 40 gemäß der FIG 2B entkoppeln auf vorteilhafte Weise die durch Formkörper 27 gebildete Verbundschicht 9 vom Bauteilkörper 23. Auf diese Weise ist die Verkleidung 7 in besonderem Maße gegen mechanische Erschütterungen z. B. durch insbesondere bei einer Leitungskomponente auftretende thermische Instabilitäten, z. B. bei transienten Betriebsvorgängen abgedämpft.
Eine ähnliche Entkopplung von Bauteilkörper 23 und Formstück 27 kann auch durch die im Zusammenhang mit der FIG 1A, 1B näher erläuterte Sandwichstruktur erreicht werden. Bei der ersten Ausführungsform einer Leitungskomponente 10 kann im Rahmen einer Modifikation eine nicht dargestellte zusätzliche Metallschicht zwischen Kontur 5 und Keramikschicht 13 die Wirkung einer zusätzlichen Halterung oder fixierenden Gegenlage haben. Auf diese Weise wird eine direkte Anbindung der Verbundschicht 9 der Leitungskomponente 10 an den Bauteilkörper 23 bei einem instationären Verhalten, z. B. bei thermischen Instabilitäten, gedämpft.
Eine solche Sandwichstruktur oder ein bzgl. FIG 2B erläutertes Rückhaltesystem erhöht in erheblichem Maße die Betriebssicherheit einer Leitungskomponente 10 oder 40.
Alle Verkleidungen 7 sind bei den Ausführungsformen 10, 20, 30, 40 durch eine Schweißverbindung 25 am Bauteilkörper 23 befestigt. Alternativ oder zusätzlich können auch weitere Verbindungsarten, wie Schrauben, Nieten, Klammern oder Verstiften o. ä. vorgesehen sein. Darüber hinaus kann es sich auch als vorteilhaft erweisen, dass ein oder mehrere der Anzahl von Formstücken 27 durch ein Netz miteinander verbunden sind. Dieses kann beispielsweise metallisch sein und in einer Keramikschicht 13 eingesintert sein. Dadurch werden die Formstücke miteinander vernetzt und besser gehalten. Das Netz kann vorzugsweise an der Kontur 5 befestigt sein.
FIG 3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die Leitungskomponenten 10, 20, 30, 40, bei denen die Verkleidung 7 in Form einer Vielzahl von Formstücken 27 auf der Kontur 5 gebildet sind. Jedes der Formstücke 27 ist der Kontur 5 im Bereich des Formstücks 23 angepasst.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens wird zunächst der Bauteilkörper 23 der Leitungskomponente 10, 20, 30, 40 bereitgestellt. Danach wird die Verkleidung 7 aufgebracht, indem eine die Verkleidung 7 bildende Vielzahl von Formstücken 27 aufgebracht wird, wobei jeweils ein konturangepasstes Formstück 27 zur Verfügung gestellt wird, und dem Verlauf der Kontur 5 entsprechend und mit einer Metall- und Keramik-Verbundschicht 9 zur Heißseite 3 hin gerichtet angebracht wird.
Wie im Zusammenhang mit den FIG 1A, 1B, 2A, 2B erläutert, wird zur Bildung der Verbundschicht eine Metallschicht und eine Keramikschicht stoff- oder formschlüssig miteinander verbunden. Die Formstücke 27 selbst sind im Rahmen des Herstellungsverfahrens je nach Bedarf angeschraubt, angeklebt oder wie im Zusammenhang mit den vorhergehenden Figuren gezeigt, durch eine Schweißverbindung 25 angeschweißt. Die genannten Fügevorgänge erweisen sich als vorteilhaft, insbesondere, da sie die Montierbarkeit der Formstücke 27 erleichtern und deren mechanische Stabilität gegenüber instationären thermischen Vorgängen verbessern.
Um einer heißdampfbeaufschlagten Komponente 10, 20, 30, 40 einer Dampfturbinenanlage gleichzeitig eine hohe Temperaturals auch mechanische Beständigkeit zu verleihen, weist die Komponente 10, 20, 30, 40 an einer einem Heißdampfraum 1 zugewandten Heißseite 3 eine auf einen Bauteilkörper 23 aufgebrachte Verkleidung 7 auf, die der Kontur 5 des Bauteilkörpers 23 angepasst ist. Gemäß dem neuen Konzept weist die Verkleidung 7 eine Anzahl von Formstücken 27 auf, und ein Formstück 27 weist eine Metall- und Keramikverbundschicht 9 auf, die aus wenigstens einer Metallschicht 11 und wenigstens einer Keramikschicht 13 gebildet ist. Die Keramikschicht 13 dient insbesondere als Dämmschicht. Die Metallschicht 11 dient insbesondere als Stütze oder auch zum Schutz gegen Abrieb und/oder Erosion.

Claims

Komponente (10, 20, 30, 40) einer Dampfturbinenanlage, zur Beaufschlagung mit Heißdampf, mit einer einem Heißdampfraum (1) zugewandten Heißseite (3), die eine Kontur (5) und eine Verkleidung (7) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verkleidung (7) im Bereich der Heißseite (3) der Komponente (10, 20, 30, 40) angeordnet ist und durch eine Anzahl von an die Kontur (5) angepassten Formstücken (27) gebildet ist, wobei ein Formstück (27) jeweils als eine Metall- und Keramik-Verbundschicht (9) mit wenigstens einer Metallschicht (11) und wenigstens einer Keramikschicht (13) ausgebildet ist.
Komponente nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Keramikschicht (13) der Heißseite (3) näher ist als die Metallschicht (11) (FIG 1B, FIG 2B).
Komponente nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Metallschicht (11) der Heißseite (3) näher ist als die Keramikschicht (13) (FIG 1A, FIG 2A).
Komponente nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Keramikschicht zwischen einer unmittelbar benachbarten ersten Metallschicht und zweiten Metallschicht angeordnet ist.
Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Heißseite (3) die Metall- und Keramik-Verbundschicht (9) unmittelbar auf der Kontur (5) aufweist (FIG 1A).
Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Heißseite (3) die Metall- und Keramik-Verbundschicht (9) unter Bildung eines Abstandsraums (17) von der Kontur (5) aufweist (FIG 1B, FIG 2A, FIG 2B).
Komponente nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstandsraum (17) in Form einer Kühlmittelzuführung (19) ausgebildet ist (FIG 1B, FIG 2A, FIG 2B).
Komponente nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Metall- und Keramik-Verbundschicht (9) Poren und/oder Bohrungen (21) aufweist (FIG 2A, FIG 2B).
Komponente nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstandsraum (17) mit einem porösen und/oder netzartigen Material gefüllt ist (FIG 2B).
Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein oder mehrere der Anzahl von Formstücken durch ein Netz verbunden sind, das insbesondere zur Befestigung an der Kontur vorgesehen ist.
Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Form einer Leitungs- und/oder Sammelkomponente (10, 20, 30, 40) insbesondere aus der Gruppe bestehend aus: Rohrleitung, Sammler, insbesondere Austrittssammler, Kessel.
Dampfturbinenanlage mit einer Komponente (10, 20, 30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verwendung einer Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als eine Leitungs- und/oder Sammelkomponente (10, 20, 30, 40) in der Peripherie einer Dampfturbine einer Dampfturbinenanlage.
Verwendung einer Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als ein Gehäuseteil, insbesondere im Einströmbereich einer Dampfturbine einer Dampfturbinenanlage.
Verwendung einer Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als Teil eines Rotors und/oder einer Schaufel einer Dampfturbine einer Dampfturbinenanlage.
Verwendung nach einem der Ansprüche 13 bis 15 für die Beaufschlagung mit Heißdampf bei einer Temperatur oberhalb von 600 °C und einem Druck oberhalb von 250 bar.
Herstellungsverfahren für eine Komponente (10, 20, 30, 40) einer Dampfturbinenanlage, zur Beaufschlagung mit Heißdampf, mit einer einem Heißdampfraum (1) zugewandten Heißseite (3), die eine Kontur (5) aufweist, wobei
- der Bauteilkörper (23) der Komponente bereit gestellt wird,

- eine Verkleidung (7) aufgebracht wird, indem

- eine die Verkleidung (7) bildende Anzahl von Formstücken (27) aufgebracht wird, wobei

- ein konturangepasstes Formstück (27) zur Verfügung gestellt wird, und

- dem Verlauf der Kontur (5) entsprechend und mit einer Metall- und Keramik-Verbundschicht (9) zur Heißseite (3) hin gerichtet angebracht wird, wobei

- die Verbundschicht (9) aus wenigstens einer Metallschicht (11) und wenigstens einer Keramikschicht (13) gebildet wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 15, bei dem ein Formstück durch Anschrauben, Anschweißen, Anlöten, Ankleben, Anstecken oder Annieten angebracht wird.