EP2750844A1 - Verfahren zum herstellen von feuerfestkeramiken für gasturbinenanlagen - Google Patents

Verfahren zum herstellen von feuerfestkeramiken für gasturbinenanlagen

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EP2750844A1
EP2750844A1 EP12748202.4A EP12748202A EP2750844A1 EP 2750844 A1 EP2750844 A1 EP 2750844A1 EP 12748202 A EP12748202 A EP 12748202A EP 2750844 A1 EP2750844 A1 EP 2750844A1
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EP
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refractory
gas turbine
casting
heat shield
ceramic
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EP12748202.4A
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Claus Krusch
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/08—Producing shaped prefabricated articles from the material by vibrating or jolting
    • B28B1/087—Producing shaped prefabricated articles from the material by vibrating or jolting by means acting on the mould ; Fixation thereof to the mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/14—Producing shaped prefabricated articles from the material by simple casting, the material being neither forcibly fed nor positively compacted
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B11/00—Apparatus or processes for treating or working the shaped or preshaped articles
    • B28B11/24—Apparatus or processes for treating or working the shaped or preshaped articles for curing, setting or hardening
    • B28B11/243—Setting, e.g. drying, dehydrating or firing ceramic articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B3/00—Producing shaped articles from the material by using presses; Presses specially adapted therefor
    • B28B3/02—Producing shaped articles from the material by using presses; Presses specially adapted therefor wherein a ram exerts pressure on the material in a moulding space; Ram heads of special form
    • B28B3/022—Producing shaped articles from the material by using presses; Presses specially adapted therefor wherein a ram exerts pressure on the material in a moulding space; Ram heads of special form combined with vibrating or jolting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B11/00—Presses specially adapted for forming shaped articles from material in particulate or plastic state, e.g. briquetting presses, tabletting presses
    • B30B11/02—Presses specially adapted for forming shaped articles from material in particulate or plastic state, e.g. briquetting presses, tabletting presses using a ram exerting pressure on the material in a moulding space
    • B30B11/022—Presses specially adapted for forming shaped articles from material in particulate or plastic state, e.g. briquetting presses, tabletting presses using a ram exerting pressure on the material in a moulding space whereby the material is subjected to vibrations
    • 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
    • F23R3/002—Wall structures
    • 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 process for the production of refractory ceramics for use as a heat shield in the hot gas path of gas turbine plants according to the preamble of claim 1.
  • Gas turbine plants essentially consist of a compressor, a burner and an expansion turbine.
  • In the compressor intake air is compressed before it is mixed in the nachge ⁇ off and disposed in the compressor plenum burner in a combustion chamber with fuel and burned this mixture.
  • the downstream of the combustion chamber for drinks ⁇ cycle turbine then withdraws the resulting Verbrennungsabga ⁇ sen thermal energy and converts it into mechanical energy ⁇ Ener.
  • a generator connected to the expansion turbine converts this mechanical energy for generating electricity into electrical energy.
  • Such heat shields can be carried out both metallic and ceramic.
  • ceramic materials vorzugt loading that are provided ⁇ for example by a casting process ago.
  • air pockets can form in the casting compound, which lead to defects (blowholes) in the green body or in the finished component can. These defects are present both in volume and on the surface of the refractory ceramics.
  • surface defects are the main criterion for quality control in the context of quality control, as these particularly affect the mechanical properties. Due to the voids, it can lead to a weakening of the mechanical structures and thus to increased cracking in the refractory ceramic.
  • the object of the invention is to provide a method to stel ⁇ len, which avoids this disadvantage.
  • a heat shield consisting of at least one refractory ceramic manufactured by the method according to the invention is particularly robust and a gas turbine plant equipped with such a heat shield can be safely operated.
  • the invention will now be explained by way of example with reference to the refractory ceramic K shown in the figure.
  • a non-nä ⁇ forth shown mold cover is used, which dips when placed on the mold shell in the molding compound therein and the casting compound when closing the lid zuneh ⁇ ing up to the mold closure with a previously defined static Pressure applied.
  • the filling level of the casting compound represents the essential process parameter, which determines the mass displacement degree and thus the resulting static pressure.
  • the placing of the mold cover can already be carried out with vibration.
  • For secure mold closure is the
  • a clamping device with the high clamping forces can be generated.
  • a clamping ⁇ device represent, for example, toggle clamps.
  • the geometry of the mold closure already corresponds to the actual geometry of the produced refractory ceramic K, so that a reworking of the component surfaces can be completely eliminated and also the grinding of any existing sprue webs can be significantly reduced.
  • the sealed, static pressure mold is then vibrated directionally. With the vibration ⁇ or force introduction direction V, which is determined by the position of the mold relative to the vibration direction, the distribution of surface and volume errors (voids) in the component K can be controlled.
  • the force direction V is to be chosen such that it toward the Oberflä ⁇ normals N of the quality-critical component area - acts - here the hot gas side HS of refractory ceramics.
  • a virtually void-free surface of the hot gas side HS of the refractory ceramic for gas turbine plants can be achieved.
  • the side surfaces SF - similar quality requirements as the hot gas side described above are subjected to HS, the directed Vib ⁇ ration for these areas is to be repeated in the same manner.
  • the casting mold is then vibrated one after the other in a direction normal to the quality-critical component surfaces.
  • the essential process parameters for the directed vibration make the vibration direction, time, frequency and - amplitude and the stati ⁇ specific pressure generated by the mold closure is Overall, there are therefore by the inventions dung process according to the following advantages:.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Feuerfestkeramiken (K) für den Einsatz als Hitzeschild im Heißgaspfad von Gasturbinenanlagen, umfassend die Schritte: • - Einfüllen einer Gießmasse in eine Bauteilgießform für die Feuerfestkeramik (K), • - Verschließen der Gießform, so dass die Gießmasse nach dem Verschließen unter einem definierten statischen Druck steht, • - gerichtetes Vibrieren der Gießform in Richtung (V) einer Oberflächenormalen (N) einer Oberfläche der herzustellenden Feuerfestkeramik (K), an die besondere Qualitätsanforderungen für den Einsatz als Hitzeschild gestellt werden, und • - anschließendes Entformen und Brennen des gegossenen Bauteils.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Herstellen von Feuerfestkeramiken für Gasturbinenanlagen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Feuerfestkeramiken für den Einsatz als Hitzeschild im Heißgaspfad von Gasturbinenanlagen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gasturbinenanlagen bestehen im Wesentlichen aus einem Verdichter, einem Brenner und einer Entspannungsturbine. Im Verdichter wird angesaugte Luft verdichtet, bevor sie im nachge¬ schalteten und im Verdichterplenum angeordneten Brenner in einer Brennkammer mit Brennstoff gemischt und dieses Gemisch verbrannt wird. Die der Brennkammer nachgeschaltete Entspan¬ nungsturbine entzieht dann den entstandenen Verbrennungsabga¬ sen thermische Energie und wandelt diese in mechanische Ener¬ gie um. Ein mit der Entspannungsturbine verbundener Generator wandelt diese mechanische Energie zur Stromerzeugung noch in elektrische Energie um.
Im Betrieb der Gasturbinenanlage entstehen in der Brennkammer, die den Heißgaspfad zwischen Brenner und Gasturbine bil- det, Temperaturen, die typischerweise in der Größenordnung von ca. 1300 bis 1500 Grad Celsius liegen. Zur thermischen Abschirmung der den Heißgaspfad umschließenden Bauteile und Tragstrukturen werden deshalb entsprechende Brennkammeraus¬ kleidungen, beispielsweise in Form von Hitzeschilden, einge- setzt.
Solche Hitzeschilde können dabei sowohl metallisch als auch keramisch ausgeführt werden. Bei Gasturbinenanlagen werden aufgrund der agressiven Heißgase keramische Materialien be- vorzugt, die beispielsweise mittels eines Gießprozesses her¬ gestellt werden. Im Verlauf des Gießprozesses können aber in der Gießmasse Lufteinschlüsse entstehen, die zu Fehlstellen (Lunker) im Grünling bzw. im fertig gebrannten Bauteil führen können. Diese Fehlstellen liegen dabei sowohl im Volumen als auch an der Oberfläche der Feuerfestkeramiken vor. Oberflächenfehler stellen aber gerade auf der Heißgasseite der Feuerfestkeramik das Hauptausschusskriterium im Rahmen der Qua- litätskontrolle dar, da diese die mechanischen Eigenschaften besonders beeinflussen. Durch die Lunker kann es zu einer Schwächung der mechanischen Strukturen und damit zu einer verstärkten Rissbildung in der Feuerfestkeramik kommen. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stel¬ len, das diesen Nachteil vermeidet.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren des Anspruchs 1 gelöst welches die folgende Schritte umfasst:
- Einfüllen einer Gießmasse in eine Bauteilgießform für eine Feuerfestkeramik,
- Verschließen der Gießform, so dass die Gießmasse nach dem Verschließen unter einem definierten statischen Druck steht,
- gerichtetes Vibrieren der Gießform in Richtung (V) einer Oberflächenormalen (N) einer Oberfläche der herzustellenden
Feuerfestkeramik, an die besondere Qualitätsanforderungen für den Einsatz als Hitzeschild gestellt werden,
- und anschließendes Entformen und Brennen des gegossenen Bauteils .
Dadurch, dass die Gießmasse nach dem Einbringen in die Gießform unter Aufrechterhaltung eines definierten statischen Drucks in Richtung der Oberflächennormalen qualitätskritischer Bauteilflächen gerichtet vibriert wird, lässt sich eine nahezu lunkerfreie Oberfläche erzielen. Eine Schwächung des keramischen Hitzeschildes, insbesondere der am stärksten be¬ anspruchten Heißgasseite aufgrund festigkeitsreduzierender Fehlstellen, wird so effektiv verhindert. Sollen weitere Oberflächen der Feuerfestkeramik ähnliche Qualitätsmerkmale aufweisen, muss der Vibrationsschritt in Rich¬ tung der Oberflächennormalen dieser Oberflächen jeweils entsprechend wiederholt werden. Ein Hitzeschild bestehend aus zumindest einer Feuerfestkera¬ mik die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, ist dabei besonders robust und eine mit einem solchen Hitze- schild ausgerüstete Gasturbinenanlage kann sicher betrieben werden .
Die Erfindung soll nun anhand der in der Figur dargestellten Feuerfestkeramik K beispielhaft erläutert werden. Im Rahmen des Gießprozesses dieser Feuerfestkeramik kommt ein nicht nä¬ her gezeigter Gießformdeckel zum Einsatz, der beim Aufsetzen auf die Gießformschale in die darin befindliche Gießmasse eintaucht und die Gießmasse beim Schließen des Deckels zuneh¬ mend bis hin zum Gießformverschluss mit einem zuvor festge- legten statischen Druck beaufschlagt. Bei gegebener Deckelgeometrie stellt die Füllhöhe der Gießmasse den wesentlichen Prozessparameter dar, der den Masse-Verdrängungsgrad und da¬ mit den resultierenden statischen Druck bestimmt. Vorzugsweise kann bereits das Aufsetzen des Gießformdeckels unter Vib- ration erfolgen. Zum sicheren Gießformverschluss ist die
Gießform dann mit einer Spannvorrichtung zu versehen, mit der hohe Spannkräfte erzeugt werden können. Eine derartige Spann¬ vorrichtung stellen beispielsweise Kniehebelspanner dar. Vorzugsweise entspricht die Geometrie des Gießformverschlusses schon der eigentlichen Geometrie der zu erzeugenden Feuerfestkeramik K, so dass eine Nachbearbeitung der Bauteilflächen ganz entfallen kann und auch das Schleifen gegebenenfalls vorhandener Angussstege deutlich reduziert werden kann. Die verschlossene, unter statischem Druck stehende Gießform wird anschließend gerichtet vibriert. Mit der Vibrations¬ bzw. Krafteinleitungsrichtung V, die durch die Lage der Gießform relativ zur Vibrationsrichtung bestimmt wird, kann die Verteilung der Oberflächen- und Volumenfehler (Lunker) im Bauteil K gesteuert werden. Die Krafteinleitungsrichtung V ist dabei derart zu wählen, dass sie in Richtung der Oberflä¬ chennormalen N der qualitätskritischen Bauteilfläche - hier der Heißgasseite HS der Feuerfestkeramik - wirkt. Somit kann hier eine nahezu lunkerfreie Oberfläche der Heissgasseite HS der Feuerfestkeramik für Gasturbinenanlagen erreicht werden.
Sollen weitere Flächen - zum Beispiel die Seitenflächen SF - ähnlichen Qualitätsanforderungen wie der zuvor beschriebenen Heißgasseite HS unterzogen werden, so ist die gerichtete Vib¬ ration für diese Flächen in gleicher Weise zu wiederholen. Die Gießform wird dann nacheinander jeweils normal zu den qualitätskritischen Bauteilflächen gerichtet nachvibriert.
Die wesentlichen Prozessparameter für die gerichtete Vibration stellen die Vibrationsrichtung, -zeit, -frequenz und - amplitude sowie der durch den Formverschluss erzeugte stati¬ sche Druck dar. Insgesamt ergeben sich somit durch das erfin- dungsgemäße Verfahren folgende Vorteile:
- Ausschussreduzierung durch Lunkervermeidung bzw. signifikante Reduzierung der Lunkerhäufigkeit auf den Hitzeschild¬ oberflächen;
- Erhöhung der passiven Sicherheit der keramischen Hitzeschilde durch Reduzierung der Fehlstellenanzahl und -große;
- Reproduzierbarkeit des Herstellungsverfahrens wird erheb¬ lich verbessert;
- Automatisierbarkeit des Herstellungsprozesses;
- Reduzierung der Stückkosten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Feuerfestkeramiken für den Einsatz als Hitzeschild im Heißgaspfad von Gasturbinenanla- gen, umfassend die Schritte:
- Einfüllen einer Gießmasse in eine Bauteilgießform für die Feuerfestkeramik,
- Verschließen der Gießform, so dass die Gießmasse nach dem Verschließen unter einem definierten statischen Druck steht, - gerichtetes Vibrieren der Gießform in Richtung (V) einer Oberflächenormalen (N) einer Oberfläche der herzustellenden Feuerfestkeramik, an die besondere Qualitätsanforderungen für den Einsatz als Hitzeschild gestellt werden,
- und anschließendes Entformen und Brennen des gegossenen Bauteils.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s
die Oberfläche an die besondere Qualitätsanforderungen ge- stellt wird, die Heißgasseite (HS) der Feuerfestkeramik (K) ist .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s
der Schritt des gerichteten Vibrierens für weitere Oberflä¬ chen der herzustellenden Feuerfestkeramik wiederholt wird.
4. Hitzeschild für eine Gasturbinenanlage, bestehend aus zu¬ mindest einer Feuerfestkeramik die mit dem Verfahren nach ei- nem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt ist.
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