EP3120982A2 - Verfahren zum herstellen von feuerfestkeramiken für gasturbinenanlagen - Google Patents

Verfahren zum herstellen von feuerfestkeramiken für gasturbinenanlagen Download PDF

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EP3120982A2
EP3120982A2 EP16001473.4A EP16001473A EP3120982A2 EP 3120982 A2 EP3120982 A2 EP 3120982A2 EP 16001473 A EP16001473 A EP 16001473A EP 3120982 A2 EP3120982 A2 EP 3120982A2
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    • 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
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    • 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. Sucked air is compressed in the compressor before it is mixed with fuel in a combustion chamber arranged in the downstream burner arranged in the compressor plenum, and this mixture is burned. The expansion turbine downstream of the combustion chamber then extracts thermal energy from the resulting combustion exhaust gases and converts them into mechanical energy. A generator connected to the expansion turbine converts this mechanical energy for generating electricity into electrical energy.
  • combustion chamber which forms the hot gas path between burner and gas turbine.
  • combustion chamber linings for example in the form of heat shields, are used.
  • Such heat shields can be carried out both metallic and ceramic.
  • ceramic materials are preferred due to the aggressive hot gases, which are produced for example by means of a casting process.
  • a casting mold is used, which as Assembly is assembled from several individual parts.
  • molding surfaces are imaged on all sides by the casting mold, so that the desired component shape results directly.
  • the object of the invention is to provide a method which avoids this disadvantage.
  • a heat shield consisting of at least one refractory ceramic produced by the method is particularly robust and equipped with such a heat shield gas turbine plant can be operated safely.
  • mold cover is used, which dips when placed on the mold shell in the molding compound therein and increasingly affects the casting compound when closing the lid up to the mold closure with a predetermined static pressure.
  • the filling level of the casting compound represents the essential process parameter, which determines the mass displacement and thus the resulting static pressure.
  • the casting lid is already placed under vibration.
  • the mold is then to be provided with a clamping device, with the high clamping forces can be generated.
  • a clamping device represent, for example toggle levers.
  • the geometry of the mold closure already corresponds to the actual geometry of the refractory ceramic K to be produced, so that a post-processing of the component surfaces can be completely eliminated and also the grinding of any existing sprue webs can be significantly reduced.

Abstract

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 Oberflächennormalen (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.

Description

  • 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 nachgeschalteten und im Verdichterplenum angeordneten Brenner in einer Brennkammer mit Brennstoff gemischt und dieses Gemisch verbrannt wird. Die der Brennkammer nachgeschaltete Entspannungsturbine entzieht dann den entstandenen Verbrennungsabgasen thermische Energie und wandelt diese in mechanische Energie 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 bildet, 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 Brennkammerauskleidungen, beispielsweise in Form von Hitzeschilden, eingesetzt.
  • Solche Hitzeschilde können dabei sowohl metallisch als auch keramisch ausgeführt werden. Bei Gasturbinenanlagen werden aufgrund der agressiven Heißgase keramische Materialien bevorzugt, die beispielsweise mittels eines Gießprozesses hergestellt werden. Hierzu ist ein Werkzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung von Feuerfestkeramiken aus der EP 1 741 531 A1 bekannt. Dabei wird eine Gießform eingesetzt, welche als Baugruppe aus mehreren Einzelteilen zusammengebaut ist. Hierbei werden allseitig Formflächen durch die Gießform abgebildet, so dass sich unmittelbar die gewünschte Bauteilform ergibt. Zur Einbringung des Materials ist eine Einfüllöffnung vorhanden, in der sich überschüssiges Material zurückstauen kann.
  • 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 Qualitätskontrolle 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 stellen, das diesen Nachteil vermeidet.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren des Anspruchs 1 gelöst.
  • Gattungsgemäß umfasst das Verfahren die folgende Schritte:
    • 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 beanspruchten Heißgasseite aufgrund festigkeitsreduzierender Fehlstellen, wird so effektiv verhindert.
  • Ein Hitzeschild bestehend aus zumindest einer Feuerfestkeramik die mit dem Verfahren hergestellt ist, ist dabei besonders robust und eine mit einem solchen Hitzeschild ausgerüstete Gasturbinenanlage kann sicher betrieben werden.
  • Die Erfindung soll nun anhand der in der Figur beispielhaft dargestellten Feuerfestkeramik K erläutert werden. Im Rahmen des Gießprozesses dieser Feuerfestkeramik kommt ein nicht näher gezeigter Gießformdeckel zum Einsatz, der beim Aufsetzen auf die Gießformschale in die darin befindliche Gießmasse eintaucht und die Gießmasse beim Schließen des Deckels zunehmend bis hin zum Gießformverschluss mit einem zuvor festgelegten statischen Druck beaufschlagt.
  • Bei gegebener Deckelgeometrie stellt die Füllhöhe der Gießmasse den wesentlichen Prozessparameter dar, der den Masse-Verdrängungsgrad und damit den resultierenden statischen Druck bestimmt.
  • Erfindungsgemäß erfolgt bereits das Aufsetzen des Gießformdeckels unter Vibration.
  • Zum sicheren Gießformverschluss ist die Gießform dann mit einer Spannvorrichtung zu versehen, mit der hohe Spannkräfte erzeugt werden können. Eine derartige Spannvorrichtung 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.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Herstellung von Feuerfestkeramiken für den Einsatz als Hitzeschild im Heißgaspfad von Gasturbinenanlagen, umfassend die Schritte:
    - Einfüllen einer Gießmasse in eine Bauteilgießform für die Feuerfestkeramik,
    - Vibration der Gießform,
    - Aufsetzen eines Gießformdeckels mit fortgesetzter Vibration,
    - Aufbringung einer Spannkraft auf den Gießformdeckel mittels einer Spannvorrichtung, so dass die Gießmasse unter Druck steht,
    - gerichtetes Vibrieren der Gießform in Richtung (V) einer Oberflächennormalen (N) einer ersten Oberfläche (HS) 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,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Oberfläche an die besondere Qualitätsanforderungen gestellt wird, die Heißgasseite (HS) der Feuerfestkeramik (K) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der von der Spannvorrichtung erzeugt Druck im Wesentlichen durch die Füllhöhe bestimmt wird.
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