EP4153844A1 - Betrieb einer gasturbine bei hoher temperatur und gasturbinenanordnung - Google Patents

Betrieb einer gasturbine bei hoher temperatur und gasturbinenanordnung

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Publication number
EP4153844A1
EP4153844A1 EP21722129.0A EP21722129A EP4153844A1 EP 4153844 A1 EP4153844 A1 EP 4153844A1 EP 21722129 A EP21722129 A EP 21722129A EP 4153844 A1 EP4153844 A1 EP 4153844A1
Authority
EP
European Patent Office
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gas turbine
temperature
cooling
takes place
slowed
Prior art date
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Pending
Application number
EP21722129.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Vassen
Daniel Emil Mack
Martin TANDLER
Olivier Guillon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP4153844A1 publication Critical patent/EP4153844A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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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
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/12—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
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    • F05D2270/00—Control
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a gas turbine at high temperature and to a gas turbine arrangement.
  • thermal insulation layers are used. These are arranged on the structural materials and protect the structural materials from the high temperatures of the hot gas in the gas turbine.
  • the thermal insulation layers have a thickness of several 100 ⁇ m and are designed in terms of material and properties such that they allow a temperature difference of more than 100 K, in particular of several 100 K, between the hot gas and the structural material.
  • a nickel-based superalloy for example, can be used as the structural material of a gas turbine. To prevent long-term damage, this must not be exposed to temperatures above 1100 ° C. By using a suitable thermal insulation layer, it is still possible with this material to operate the gas turbine at 1200 ° C. without stressing the structural material above its maximum temperature, and in this way to achieve increased efficiency.
  • the cyclical temperature load poses a particular challenge.
  • a material typically used in thermal barrier coatings is yttria partially stabilized zirconia (YSZ). According to current opinion, this is limited in long-term use to maximum temperatures of 1200 ° C, since it leads to a damaging transformation of the metastable tetragonal primary phase and sintering processes also occur more frequently.
  • DE 100 08 861 A1 describes a component with a multilayer thermal insulation layer on its surface, which contains YSZ or a glass-metal composite material. The multi-layer structure enables operation above 1200 ° C.
  • the object is achieved by a method for operating a gas turbine at high temperature, in which a gas turbine with a structural material and a protective layer such as a thermal insulation layer or a corrosion protection layer arranged on the structural material is cooled down more slowly after operation at an operating temperature above 1000 ° C. In particular, this is done in such a way that damage to the structural material and / or the protective layer is minimized.
  • the slower cooling means that the protective layer and the structural material experience a slower temperature change. This prevents or minimizes the critical damage processes that occur when gas turbines cool down rapidly. Such damage processes occur during cooling processes that start at temperatures above 1000 ° C., in particular at significantly higher temperatures.
  • operation at a high temperature means operation at an operating temperature above 1200 ° C.
  • the method may include operating at an operating temperature above 1000 ° C.
  • Slowed down cooling means cooling that takes place more slowly than conventional cooling, for example as a result of an immediate or complete shutdown of the gas turbine. The cooling takes place at least slowly over time. Thus, in addition to a temporarily slowed down cooling before and / or afterwards, conventional, in particular immediate cooling can also take place.
  • a gas turbine is an internal combustion engine in which fuel is burned to generate mechanical power.
  • the gas turbine comprises a gas expansion turbine, that is to say a flow machine in which a pressurized gas expands and does work in the process.
  • the gas turbine further typically has an upstream compressor and a combustion chamber arranged between
  • the structural material typically has or consists of a highly heat-resistant metal alloy and / or a ceramic matrix.
  • the structural material forms, in particular, functional elements of the gas turbine or at least parts thereof, such as jacket, carrier, guide vanes, rotor blades, linings, compressor blades, shafts, etc.
  • the structural material can also consist of or contain a fiber composite material.
  • the protective layer protects the structural material, in particular from high temperatures, such as in the case of a fiber composite material. It can be designed as a corrosion protection layer. Everything that has been said about the thermal insulation layer can also apply to the protective layer.
  • the thermal insulation layer protects the structural material from excessively high heat. It can for example comprise ceramic or be made from it.
  • the thermal insulation layer is designed in such a way that it withstands high temperatures of 1200 ° C., in particular 1300 ° C., for example 1400 ° C., preferably 1500 ° C., particularly preferably 1550 ° C. and in one embodiment 1600 ° C. over the long term.
  • the thermal insulation layer is arranged on the structural material. It is therefore arranged between the structural material and an interior of the turbine in which hot gas is located during operation. It is not excluded here that at least one further layer, for example an adhesion promoter layer, is arranged between the structural material and the thermal insulation layer.
  • This can be a nickel-based superalloy, for example. It typically contains aluminum, for example in the form of aluminides, or NiCoCrAlY.
  • the operating temperature and other temperatures of the gas turbine relate to the interior of the gas turbine, for example to the hot gas located therein. she can also refer to the outer surface of the thermal barrier coating. This is typically below the gas temperature during operation.
  • An operating temperature is a temperature which prevails at least temporarily in the interior of the gas turbine when the gas turbine is in operation.
  • Cooling means reducing the temperature. What is meant in particular is cooling after operation at a high temperature and / or cooling when the gas turbine is switched off. The gas turbine can continue to be operated after it has cooled down, in particular when the power is reduced.
  • the slower cooling reduces the temperature gradients within the thermal insulation layer.
  • the gases inside the gas turbine and thus the outer surface of the thermal insulation layer are immediately cooled.
  • the structural material to which the inner surface of the thermal insulation layer faces and in particular rests against it, on the other hand, has a significantly higher temperature. High thermal stresses result, which is prevented by the method according to the invention.
  • the thermal insulation layer consists of a single layer or layer.
  • an additional adhesion promoter layer can be provided.
  • the slower cooling enables the use of a thermal insulation layer consisting of only one layer or layer. Compared to the multi-layer system, the effort and the cost of production are reduced.
  • the slowed cooling takes place at a rate of change of less than 100 K / s, in particular less than 50 K / s.
  • the rate of change means the change in temperature over time.
  • the slowed-down cooling can take place with a rate of change of less than 100 K / s, in particular less than 50 K / s, for example less than 30 K / s.
  • the rate of change is preferably between 1 K / s and 20 K / s, particularly preferably between 3 K / s and 15 K / s and in one example between 5 K / s and 10 K / s. If the rate of change is too high, damage to the structural material or the thermal insulation layer cannot be sufficiently minimized. Too low a rate of change, especially below 1 K / s, leads to damaging Phase transitions.
  • the above-mentioned rates of change have proven to be particularly effective in tests in order to minimize the damage processes depending on the specific application.
  • the rate of change is reduced during the slowed cool down.
  • cooling takes place at an even lower rate of change at lower temperatures than at higher temperatures.
  • the rate of change is reduced below 500 ° C. The further reduced rate of change can prevent a harmful transformation of the crystal structure at lower temperatures.
  • This configuration significantly increases the fatigue strength of the thermal insulation layer and enables long-term operation of gas turbines at elevated hot gas temperatures and the associated surface temperatures of the thermal insulation layer above 1400 ° C. This brings about a significantly increased efficiency compared to the prior art.
  • the protective layer contains zirconium oxide or is produced therefrom.
  • zirconium oxide stabilized with yttrium oxide preferably zirconium oxide partially stabilized with yttrium oxide
  • the protective layer is typically a thermal insulation layer.
  • Zirconium oxide means in particular zirconium (IV) oxide ZrC> 2.
  • Yttrium oxide means Y2O3.
  • Zirconia stabilized with yttrium is commonly referred to as YSZ (Yttria-stabilized zirconia).
  • the cubic crystal structure of zirconium dioxide is stabilized at room temperature by adding yttrium oxide. This material enables thermal insulation layers that are particularly stable at room temperature.
  • Zirconium oxide stabilized with yttrium oxide means partially or fully stabilized zirconium oxide.
  • zirconium oxide partially stabilized with yttrium oxide is used. This can be partially stabilized with 4-5 mol% yttrium oxide and is therefore referred to as 4-5 YSZ.
  • This configuration also makes it possible, in comparison to other materials with an equally high or higher temperature resistance, an improved toughness and, associated therewith, a better cycling behavior and a higher erosion resistance to reach.
  • a thermal barrier coating with zirconium oxide is easy to manufacture compared to other materials.
  • tried and tested methods are known for setting the required high porosities. The manufacturing process is easy to control.
  • the thermal insulation layer can have pyrochlore such as Gd2Zr2C> 7, perovskite, other doped variants of zirconium oxide and / or an adhesion promoter layer. It can be made in one or more layers. It can have a zirconium layer. For example, a two-layer thermal insulation layer can be arranged. Its upper layer facing away from the structural component can have Gd2Zr2C> 7 or consist of it. Alternatively or additionally, its lower layer facing the structural component can have or consist of YSZ.
  • pyrochlore such as Gd2Zr2C> 7, perovskite, other doped variants of zirconium oxide and / or an adhesion promoter layer. It can be made in one or more layers. It can have a zirconium layer.
  • a two-layer thermal insulation layer can be arranged. Its upper layer facing away from the structural component can have Gd2Zr2C> 7 or consist of it. Alternatively or additionally, its lower layer facing
  • the gas turbine is prior to cooling with a
  • the gas turbine is prior to cooling with a
  • the gas turbine is operated at operating temperatures above the stated values for a period of more than 10 minutes, preferably more than 30 minutes and particularly preferably more than 60 minutes. This means uninterrupted operation. Tests have shown that longer operating times at high temperatures are possible due to the slower cooling.
  • the slowed cooling takes place down to a temperature below 300.degree. C., in particular below 200.degree. C., preferably below 100.degree. C. and particularly preferably below 50.degree.
  • the slowed cooling down to room temperature takes place.
  • the gas turbine can be further cooled down to an even lower temperature. This can be done by immediately switching off the gas turbine without causing damage. Alternatively, the gas turbine can continue to operate at the temperature reached.
  • This configuration enables cooling down to low temperatures with particularly little damage, which further increases the service life of the gas turbine.
  • This is particularly advantageous in the case of a thermal insulation layer comprising YSZ.
  • the crystal structure is converted from tetragonal to monoclinic, which is typically associated with an increase in volume, which in turn leads to mechanical damage and even disintegration of the thermal insulation layer. Due to the slower cooling down to the temperatures mentioned, this phase transition is prevented. The tensions that usually occur when cooling down from the highest temperatures are also reduced or prevented, which worsen the service life of the thermal insulation layer in conventional operation.
  • This configuration prevents the main damage mechanisms of the thermal insulation layer and particularly long-term operation at temperatures well above 1200 ° C. can be made possible.
  • a non-slowed cooling from the operating temperature to a temperature above the phase transition temperature of about 500 ° C to 550 ° C is not harmful here. For example, this can take place at a rate of change of 50 K / s or less before the cooling down to lower temperatures takes place.
  • cooling from the operating temperature to a target temperature takes place without interruption and / or within a time of at most 30 minutes, in particular at most 10 minutes and preferably at most 3 minutes.
  • the cooling can mean the slowed down cooling or another cooling process that takes place in particular immediately before or after the slowed down cooling.
  • the target temperature means the temperature to which cooling should take place. After this, the temperature should not be reduced any further. In particular, this is the temperature that is reached at the end of the slowed-down cooling. If necessary, the target temperature can mean an even lower temperature that is established after further cooling following the slowed down cooling.
  • a cooling without interruption means a cooling that is characterized by continuously decreasing temperatures. This therefore does not have any temperature increases occurring in time segments and in particular also no time segments of constant temperature.
  • the uninterrupted and not too slow cooling is particularly important when the gas turbine is cooled down to low temperatures below 200 ° up to room temperature.
  • the number of equilibrium voids that stabilize the tetragonal structure increases. If the cooling lasts too long or if the thermal insulation layer is exposed to high temperatures for too long during the cooling process, a material conversion takes place in which a lower equilibrium concentration of the voids is established. The low concentration of vacancies is then frozen at room temperature, which favors a phase transition to a monoclinic crystal structure.
  • the embodiment of the invention described here prevents this effect and thus ensures an even longer service life of the gas turbine.
  • the slow cooling begins at the operating temperature. In other words, cooling is slowed down from the operating temperature. This means that even at high temperatures, the slowed-down cooling takes place, which further reduces damage to the thermal insulation layer.
  • the temperature of the gas turbine is increased in a slowed manner, at least in sections, up to the operating temperature.
  • the slowed-down cooling takes place at least partially in that a power of the gas turbine is continuously reduced, at least in sections.
  • a control device which is set up in such a way that the power of the gas turbine is continuously reduced at least over time.
  • the control device is preferably set up in such a way that a gas turbine cannot be switched off in the traditional sense, at least in principle, with the result that immediately after it has been switched off, the gas turbine is no longer in operation or, as a result of the continuous rotation of the turbine, cooling compressor air to the coated elements.
  • a shutdown has the consequence that the power of the gas turbine is successively reduced until a permissible low value of, for example, less than 200 ° C. is reached. Only after this low temperature has been reached is the operation of the turbine switched off completely.
  • the gas turbine is therefore not switched off immediately, as is the case in conventional methods. Instead, there is a continuous reduction in power for at least a period of time, which leads to slower cooling. At least part of the slowdown is achieved through the continuous reduction in output.
  • the power is reduced in a targeted manner in order to achieve a desired temperature profile in which the gas turbine is cooled down more slowly. This can be done, for example, by a targeted reduction in the amount of fuel. In this way, a desired rate of change in the temperature can be achieved in a particularly effective and easily controllable manner.
  • a steady reduction is characterized by a steady decrease in performance. This therefore does not have any increases in power that occur at times, and in particular also no time segments of constant power. In particular, the steady reduction in power takes place during the entire period of the slowed-down cooling.
  • the slowed-down cooling takes place at least partially in that an inflow of cold gas into the gas turbine is prevented.
  • a gas in the context of the invention means a gaseous substance or mixture of substances. Mixture of substances also includes dispersions with a gaseous dispersion medium such as fog or smoke.
  • a cold gas means a gas that is colder than the temperature inside the gas turbine and is therefore suitable for reducing the temperature inside the gas turbine. This takes place immediately in conventional operation, so that very rapid cooling takes place, which is thus prevented according to the invention. Inflowing cold gas can be compressed air or compressor air, for example. In particular, the suppression of the inflow is used in addition to other measures to enable the gas turbine to cool down more slowly. At least part of the slowdown is achieved by cutting off the influx.
  • cooling in particular slowed-down cooling, takes place at least partially in that an influx of oxygen-reduced or oxygen-free gas, in particular nitrogen, is implemented into the gas turbine.
  • a gas or gas mixture with a reduced oxygen content or an oxygen-free gas or gas mixture is fed into the gas turbine.
  • This typically has a temperature which is below the temperature of the gases contained in the gas turbine, so that the temperature of the gas turbine is reduced by the inflow.
  • this is done to cool the gas turbine to a temperature of below 400 ° C., in particular below 300 ° C., preferably below 200 ° and particularly preferably below 100 ° C. and, in an embodiment, to a temperature that essentially corresponds to the ambient temperature . If a temperature of below 400 ° C., in particular below 300 ° C., preferably below 200 ° and particularly preferably below 100 ° C., the gas turbine is always completely shut down so that no more power is provided.
  • the gas turbine is a stationary gas turbine and the slowed cooling takes place without interruption to a temperature below 400 ° C, in particular below 300 ° C, preferably below 200 ° and particularly preferably below 100 ° C.
  • a stationary gas turbine is a permanently installed or immobile gas turbine, for example a gas turbine provided for generating electricity and / or a gas turbine of a power plant.
  • gas turbines are usually not operated at average temperatures in the range of about 700 ° C., but always at higher operating temperatures. It is important here that cooling to below the phase transition temperature from tetragonal to monoclinic, which is around 500 ° C to 550 ° C, takes place more slowly in order to prevent damage to the thermal insulation layer.
  • the temperature of the gas turbine is increased from the operating temperature to at least 800 ° C, in particular at least 1200 ° C and preferably at least 1300 ° C. This is followed by slowed cooling.
  • the operating temperature is first increased before cooling. In particular, this is done to shut down the gas turbine completely.
  • an increase to 800 ° C should take place for a period of more than 5 minutes, an increase to 1200 ° C should take place for a period of at least 5 minutes.
  • the duration can be reduced further at higher temperatures.
  • the temperature is increased to at least 1000.degree. C., preferably to at least 1400.degree. C. and particularly preferably to at least 1500.degree.
  • the temperature is increased to the maximum possible temperature. This can be done by operating the gas turbine at maximum thrust or maximum power. After the temperature of the gas turbine has increased, the cooling is slowed down. The slowed-down cooling can take place over the entire temperature range. As the temperature increases in the meantime, the concentration of vacancies increases and, due to the stabilization of the tetragonal structure, there is no structural change during cooling.
  • the gas turbine is an aircraft gas turbine.
  • An aircraft gas turbine is a gas turbine that is used in an aircraft to generate thrust. In particular, it is part of an aircraft.
  • the aircraft gas turbine can be operated at an operating temperature of approximately 1200 ° C.
  • the aircraft gas turbine can be operated at an operating temperature between 550 ° C. and 1100 ° C., for example approximately 700 ° C.
  • An abrupt change in performance and / or prolonged operation at around 700 ° C. has an unfavorable effect on the material of the thermal insulation layer, since this reduces the concentration of vacancies. As described above, this is counteracted by increasing the temperature in the meantime to a temperature above 1200 ° C.
  • Another aspect of the invention is a gas turbine arrangement comprising a gas turbine and a control device for controlling the gas turbine.
  • the gas turbine has a structural material and a protective layer, such as, for example, a thermal insulation layer or a corrosion protection layer, arranged on the structural material.
  • the control device is set up to operate the gas turbine at an operating temperature above 1000 ° C. and then to cool it down more slowly, so that in particular damage to the structural material and / or the thermal insulation layer is minimized.
  • control device is set up to operate the gas turbine at an operating temperature above 1000 ° C. In particular, it is also set up to operate the gas turbine in such a way that it is then cooled down more slowly.
  • control device is set up to control the gas turbine in such a way that, with the gas turbine arrangement, the above-mentioned configurations, Features and advantages of the method can be carried out or achieved.
  • a targeted reduction in the amount of fuel can be used for this purpose.
  • Figure 1 a schematic representation of part of an inventive
  • FIG. 2 particularly advantageous operating conditions for carrying out the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows part of a gas turbine 1 of a gas turbine arrangement according to the invention.
  • a structural material 2 is shown, on which a protective layer 3 in the form of a thermal insulation layer is arranged.
  • the thermal insulation layer is arranged directly on the structural material 2, so there is no further layer in between.
  • the thermal insulation layer consists of zirconium oxide (YSZ) partially stabilized with yttrium oxide.
  • the thermal barrier coating was produced in a thermal spraying process or by thermal evaporation in an electron beam evaporator.
  • the structural material consists of a nickel-based superalloy.
  • the particularly advantageous safe operating conditions 10 are shown in the area shown at the bottom left.
  • higher temperatures can also be advantageous.
  • the rate of change er (cooling rate) during the slowed-down cooling is plotted in K / s in a logarithmic representation, which is also referred to as the cooling rate, on the Y-axis the surface temperature T s of the protective layer is plotted in ° C . It turns out that the gas turbine can be operated particularly advantageously at rates of change er in a wide range between 1 K / s and a little over 100 K / s up to 1600 ° C., that is, safely or permanently and without damage.
  • the particularly advantageous safe operating conditions 10 run up to rates of change er of approximately 150 K / s, with lower surface temperatures T s being necessary in this range.
  • the described harmful phase transformation 20 takes place, with a rapid temperature change and at surface temperatures T s above 1600 ° C in particular the cubic structure 21 and with slow temperature change and at surface temperatures T s above 1200 ° C in particular the monoclinic structure 22 is present.
  • temperatures T s above about 1200 ° C. are already harmful. This value increases rapidly up to rates of change er just below 1, where the described surface temperatures T s of 1600 ° C. are already possible.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine bei hoher Temperatur und eine Gasturbinenanordnung. Bei dem Verfahren wird eine Gasturbine (1) mit einem Strukturmaterial (2) und einer auf dem Strukturmaterial (2) angeordneten Wärmedämmschicht (3) nach einem Betrieb mit einer Betriebstemperatur oberhalb von 1000°C verlangsamt abgekühlt, sodass eine Schädigung des Strukturmaterials (2) und/oder der Wärmedämmschicht (3) minimiert wird. Auf diese Weise kann die Gasturbine dauerhaft bei Temperaturen oberhalb von 1500°C betrieben werden.

Description

Betrieb einer Gasturbine bei hoher Temperatur und Gasturbinenanordnung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine bei hoher Temperatur und eine Gasturbinenanordnung.
Die Effizienz von Gasturbinen steigt mit der Temperatur. Da die Strukturmaterialien von Gasturbinen materialabhängige Höchsttemperaturen nicht ohne dauerhafte Schädigung überschreiten können, werden Wärmedämmschichten verwendet. Diese sind auf den Strukturmaterialien angeordnet und schützen die Strukturmaterialien vor den hohen Temperaturen des heißen Gases in der Gasturbine. Typischerweise weisen die Wärmedämmschichten eine Dicke von mehreren 100 pm auf und sind hinsichtlich Material und Beschaffenheit so ausgestaltet, dass sie eine Temperaturdifferenz von mehr als 100 K, insbesondere von mehreren 100 K, zwischen dem heißen Gas und dem Strukturmaterial ermöglichen.
Als Strukturmaterial einer Gasturbine kann beispielsweise eine Nickel-basierte Superlegierung genutzt werden. Diese darf zur Verhinderung einer langfristigen Schädigung nicht oberhalb von 1100 °C belastet werden. Durch die Nutzung einer geeigneten Wärmedämmschicht ist es bei diesem Material dennoch möglich, die Gasturbine bei 1200 °C zu betreiben, ohne das Strukturmaterial oberhalb seiner Maximaltemperatur zu belasten, und auf diese Weise eine erhöhte Effizienz zu erreichen. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die zyklische Temperaurbelastung dar.
Ein typischerweise in Wärmedämmschichten verwendetes Material ist mit Yttriumoxid teilstabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ). Nach gängiger Auffassung ist dieses im Langzeiteinsatz auf Höchsttemperaturen von 1200 °C limitiert, da es zu einer schädigenden Transformation der metastabilen tetragonalen Primärphase kommt und auch Sinterprozesse verstärkt auftreten. Die DE 100 08 861 A1 beschreibt ein Bauteil mit einer mehrschichtigen Wärmedämmschicht auf seiner Oberfläche, die YSZ oder einen Glas-Metall-Kompositwerkstoff enthält. Durch den mehrschichtigen Aufbau ist ein Betrieb oberhalb von 1200 °C möglich. Auch die Publikation „Performance of YSZ and GchZ^CWSZ double layer thermal barrier coatings in burner rig tests“ von Vaßen et al. , veröffentlicht im „Journal of the European Ceramic Society“, beschreibt mehrschichtige Wärmedämmschichten. Andere Werkstoffe mit hoher Temperaturbeständigkeit wie beispielsweise Pyrochlor weisen häufig mechanisch schlechtere Eigenschaften auf und/oder der Herstellungsaufwand ist groß.
Es ist Aufgabe der Erfindung, Gasturbinen dauerhaft bei höherer Temperatur zu betreiben.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine bei hoher Temperatur gemäß Anspruch 1 und durch die Gasturbinenanordnung gemäß Anspruch 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Zur Lösung der Aufgabe dient ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine bei hoher Temperatur, bei dem eine Gasturbine mit einem Strukturmaterial und einer auf dem Strukturmaterial angeordneten Schutzschicht wie einer Wärmedämmschicht oder einer Korrosionsschutzschicht nach einem Betrieb mit einer Betriebstemperatur oberhalb von 1000 °C verlangsamt abgekühlt wird. Insbesondere erfolgt dies derart, dass eine Schädigung des Strukturmaterials und/oder der Schutzschicht minimiert wird.
Das verlangsamte Abkühlen führt dazu, dass die Schutzschicht sowie das Strukturmaterial eine langsamere Temperaturänderung erfahren. Dies unterbindet bzw. minimiert die maßgeblichen Schädigungsprozesse, die beim raschen Abkühlen von Gasturbinen auftreten. Derartige Schädigungsprozesses treten bei Abkühlungsvorgängen auf, die bei Temperaturen oberhalb von 1000 °C starten, insbesondere bei noch deutlich höheren Temperaturen. Insbesondere meint der Betrieb bei hoher Temperatur den Betrieb bei einer Betriebstemperatur oberhalb von 1200 °C. Das Verfahren kann den Betrieb mit einer Betriebstemperatur oberhalb von 1000 °C umfassen. Ein verlangsamtes Abkühlen meint ein Abkühlen, welches langsamer erfolgt als ein herkömmliches Abkühlen, beispielsweise infolge eines unmittelbaren bzw. vollständigen Abschaltens der Gasturbine. Das Abkühlen erfolgt zumindest zeitabschnittsweise verlangsamt. Somit kann zusätzlich zu einem zeitweilig verlangsamten Abkühlen davor und/oder danach auch ein herkömmliches, insbesondere sofortiges Abkühlen erfolgen. Eine Gasturbine ist eine Verbrennungskraftmaschine, in der ein Treibstoff verbrannt wird, um mechanische Leistung zu erzeugen. Die Gasturbine umfasst eine Gasexpansionsturbine, also eine Strömungsmaschine, in der ein unter Druck stehendes Gas expandiert und dabei Arbeit leistet. Die Gasturbine weist weiterhin typischerweise einen vorgeschalteten Verdichter und eine zwischen der Gasexpansionsturbine und dem Verdichter angeordnete Brennkammer auf.
Das Strukturmaterial weist typischerweise eine hochwarmfeste Metalllegierung und/oder eine Keramikmatrix auf oder besteht daraus. Das Strukturmaterial bildet insbesondere Funktionselemente der Gasturbine oder zumindest Teile davon aus, wie beispielsweise Mantel, Träger, Leitschaufeln, Laufschaufeln, Auskleidungen, Verdichterschaufeln, Wellen, etc. Das Strukturmaterial kann auch aus einem Faserverbundwerkstoff bestehen oder einen solchen enthalten.
Die Schutzschicht schützt das Strukturmaterial, insbesondere vor hohen Temperaturen, wie beispielsweise im Falle eines Faserverbundwerkstoffs. Sie kann als Korrosionsschutzschicht ausgestaltet sein. Alles zur Wärmedämmschicht Gesagte kann ebenso für die Schutzschicht gelten.
Die Wärmedämmschicht schützt das Strukturmaterial vor übermäßig hoher Wärmeeinwirkung. Sie kann beispielsweise Keramik umfassen bzw. daraus hergestellt sein. Insbesondere ist die Wärmedämmschicht so ausgestaltet, dass sie hohen Temperaturen von 1200 °C, insbesondere 1300 °C, beispielsweise 1400 °C, vorzugsweise 1500 °C, besonders bevorzugt 1550 °C und in einer Ausgestaltung 1600 °C dauerhaft standhält.
Die Wärmedämmschicht ist auf dem Strukturmaterial angeordnet. Sie ist also zwischen dem Strukturmaterial und einem Inneren der Turbine angeordnet, in welchem sich bei Betrieb heißes Gas befindet. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass zwischen Strukturmaterial und Wärmedämmschicht zumindest eine weitere Schicht, beispielsweise eine Haftvermittlerschicht, angeordnet ist. Diese kann beispielsweise eine Nickel-basierte Superlegierung sein. Typischerweise enthält sie Aluminium, etwa in Form von Aluminiden, oder NiCoCrAlY.
Die Betriebstemperatur sowie andere Temperaturen der Gasturbine beziehen sich auf das Innere der Gasturbine, beispielsweise auf das darin befindliche heiße Gas. Sie können sich auch auf die äußere Oberfläche der Wärmedämmschicht beziehen. Diese liegt während des Betriebs typischerweise unter der Gastemperatur. Eine Betriebstemperatur ist eine Temperatur, welche beim Betrieb der Gasturbine zumindest zeitweise im Inneren der Gasturbine vorherrscht.
Abkühlen meint die Reduktion der Temperatur. Insbesondere ist ein Abkühlen nach einem Betrieb bei hoher Temperatur und/oder ein Abkühlen bei einem Abschalten der Gasturbine gemeint. Die Gasturbine kann nach dem Abkühlen weiterbetrieben werden, insbesondere bei verminderter Leistung.
Das verlangsamte Abkühlen verringert die Temperaturgradienten innerhalb der Wärmedämmschicht. Im herkömmlichen Betrieb erfolgt bei einer abrupten Leistungsänderung der Gasturbine, beispielsweise beim unmittelbaren Abschalten, eine sofortige Abkühlung der Gase im Inneren der Gasturbine und somit der äußeren Oberfläche der Wärmedämmschicht. Das Strukturmaterial, dem die innere Oberfläche der Wärmedämmschicht zugewandt ist und insbesondere daran anliegt, hat dagegen noch eine deutlich höhere Temperatur. Es ergeben sich hohe thermische Spannungen, was durch das erfindungsgemäße Verfahren verhindert wird.
In einer Ausgestaltung besteht die Wärmedämmschicht aus einer einzigen Schicht bzw. Lage. Auch hierbei kann eine zusätzliche Haftvermittlerschicht vorgesehen sein. Die verlangsamte Abkühlung ermöglicht die Nutzung einer lediglich aus einer Schicht bzw. Lage bestehenden Wärmedämmschicht. Im Vergleich zum Mehrlagensystemen sind somit der Aufwand und die Kosten der Herstellung reduziert.
In einer Ausgestaltung erfolgt das verlangsamte Abkühlen mit einer Änderungsrate von weniger als 100 K/s, insbesondere weniger als 50 K/s.
Die Änderungsrate meint die Änderung der T emperatur über die Zeit. Das verlangsamte Abkühlen kann mit einer Änderungsrate von weniger als 100 K/s, insbesondere weniger als 50 K/s, beispielsweise weniger als 30 K/s erfolgen. Vorzugsweise beträgt die Änderungsrate zwischen 1 K/s und 20 K/s, besonders bevorzugt zwischen 3 K/s und 15 K/s und in einem Beispiel zwischen 5 K/s und 10 K/s. Bei einer zu hohen Änderungsrate kann eine Schädigung des Strukturmaterials bzw. der Wärmedämmschicht nicht ausreichend minimiert werden. Eine zu geringe Änderungsrate, insbesondere unterhalb von 1 K/s, führt zu schädlichen Phasenumwandlungen. Die oben genannten Änderungsraten haben sich in Versuchen als besonders zielführend erwiesen, um in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung die Schädigungsprozesse zu minimieren.
In einer Ausführungsform wird während des verlangsamten Abkühlens die Änderungsrate reduziert. Somit wird bei niedrigeren Temperaturen mit einer noch geringeren Änderungsrate abgekühlt als bei höheren Temperaturen. Beispielsweise wird die Änderungsrate unterhalb von 500 °C reduziert. Durch die weiter verringerte Änderungsrate kann eine schädliche Umwandlung der Kristall Struktur bei niedrigeren Temperaturen verhindert werden.
Diese Ausgestaltung erhöht signifikant die Dauerfestigkeit der Wärmedämmschicht und ermöglicht einen langfristigen Betrieb von Gasturbinen bei erhöhten Heißgastemperaturen und damit verbundenen Oberflächentemperaturen der Wärmedämmschicht oberhalb von 1400 °C. Dies bringt eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich erhöhte Effizienz mit sich.
In einer Ausgestaltung enthält die Schutzschicht Zirkoniumoxid oder ist daraus hergestellt. Insbesondere ist mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid, bevorzugt mit Yttriumoxid teilstabilisiertes Zirkoniumoxid, gemeint. Typischerweise ist die Schutzschicht dabei eine Wärmedämmschicht.
Zirkoniumoxid meint insbesondere Zirconium(IV)-oxid ZrC>2. Yttriumoxid meint Y2O3. Mit Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid wird allgemein als YSZ (Yttria-stabilized zirconia) bezeichnet. Hierbei wird die kubische Kristallstruktur von Zirkoniumdioxid bei Raumtemperatur durch Zusatz von Yttriumoxid stabilisiert. Dieses Material ermöglicht somit besonders Raumtemperatur-stabile Wärmedämmschichten.
Mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid meint teil- oder vollstabilisiertes Zirkoniumoxid. Insbesondere wird mit Yttriumoxid teilstablilisiertes Zirkoniumoxid genutzt. Dieses kann mit 4 - 5 Mol-% Yttriumoxid teilstablilisiert sein und wird demnach als 4-5 YSZ bezeichnet.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es weiterhin, im Vergleich zu anderen Materialien mit ebenso hoher oder höherer Temperaturbeständigkeit eine verbesserte Zähigkeit und damit verbunden ein besseres Zyklierverhalten und eine höhere Erosionsbeständigkeit zu erreichen. Darüber hinaus ist eine Wärmedämmschicht mit Zirkoniumoxid im Vergleich zu anderen Materialien einfach in der Herstellung. Insbesondere sind bewährte Verfahren bekannt, die erforderlichen hohen Porositäten einzustellen. Der Herstellungsprozess ist einfach zu kontrollieren.
Alternativ oder ergänzend kann die Wärmedämmschicht Pyrochlore wie Gd2Zr2C>7, Perowskite, weitere dotierte Varianten von Zirkonoxid und/oder eine Haftvermittlerschicht aufweisen. Sie kann einlagig oder mehrlagig hergestellt sein. Sie kann eine Zirkonlage aufweisen. Beispielsweise kann eine zweilagige Wärmedämmschicht angeordnet sein. Deren als obere, vom Strukturbauteil abgewandte Lage kann Gd2Zr2C>7 aufweisen bzw. daraus bestehen. Alternativ oder ergänzend kann deren untere, dem Strukturbauteil zugewandte Lage, YSZ aufweisen bzw. daraus bestehen.
In einer Ausgestaltung wird die Gasturbine vor einem Abkühlen mit einer
Betriebstemperatur oberhalb von 1200 °C, insbesondere oberhalb von 1300 °C, beispielsweise oberhalb von 1400 °C, vorzugsweise oberhalb von 1500 °C und besonders bevorzugt oberhalb von 1550 °C betrieben. Insbesondere ist das verlangsamte Abkühlen oder ein unmittelbar davor oder danach erfolgendes, nicht verlangsamtes Abkühlen gemeint.
In einer Ausgestaltung wird die Gasturbine vor dem Abkühlen mit einer
Betriebstemperatur oberhalb von 1500 °C oder sogar oberhalb von 1600 °C betrieben. Derart hohe Betriebstemperaturen sind aufgrund der verlangsamten Abkühlung des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne Schädigung des Strukturmaterials und/oder der Wärmedämmschicht möglich. Auf diese Weise kann eine stark erhöhte Effizienz der Gasturbine erzielt werden.
Insbesondere wird die Gasturbine mit Betriebstemperaturen oberhalb der genannten Werte für eine Zeitdauer von mehr als 10 Minuten, bevorzugt mehr als 30 Minuten und besonders bevorzugt mehr als 60 Minuten betrieben. Damit ist ein ununterbrochener Betrieb gemeint. Es konnte in Versuchen gezeigt werden, dass auch längere Betriebsdauern bei hoher Temperatur aufgrund des verlangsamten Abkühlens möglich sind. In einer Ausgestaltung erfolgt das verlangsamte Abkühlen bis zu einer Temperatur unterhalb von 300 °C, insbesondere unterhalb von 200 °C, bevorzugt unterhalb von 100 °C und besonders bevorzugt unterhalb von 50 °C.
Beispielsweise erfolgt das verlangsamte Abkühlen bis zur Raumtemperatur. Im Anschluss an das verlangsamte Abkühlen kann die Gasturbine bis zu einer noch geringeren Temperatur weiter abgekühlt werden. Dies kann durch unmittelbares Abschalten der Gasturbine erfolgen, ohne dass es zu Schädigungen kommt. Alternativ kann die Gasturbine bei der erreichten Temperatur weiter betrieben werden.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders schädigungsarme Abkühlung bis zu niedrigen Temperaturen, was die Lebensdauer der Gasturbine weiter erhöht. Besonders vorteilhaft ist dies bei einer Wärmedämmschicht umfassend YSZ. Bei herkömmlichen Verfahren erfolgt hier eine Umwandlung der Kristallstruktur von tetragonal in monoklin, welche typischerweise mit einer Volumenzunahme verbunden ist, was wiederum zu mechanischer Schädigung bis hin zum Zerfall der Wärmedämmschicht führt. Aufgrund der verlangsamten Abkühlung bis herab zu den genannten Temperaturen wird diese Phasenumwandlung verhindert. Auch werden die üblicherweise auftretenden Spannungen beim Abkühlen von den höchsten Temperaturen vermindert bzw. verhindert, die bei herkömmlichem Betrieb die Lebensdauer der Wärmedämmschicht verschlechtern. Somit werden durch diese Ausgestaltung die maßgeblichen Schädigungsmechanismen der Wärmedämmschicht unterbunden und es kann ein besonders dauerhafter Betrieb bei Temperaturen deutlich oberhalb von 1200 °C ermöglicht werden.
Eine nicht verlangsamte Abkühlung von der Betriebstemperatur auf eine Temperatur oberhalb der Phasenübergangstemperatur von etwa 500 °C bis 550 °C ist hierbei nicht schädlich. Beispielsweise kann diese mit einer Änderungsrate von 50 K/s oder darunter erfolgen, bevor die Abkühlung hin zu niedrigeren Temperaturen erfolgt.
In einer Ausgestaltung erfolgt ein Abkühlen von der Betriebstemperatur bis zu einer Zieltemperatur ohne Unterbrechung und/oder innerhalb einer Zeit von höchstens 30 Minuten, insbesondere höchstens 10 Minuten und bevorzugt höchstens 3 Minuten erfolgt. Das Abkühlen kann das verlangsamte Abkühlen oder einen anderen Abkühlprozess meinen, der insbesondere unmittelbar vor oder nach dem verlangsamten Abkühlen erfolgt. Die Zieltemperatur meint diejenige Temperatur, bis zu welcher abgekühlt werden soll. Im Anschluss daran soll die Temperatur also insbesondere nicht weiter verringert werden. Insbesondere ist das die Temperatur, die am Ende des verlangsamten Abkühlens erreicht ist. Gegebenenfalls kann die Zieltemperatur eine noch niedrigere Temperatur meinen, die sich nach einem weiteren Abkühlen im Anschluss an das verlangsamte Abkühlen einstellt. Eine Abkühlung ohne Unterbrechung meint eine Abkühlung, die sich durch stetig verringernde Temperaturen auszeichnet. Diese weist also keine zeitabschnittsweise auftretenden Temperaturerhöhungen und insbesondere auch keine Zeitabschnitte gleichbleibender Temperatur auf.
Die ununterbrochene und nicht zu langsame Abkühlung ist besonders bedeutsam, wenn die Gasturbine hin zu niedrigen Temperaturen unter 200° bis hin zur Raumtemperatur abgekühlt wird. Beim Betrieb bei einer hohen Betriebstemperatur nimmt die Zahl der im Gleichgewicht befindlichen Leerstellen zu, welche die tetragonale Struktur stabilisieren. Dauert die Abkühlung zu lange bzw. wird die Wärmedämmschicht während der Abkühlung zu lange hohen Temperaturen ausgesetzt, erfolgt eine Materialumwandlung, bei der sich eine niedrigere Gleichgewichtskonzentration der Leerstellen einstellt. Bei Raumtemperatur ist die niedrige Konzentration an Leerstellen dann eingefroren, was eine Phasenumwandlung hin zu einer monoklinen Kristallstruktur begünstigt. Die hier beschriebene Ausführungsform der Erfindung verhindert diesen Effekt und gewährleistet somit eine noch höhere Lebensdauer der Gasturbine.
In einer Ausführungsform der Erfindung beginnt das verlangsamte Abkühlen bei der Betriebstemperatur. Mit anderen Worten wird bereits ab der Betriebstemperatur verlangsamt abgekühlt. Somit erfolgt auch bei hohen Temperaturen bereits das verlangsamte Abkühlen, was somit eine Schädigung der Wärmedämmschicht weiter verringert.
In einer Ausgestaltung wird die Temperatur der Gasturbine bis hin zur Betriebstemperatur zumindest zeitabschnittsweise verlangsamt erhöht.
Mit anderen Worten wird nicht nur verlangsamt abgekühlt, sondern es erfolgt auch eine verlangsamte Temperaturerhöhung. Für die Änderungsraten der verlangsamten Erhöhung der T emperatur gilt dasselbe wie für die Änderungsraten für das verlangsamte Abkühlen. Insbesondere erfolgt die gesamte Temperaturerhöhung verlangsamt. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine noch weitergehende Verringerung von Schädigungen der Wärmedämmschicht.
In einer Ausgestaltung erfolgt das verlangsamte Abkühlen zumindest anteilig dadurch, dass eine Leistung der Gasturbine zumindest zeitabschnittsweise stetig reduziert wird. Es ist daher grundsätzlich eine Steuerungseinrichtung vorhanden, die so eingerichtet ist, dass die Leistung der Gasturbine zumindest zeitabschnittsweise stetig reduziert wird. Vorzugsweise ist die Steuerungseinrichtung so eingerichtet, dass eine Gasturbine zumindest grundsätzlich nicht im klassischen Sinn abgeschaltet werden kann mit der Folge, dass unmittelbar im Anschluss an das Abschalten sich die Gasturbine nicht mehr im Betrieb befindet bzw. durch die fortlaufende Rotation der Turbine kühlende Kompressorluft auf die beschichteten Elemente schickt. Stattdessen hat ein Abschalten zur Folge, dass die Leistung der Gasturbine sukzessive reduziert wird, bis eine zulässige geringe von beispielsweise weniger als 200 °C erreicht ist. Erst im Anschluss an das Erreichen dieser geringen Temperatur wird der Betrieb der Turbine vollständig abgeschaltet.
Die Gasturbine wird also nicht, wie es in herkömmlich Verfahren der Fall ist, unmittelbar abgeschaltet. Stattdessen erfolgt während zumindest eines Zeitabschnitts eine kontinuierliche Reduktion der Leistung, die zu einem verlangsamten Abkühlen führt. Zumindest ein T eil der Verlangsamung wird durch die kontinuierliche Leistungsreduktion erreicht. Mit anderen Worten wird die Leistung gezielt heruntergefahren, um einen gewünschten Temperaturverlauf zu erreichen, bei dem die Gasturbine verlangsamt abgekühlt wird. Dies kann beispielsweise durch eine gezielte Reduktion der Brennstoffmenge erfolgen. Auf diese Weise kann eine gewünschte Änderungsrate der Temperatur besonders effektiv und einfach steuerbar erreicht werden.
Eine stetige Reduktion zeichnet sich durch eine stetige Verringerung der Leistung aus. Diese weist also keine zeitabschnittsweise auftretenden Erhöhungen der Leistung und insbesondere auch keine Zeitabschnitte gleichbleibender Leistung auf. Insbesondere erfolgt die stetige Reduktion der Leistung während der gesamten Zeitdauer des verlangsamten Abkühlens.
In einer Ausgestaltung erfolgt das verlangsamte Abkühlen zumindest anteilig dadurch, dass ein Zustrom kalten Gases in die Gasturbine unterbunden wird. io
Ein Gas im Sinne der Erfindung meint einen gasförmigen Stoff oder Stoffgemisch. Stoffgemisch umfasst dabei auch Dispersionen mit gasförmigen Dispersionsmedium wie Nebel oder Rauch. Ein kaltes Gas meint ein Gas, das kälter ist als die Temperatur im Inneren der Gasturbine, und somit geeignet ist, die Temperatur im Inneren der Gasturbine zu verringern. Dies erfolgt im herkömmlichen Betrieb unmittelbar, sodass eine sehr schnelle Abkühlung erfolgt was somit erfindungsgemäß verhindert wird. Zuströmendes kaltes Gas kann beispielsweise Pressluft bzw. Kompressorluft sein. Insbesondere wird das Unterbinden des Zustroms zusätzlich zu weiteren Maßnahmen genutzt, um das verlangsamte Abkühlen der Gasturbine zu ermöglichen. Zumindest ein Teil der Verlangsamung wird durch das Unterbinden des Zustroms erreicht.
In einer Ausgestaltung erfolgt ein Abkühlen, insbesondere das verlangsamte Abkühlen, zumindest anteilig dadurch, dass ein Zustrom aus sauerstoffreduziertem oder sauerstofffreiem Gas, insbesondere Stickstoff, in die Gasturbine realisiert wird.
Mit anderen Worten wird ein Gas oder Gasgemisch mit einem reduzierten Sauerstoffgehalt oder ein sauerstofffreies Gas oder Gasgemisch in die Gasturbine geleitet. Dieses hat typischerweise eine Temperatur, die unterhalb der Temperatur der in der Gasturbine enthaltenen Gase liegt, sodass die Temperatur der Gasturbine durch den Zustrom reduziert wird.
Insbesondere erfolgt dies zum Abkühlen der Gasturbine auf eine Temperatur von unterhalb von 400 °C, insbesondere unterhalb von 300 °C, bevorzugt unterhalb von 200 °und besonders bevorzugt unterhalb von 100 °C und einer Ausgestaltung auf eine Temperatur, die im Wesentlichen der Umgebungstemperatur entspricht. Wird eine Temperatur von unterhalb von 400 °C, insbesondere unterhalb von 300 °C, bevorzugt unterhalb von 200 °und besonders bevorzugt unterhalb von 100 °C, so erfolgt grundsätzlich eine vollständige Abschaltung der Gasturbine, so dass keine Leistung mehr erbracht wird.
Auf diese Weise wird verhindert, dass die Anzahl der Sauerstoff-Leerstellen verringert wird, welche die gewünschte tetragonale Struktur stabilisieren. Aus Gründen der Ökonomie wird bei Erreichen einer Temperatur von mehr als 50 °C vollständig abgeschaltet, wenn der Betrieb der Gasturbine vollständig abgeschaltet werden soll.
In einer Ausgestaltung ist die Gasturbine eine stationäre Gasturbine und das verlangsamte Abkühlen erfolgt ohne Unterbrechung bis auf eine Temperatur unterhalb von 400 °C, insbesondere unterhalb von 300 °C, bevorzugt unterhalb von 200 °und besonders bevorzugt unterhalb von 100 °C.
Eine stationäre Gasturbine ist eine fest installierte bzw. unbewegliche Gasturbine, beispielsweise eine zur Stromerzeugung vorgesehene Gasturbine und/oder eine Gasturbine eines Kraftwerks. Derartige Gasturbinen werden üblicherweise nicht bei mittleren Temperaturen im Bereich von etwa 700 °C, sondern stets mit höheren Betriebstemperaturen betrieben. Hierbei ist bedeutsam, dass eine Abkühlung bis unterhalb der Phasenübergangstemperatur von tetragonal zu monoklin, die bei etwa 500 °C bis 550 °C liegt, verlangsamt erfolgt, um Schädigungen der Wärmedämmschicht zu verhindern.
In einer Ausgestaltung erfolgt vor einer Abkühlung von einer Betriebstemperatur zwischen 550 °C und 1100 °C bis zu einer Temperatur unterhalb von 100 °C eine Erhöhung der Temperatur der Gasturbine von der Betriebstemperatur auf wenigstens 800 °C, insbesondere wenigstens 1200 °C und bevorzugt wenigstens 1300 °C. Im Anschluss erfolgt die verlangsamte Abkühlung.
Mit anderen Worten wird die Betriebstemperatur nach einem Betrieb im mittleren Temperaturbereich vor dem Abkühlen zunächst erhöht. Insbesondere erfolgt dies zum vollständigen Abschalten der Gasturbine.
Eine Erhöhung auf 800 °C sollte für eine Dauer von mehr als 5 min erfolgen, eine Erhöhung auf 1200 °C sollte für eine Dauer von wenigstens 5 min erfolgen. Bei höheren Temperaturen kann die Dauer entsprechend weiter reduziert werden. Insbesondere erfolgt die Erhöhung der Temperatur auf wenigstens 1000 °C, bevorzugt auf wenigstens 1400 °C und besonders bevorzugt auf wenigstens 1500 °C. In einer Ausgestaltung erfolgt die Erhöhung der Temperatur auf die maximal mögliche Temperatur. Dies kann durch den Betrieb der Gasturbine bei maximalem Schub bzw. maximaler Leistung erfolgen. Nach der Erhöhung der Temperatur der Gasturbine erfolgt die verlangsamte Abkühlung. Die verlangsamte Abkühlung kann über den gesamten Temperaturbereich erfolgen. Durch die zwischenzeitliche Erhöhung der Temperatur erhöht sich die Leerstellenkonzentration und es kommt aufgrund der Stabilisierung der tetragonalen Struktur beim Abkühlen nicht zu einer Gefügeveränderung.
In einer Ausgestaltung ist die Gasturbine eine Fluggasturbine. Eine Fluggasturbine ist eine Gasturbine, welche in einem Flugzeug genutzt wird, um Schub zu erzeugen. Insbesondere ist sie Teil eines Flugzeugs. Während des Starts des Flugzeugs kann die Fluggasturbine bei einer Betriebstemperatur von etwa 1200 °C betrieben werden. Im normalen Flugbetrieb und/oder während des sogenannten Leerlaufs (englisch: idle) kann die Fluggasturbine bei einer Betriebstemperatur zwischen 550 °C und 1100 °C, beispielsweise etwa 700 °C, betrieben werden. Eine abrupte Leistungsänderung und/oder ein längerer Betrieb bei etwa 700 °C wirkt sich ungünstig auf das Material der Wärmedämmschicht aus, da dadurch die Leerstellenkonzentration verringert wird. Dem wird wie oben beschrieben durch die zwischenzeitliche Erhöhung auf eine Temperatur oberhalb von 1200 °C entgegengewirkt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Gasturbinenanordnung, umfassend eine Gasturbine sowie eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Gasturbine. Die Gasturbine weist ein Strukturmaterial und eine auf dem Strukturmaterial angeordnete Schutzschicht wie beispielsweise eine Wärmedämmschicht oder eine Korrosionsschutzschicht auf. Die Steuerungseinrichtung ist dazu eingerichtet, die Gasturbine mit einer Betriebstemperatur oberhalb von 1000 °C zu betreiben und anschließend verlangsamt abzukühlen, sodass insbesondere eine Schädigung des Strukturmaterials und/oder der Wärmedämmschicht minimiert wird.
Insbesondere ist die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet, die Gasturbine bei einer Betriebstemperatur oberhalb von 1000 °C zu betreiben. Insbesondere ist sie weiterhin dazu eingerichtet, die Gasturbine derart zu betreiben, dass sie im Anschluss daran verlangsamt abgekühlt wird.
Alle Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile des eingangs genannten Aspekts der Erfindung gelten ebenso für den hier beschriebenen Aspekt. Insbesondere ist die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet, die Gasturbine auf eine solche Weise zu steuern, dass mit der Gasturbinenanordnung die eingangs genannten Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile des Verfahrens durchführbar bzw. erzielbar sind. Dazu kann eine gezielte Reduzierung der Brennstoffmenge genutzt werden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung auch anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung eines Teils einer erfindungsgemäßen
Gasturbinenanordnung, und
Figur 2: besonders vorteilhafte Betriebsbedingungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 zeigt einen Teil einer Gasturbine 1 einer erfindungsgemäßen Gasturbinenanordnung. Dargestellt ist ein Strukturmaterial 2, auf welchem eine Schutzschicht 3 in Form einer Wärmedämmschicht angeordnet ist. Die Wärmedämmschicht ist unmittelbar auf dem Strukturmaterial 2 angeordnet, es befindet sich also keine weitere Schicht dazwischen.
Die Wärmedämmschicht besteht aus mit Yttriumoxid teilstabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ). Die Wärmedämmschicht wurde in einem thermischen Spritzverfahren oder durch thermisches Verdampfen in einem Elektronenstrahlverdampfer hergestellt. Das Strukturmaterial besteht aus einer Nickel-basierten Superlegierung.
Durch die erfindungsgemäße verlangsamte Abkühlung wird eine Schädigung des dargestellten Teils der Gasturbine 1 auch bei dauerhaftem Betrieb oberhalb von Temperaturen von 1500 °C ausgeschlossen.
Die Dickenverhältnisse der Elemente sind in dieser schematischen Darstellung lediglich beispielhaft und können gegebenenfalls stark von dieser Darstellung abweichen.
In Fig. 2 sind die besonders vorteilhaften sicheren Betriebsbedingungen 10 im links unten dargestellten Bereich dargestellt. Darüber hinaus können allerdings auch höhere Temperaturen vorteilhaft sein. Auf der X-Achse ist in logarithmischer Darstellung die Änderungsrate er (englisch: cooling rate) bei der verlangsamten Abkühlung in K/s aufgetragen, die auch als Abkühlgeschwindigkeit bezeichnet wird auf der Y-Achse ist die Oberflächentemperatur Ts der Schutzschicht in °C aufgetragen. Es zeigt sich, dass die Gasturbine bei Änderungsraten er in einem weiten Bereich zwischen 1 K/s und etwas über 100 K/s bis hin zu 1600 °C besonders vorteilhaft, also sicher bzw. dauerhaft und ohne Schädigung, betrieben werden kann. Die besonders vorteilhaften sicheren Betriebsbedingungen 10 verlaufen bis hin zu Änderungsraten er von etwa 150 K/s, wobei in diesem Bereich geringere Oberflächentemperaturen Ts notwendig sind. Bei höheren Oberflächentemperaturen Ts erfolgt die beschriebene schädliche Phasenumwandlung 20, wobei bei schneller Temperaturänderung und bei Oberflächentemperaturen Ts oberhalb von 1600 °C insbesondere die kubische Struktur 21 vorliegt und bei langsamer Temperaturänderung und bei Oberflächentemperaturen Ts oberhalb von 1200 °C insbesondere die monokline Struktur 22 vorliegt.
Bei Änderungsraten er bis etwa 0,3 K/s sind bereits Temperaturen Ts oberhalb von ca. 1200 °C schädlich. Dieser Wert erhöht sich rasch bis zu Änderungsraten er kurz unterhalb 1, wo bereits die beschriebenen Oberflächentemperaturen Ts von 1600 °C möglich sind.
Bei Änderungsraten erzwischen etwa 150 K/s und etwa 2000 K/s erfolgt eine frühzeitige Delamination 30 (englisch „early delamination“) und bei darüber liegen Änderungsraten er erfolgt eine Zerstörung 40 der Oberfläche (englisch „surface degradation“). Insbesondere darf bei hohen Oberflächentemperaturen Ts die Änderungsrate er nicht zu hoch sein und bei geringeren Oberflächentemperaturen Ts darf die Änderungsrate er nicht zu niedrig sein.
Bezugszeichenliste
Gasturbine 1
Strukturmaterial 2
Schutzschicht 3
Sichere Betriebsbedingungen 10
Schädliche Phasenumwandlung 20 Kubische Struktur 21
Monokline Struktur 22
Frühzeitige Delamination 30
Zerstörung 40
Oberflächentemperatur Ts
Änderungsrate er

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (1) bei hoher Temperatur, bei dem eine Gasturbine (1) mit einem Strukturmaterial (2) und einer auf dem Strukturmaterial
(2) angeordneten Schutzschicht (3) wie einer Wärmedämmschicht oder einer Korrosionsschutzschicht nach einem Betrieb mit einer Betriebstemperatur oberhalb von 1000 °C verlangsamt abgekühlt wird.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das verlangsamte Abkühlen mit einer Änderungsrate (er) von weniger als 100 K/s, insbesondere weniger als 50 K/s, erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht
(3) Zirkoniumoxid enthält oder daraus hergestellt ist, insbesondere mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid, bevorzugt mit Yttriumoxid teilstabilisiertes Zirkoniumoxid.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gasturbine (1) vor einem Abkühlen mit einer Betriebstemperatur oberhalb von 1200 °C, insbesondere oberhalb von 1300 °C, beispielsweise oberhalb von 1400 °C, vorzugsweise oberhalb von 1500 °C und besonders bevorzugt oberhalb von 1550 °C betrieben wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das verlangsamte Abkühlen bis zu einer Temperatur unterhalb von 300 °C, insbesondere unterhalb von 200 °C, bevorzugt unterhalb von 100 °C und besonders bevorzugt unterhalb von 50 °C erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abkühlen von der Betriebstemperatur bis zu einer Zieltemperatur ohne Unterbrechung und/oder innerhalb einer Zeit von höchstens 30 Minuten, insbesondere höchstens 10 Minuten und bevorzugt höchstens 3 Minuten erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur der Gasturbine (1) bis hin zur Betriebstemperatur zumindest zeitabschnittsweise verlangsamt erhöht wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Verlangsamung des Abkühlens zumindest anteilig dadurch erfolgt, dass eine Leistung der Gasturbine (1) zumindest zeitabschnittsweise stetig reduziert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Verlangsamung des Abkühlens zumindest anteilig dadurch erfolgt, dass ein Zustrom kalten Gases in die Gasturbine (1) unterbunden wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abkühlen zumindest anteilig dadurch erfolgt, dass ein Zustrom aus sauerstoffreduziertem oder sauerstofffreiem Gas, insbesondere Stickstoff, in die Gasturbine (1) realisiert wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gasturbine (1) eine stationäre Gasturbine (1) ist und das verlangsamte Abkühlen ohne Unterbrechung bis auf eine Temperatur unterhalb von 400 °C, insbesondere unterhalb von 300 °C, bevorzugt unterhalb von 200 °C und besonders bevorzugt unterhalb von 100 °C erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor einer Abkühlung von einer Betriebstemperatur zwischen 550 °C und 1100 °C bis zu einer Temperatur unterhalb von 100 °C eine Erhöhung der Temperatur der Gasturbine (1) von der Betriebstemperatur auf wenigstens 800 °C, insbesondere wenigstens 1200 °C und bevorzugt wenigstens 1300 °C erfolgt und im Anschluss die verlangsamte Abkühlung erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Steuerungseinrichtung vorhanden ist, die so eingerichtet ist, dass abgekühlt wird, indem die Leistung der Gasturbine kontinuierlich oder schrittweise reduziert wird.
14. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Gasturbine ausgeschaltet wird, wenn eine Temperatur unterhalb von 400 °C, insbesondere unterhalb von 300 °C, bevorzugt unterhalb von 200 °C und besonders bevorzugt unterhalb von 100 °C erreicht ist.
15. Gasturbinenanordnung für die Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Gasturbine (1) sowie eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Gasturbine (1), wobei die Gasturbine (1) ein Strukturmaterial (2) und eine auf dem Strukturmaterial (2) angeordnete Schutzschicht (3), insbesondere eine Wärmedämmschicht oder eine
Korrosionsschutzschicht aufweist, wobei die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die Gasturbine (1) nach einem Betrieb mit einer Betriebstemperatur oberhalb von 1000 °C verlangsamt abzukühlen.
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