WO2014049041A1 - Gasturbine mit einem wärmeflusssensor - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a gas turbine with a heat flow sensor according to the preamble of patent claim 1.
- thermocouples In addition to the temperatures, heat flows through the thermal barrier layer of turbine components must also be monitored. For this purpose it is known to embed stacks of thermocouples in the barrier layer. From the measured temperatures at different depths of the barrier layer can then be closed on the heat flow through the barrier layer.
- Such a gas turbine comprises a heat flow sensor, which is arranged on a surface of a component of the gas turbine and designed as a thermocouple.
- the heat flow sensor is a transverse thermoelectric element.
- Transverse thermoelectric elements are based on the use of anisotropic thermoelectric materials whose sea-basin tensor has non-zero non-zero elements. This results in a voltage perpendicular to a temperature gradient acting on the thermoelectric element.
- the heat flow sensor consists of monocrystalline zinc oxide.
- Zinc oxide has an intrinsic anisotropy. Its thermoelectric properties can be applied by sputtering in monocrystalline form with given axial tilt and is stable under operating conditions of a gas turbine.
- thermoelectric element In order to determine the desired heat flow from the thermoelectric voltage, it is expedient to arrange the thermoelectric element so that the crystallographic c-axis of the Zinc oxide is tilted against a surface normal to the surface of the component.
- the heat flow sensor is preferably arranged below a thermal barrier layer of the component, so that it firstly enjoys the protection of the barrier layer and secondly that it can precisely detect the heat flow through the barrier layer. It is also expedient if an electrical insulating layer is arranged between the heat flow sensor and the surface of the component, so that the heat flow sensor is not short-circuited by the conductive surface of the component.
- FIG. 1 shows a schematic representation of the mode of operation of a transverse thermoelectric sensor
- FIG. 2 shows a schematic sectional view through the mounting region of a heat flow sensor in an embodiment of a gas turbine according to the invention.
- a transverse thermoelectric sensor 10 is made of a material having intrinsic anisotropy.
- the thermoelectric effect such as aluminum-doped monocrystalline zinc oxide, which is arranged so that the crystallographic c-axis is tilted with respect to a heat flow to be measured.
- the Sensor 10 adjusts itself a temperature gradient, which in turn causes a perpendicular to the heat flow potential difference, so that on the side surfaces 12, 14 of the sensor 10, a voltage can be tapped, which is proportional to the heat flow.
- thermal barrier layer 16 is applied via the sensor 10 and the connecting lines 24. This can be done, for example, by thermal spraying of a high-temperature-stable ceramic.
- the heat flow through the thermal barrier can be determined, taking into account the geometry of the sensor 10. Of particular importance in this case is the ratio between length and thickness of the sensor 10, since for a given heat flow, the thermal voltage also increases with increasing ratio.
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Gasturbine (18) mit einem Wärmeflusssensor (10), welcher an einer Oberfläche eines Bauteils (20) der Gasturbine (18) angeordnet und als Thermoelement ausgebildet ist, wobei der Wärmeflusssensor (10) ein transversales thermoelektrisches Element ist.
Description
Beschreibung
Gasturbine mit einem Wärmeflusssensor Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem Wärmeflusssensor nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Um Wirkungsgrad und Energieeffizienz von industriellen Gasturbinen zu steigern, werden zunehmend höhere Verbrennungs - temperaturen im Brennraum solcher Turbinen angestrebt. Die resultierenden Materialbelastungen machen es notwendig, die Betriebsparameter und den Zustand von Komponenten von Gasturbinen genau zu überwachen. Um die teilweise in miteinander in Konflikt stehenden Anforderungen an Energieausbeute, Emissionskontrolle und Verschleiß optimieren zu können, ist es dabei von besonderer Bedeutung, die Temperaturen der Gasturbine zu überwachen. Insbesondere Verschleißprozesse wie Oxidation und Kriechen sind thermisch aktiviert und in der Regel exponentiell temperaturabhängig .
Aufgrund der hohen Temperaturen in den zu überwachenden Bereichen sind an die verwendeten Sensoren insbesondere in Hin- blick auf deren langfristige funktionale Integrität selbst hohe Anforderungen zu stellen.
Neben den Temperaturen müssen auch Wärmeströme durch die thermische Barriereschicht von Turbinenbauteilen überwacht werden. Hierzu ist es bekannt, Stapel von Thermoelementen in die Barriereschicht einzubetten. Aus den gemessenen Temperaturen in unterschiedlichen Tiefen der Barriereschicht kann dann auf den Wärmestrom durch die Barriereschicht geschlossen werden .
Solche Wärmeflusssensoren sind jedoch äußerst aufwändig in der Herstellung sowie bezüglich der elektrischen Kontaktie- rung unter Betriebsbedingungen einer Gasturbine.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasturbine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welche eine einfache und zuverlässige Messung des Wärmestroms ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Gasturbine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 gelöst.
Eine solche Gasturbine umfasst einen Wärmeflusssensor, wel- eher an einer Oberfläche eines Bauteils der Gasturbine angeordnet und als Thermoelement ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Wärmeflusssensor ein transversales thermoelektrisches Element ist.
Transversale thermoelektrische Elemente beruhen auf der Verwendung anisotroper thermoelektrischer Materialien, deren Seebecktensor von Null verschiedene Nichtdiagonalelemente aufweist. Hieraus resultiert eine Spannung senkrecht zu einem auf das thermoelektrische Element wirkenden Temperaturgradienten .
Auf diese Weise ist es möglich, mit einem einzigen Sensor den Wärmefluss in der Gasturbine zu erfassen, ohne das komplexe Arrangements, wie beispielsweise Stapel von Thermoelementen, nötig sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmeflusssensor aus monokristallinem Zinkoxid besteht. Zinkoxid besitzt eine intrinsische Anisotropie bzgl . seiner thermoelektrischen Eigenschaften, kann durch Sputtern in monokristalliner Form mit gegebener Achsneigung aufgebracht werden und ist unter Betriebsbedingungen einer Gasturbine stabil .
Um den gewünschten Wärmefluss aus der Thermospannung ermitteln zu könne, ist es zweckmäßig, das thermoelektrische Element so anzuordnen, dass die kristallographische c-Achse des
Zinkoxids gegenüber einer Flächennormalen der Oberfläche des Bauteils verkippt ist.
Vorzugsweise ist der Wärmeflusssensor unterhalb einer thermi- sehen Barriereschicht des Bauteils angeordnet, so dass er zum einen selbst den Schutz der Barriereschicht genießt und zum anderen den Wärmefluss durch die Barriereschicht exakt erfassen kann. Es ist ferner zweckmäßig, wenn zwischen dem Wärmeflusssensor und der Oberfläche des Bauteils eine elektrische Isolierschicht angeordnet ist, so dass der Wärmeflusssensor nicht durch die leitfähige Oberfläche des Bauteils kurzgeschlossen wird .
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind Anschlussleitungen für den Wärmeflusssensor zwischen der elektrischen Isolierschicht und der thermischen Barriereschicht angeordnet, so dass die Leitungen selbst ebenfalls durch die
Barriereschicht geschützt werden.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: FIG 1 eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines transversalen thermoelektrischen Sensors; und
FIG 2 eine schematische Schnittdarstellung durch den Anbringungsbereich eines Wärmeflusssensors in einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gasturbine .
Ein transversaler thermoelektrischer Sensor 10 besteht aus einem Material mit intrinsischer Anisotropie bzgl . des ther- moelektrischen Effekts, wie beispielsweise aluminiumdotiertem monokristallinem Zinkoxid, welches so angeordnet wird, dass die kristallographische c-Achse gegenüber einem zu messenden Wärmestrom verkippt ist. Entlang des Wärmestroms durch den
Sensor 10 stellt sich ein Temperaturgradient ein, welcher wiederum eine senkrecht zum Wärmestrom stehende Potentialdifferenz verursacht, so dass an den Seitenflächen 12, 14 des Sensors 10 eine Spannung abgegriffen werden kann, welche pro- portional zum Wärmefluss ist.
Zur Messung des Wärmeflusses durch eine thermische
Barriereschicht 16 einer Gasturbine 18, die in FIG 2 ausschnittsweise dargestellt ist, wird zunächst auf ein Bauteil 20 - insbesondere eine Brennkammerwandung der Gasturbine - eine elektrische Isolierschicht 22 aufgebracht. Auf die Isolierschicht wird, beispielsweise durch Sputtern, der Sensor 10 aufgetragen und an seinen Seitenflächen 12, 14 mit elektrischen Verbindungsleitungen 24 kontaktiert.
Über den Sensor 10 und die Verbindungsleitungen 24 wird schließlich die thermische Barriereschicht 16 aufgetragen. Dies kann beispielsweise durch thermisches Spritzen einer hochtemperaturstabilen Keramik geschehen.
Beim Betrieb der Gasturbine stellt sich ein Wärmestrom durch die Barriereschicht 16 und damit auch durch den Sensor 10 ein. Da dieser so angeordnet ist, dass die kristallographi - sehe c-Achse gegenüber der Flächennormalen des Bauteils 20 verkippt ist, entsteht eine Potentialdifferenz zwischen den Seitenflächen 12, 14, die über die Verbindungsleitungen 24 abgegriffen und mit einem Voltmeter 26 erfasst werden kann.
Aus der erfassten transversalen Thermospannung kann unter Be- rücksichtigung der Geometrie des Sensors 10 der Wärmestrom durch die thermische Barriere ermittelt werden. Insbesondere von Bedeutung ist hierbei das Verhältnis zwischen Länge und Dicke des Sensors 10, da für einen gegebenen Wärmestrom die Thermospannung mit steigendem Verhältnis ebenfalls steigt.
Insgesamt wird so eine Gasturbine bereitgestellt, in welcher auf einfache und zuverlässige Weise der Wärmefluss durch die thermische Barriereschicht überwacht werden kann, so dass de-
ren Barrierewirkung unter Betriebsbedingungen stets zuverlässig kontrollierbar ist.
Claims
1. Gasturbine (18) mit einem Wärmeflusssensor (10), welcher an einer Oberfläche eines Bauteils (20) der Gasturbine (18) angeordnet und als Thermoelement ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmeflusssensor (10) ein transversales thermoelektri - sches Element ist.
2. Gasturbine (18) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeflusssensor (10) aus monokristallinem Zinkoxid besteht.
3. Gasturbine (18) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die kristallographische c-Achse des Zinkoxids gegenüber einer Flächennormalen der Oberfläche des Bauteils (20) verkippt ist.
4. Gasturbine (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeflusssensor (10) unterhalb einer thermischen Barriereschicht (16) des Bauteils (20) angeordnet ist.
5. Gasturbine (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wärmeflusssensor (10) und der Oberfläche des Bauteils (20) eine elektrische Isolierschicht (22) angeordnet ist.
6. Gasturbine (18) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass Anschlussleitungen (24) für den Wärmeflusssensor (10) zwischen der elektrischen Isolierschicht (22) und der thermischen Barriereschicht (16) angeordnet sind.
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