Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gas turbine umfassend einen Rotor mit einer Vielzahl von Rotor schaufeln und ein Gehäuse, wobei zumindest die Spitzen der Rotorschaufeln mit einem Hartstoff beschichtet sind und am Gehäuse im Bereich der Rotorschaufeln eine AnstreifSchicht angebracht ist, und wobei zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein Spalt ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung solcher Verfahren sowie eine Gasturbine mit einer derartigen Steuerungseinrich tung .

In jeder Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, gibt es im Strömungskanal zwischen den rotierenden Bauteilen (i.d.R. die Laufschaufeln des Rotors, nachstehend auch als Rotorschaufeln bezeichnet) und dem Gehäuse radiale Spalte. Durch diese Spal te kommt es zu Druckverlusten, welche den Wirkungsgrad des Prozesses verringern. Daher werden die Spalte beim Design der Gasturbine so klein wie möglich gewählt.

Während des Betriebs der Gasturbine verändert sich die Größe der Spalte. Die Ursachen dafür sind vielfältig, beispielswei se unterschiedliche Erwärmungs- oder Abkühlungsgeschwindig keit von Gehäuse und Schaufeln (insbesondere im transienten Betrieb) , Deformation der Wellenlagerung bei Erwärmung, Ova- lität bzw. ungleichmäßige Deformation des Gehäuses bei Erwär mung durch unsymmetrische Kühlluftzufuhr oder unsymmetrisches Gehäusedesign, ungleichmäßiges Altern (Kriechen) der Bautei le, etc. Dies führt dazu, dass es insbesondere beim transien ten Betrieb der Gasturbine zu einem Anstreifen der Rotor schaufeln am Gehäuse kommen kann. Die Rotorschaufeln verkür zen sich dadurch, so dass im folgenden Volllast-Betrieb per manent größere Spalte und somit größere Verluste entstehen. Aus der US 8,682,563 B2 ist z.B. ein System zum Vorhersagen des Turbinenreibens bekannt.

Um einen maximalen Gasturbinenwirkungsgrad zu gewährleisten, ist es von entscheidender Bedeutung, die Spalte zwischen den rotierenden und den statischen Bauteilen während des Betriebs möglichst klein zu halten. Bei einem konischen Strömungskanal ist eine Möglichkeit hierzu, nachdem transiente Phasen durch fahren sind, in welchen die Spalte an den Schaufelspitzen sich maximal verengen, den Rotor im stationären Hochlast- Betrieb z.B. mit einer Hydraulik axial zu verfahren. Wird der Rotor gegen die Strömungsrichtung verfahren, dann reduzieren sich die Spalte.

Aus der WO 2014/016153 Al ist ein Verfahren zur Minimierung eines einstellbaren Spalts zwischen einer Laufschaufel und einem Gehäuse einer Turbine bekannt. Durch Verschiebung von Läufer und Gehäuse gegeneinander soll der Spalt zwischen dem Läufer und dem Gehäuse auf einfache Art und Weise minimiert werden. Dazu wird ein Ausgangssignal eines dem Läufer

und/oder dem Gehäuse zugeordneten Körperschallüberwachungs systems als Maß für die Größe des Spalts und damit zur Ein stellung eines minimalen Spalts herangezogen.

Am Turbinengehäuse ist eine abschleifbare Dichtung ange bracht, die auch als AnstreifSchicht bezeichnet wird. An streifdichtungen oder -schichten für die Rotorschaufeln von Gasturbinen, die an der Innenwand des Turbinengehäuses ange ordnet sind, werden als Wabenstruktur-Dichtungen (auch "Ho- neycomb-Dichtung" genannt) oder als poröse, keramische Be schichtungen ausgebildet. Das Einschneiden der Schaufelspitze in die abschleifbare Dichtung erfolgt ohne einen wesentlichen Verschleiß oder eine wesentliche Beschädigung der Beschich tung oder der Schaufelspitze.

Um ein Abtragen des Materials an der Spitze der Rotorschaufel zu vermeiden, ist es aus dem Stand der Technik bereits be kannt, die Enden bzw. Spitzen der Schaufeln mit einem kerami- sehen Belag oder mit Hartstoffpartikeln bzw. mit abrasiven Partikeln zu panzern. Insbesondere wird kubisches Bornitrid als Hartstoff-Beschichtung verwendet. Eine solche Beschich tung geht z.B. aus der DE 44 36 186 C2 hervor. Problematisch ist dabei jedoch, dass das kubische Bornitrid bei den Ein- satztemperaturen (>1100°C) einer Gasturbine nur eine begrenz te Lebensdauer von mehreren Hundert Stunden hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für die be schichteten Spitzen der Rotorschaufel besonders schonenden Betrieb der Gasturbine zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine umfassend einen Rotor mit einer Vielzahl von Rotorschaufeln und ein Gehäuse, wobei zumindest einige der Rotorschaufeln mit einem Hartstoff beschichtet sind und am Gehäuse im Bereich der Rotorschaufeln eine An streifschicht angebracht ist, und wobei zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein Spalt ausgebildet ist, wobei die Gastur bine :

- angefahren wird,

- mindestens 15 min bei Volllast betrieben wird,

- abgefahren wird und mehrere Stunden ohne Feuerung bei einer niedrigen Frequenz in Rotation gehalten wird, und

- erneut hochgefahren wird.

Ergänzend oder alternativ wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein weiteres Verfahren zum Betrieb einer Gastur bine umfassend einen Rotor mit einer Vielzahl von Rotorschau feln und ein Gehäuse, wobei zumindest die Spitzen der Rotor schaufeln mit einem Hartstoff beschichtet sind und am Gehäuse im Bereich der Rotorschaufeln eine AnstreifSchicht angebracht ist, und wobei zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein Spalt ausgebildet ist, wobei

- die Gasturbine angefahren wird,

- die Gasturbine bei Volllast betrieben wird, bis die Gasturbine vollständig durchgewärmt wird, - optional eine Spaltoptimierung, bei der ein axialer Versatz des Rotors und/oder des Gehäuses erfolgt, eingeschalten wird,

- die Gasturbine in Teillast entlastet wird und mindes tens eine Stunde bei Teillast betrieben wird.

Darüber hinaus wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des oder der oben beschriebenen Verfahren.

Die Aufgabe wird schließlich erfindungsgemäß gelöst durch ei ne Gasturbine mit einer solchen Steuerungseinrichtung.

Die in Bezug auf die Verfahren nachstehend angeführten Vor teile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf die Steuerungseinrichtung und die Gasturbine übertragen.

Aus Untersuchungen ist bekannt, in welchen Phasen des tran sienten Betriebs und an welcher Position das Anstreifen der Schaufelspitzen stattfindet. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, das Anstreifen gezielt zu provozieren, insbe sondere das Anstreifen in den ersten Betriebsstunden der Gas turbine als Standard zu etablieren. Der wesentliche Vorteil dabei ist, dass die Beschichtung, die z.B. kubisches Borni trit enthält, noch intakt ist und somit ein Einreiben in die AnstreifSchicht möglich ist, ohne dass sich die Schaufelspit zen verkürzen. Dabei müssen nicht zwingend alle Rotorschau feln mit Hartstoffpartikeln beschichtet sein, jedoch weisen zumindest 10% der Rotorschaufeln pro Stufe eine Hartstoffbe schichtung auf. Bei den beschichteten Rotorschaufeln ist zu dem ausreichend, wenn nur die Spitzen die Beschichtung auf weisen .

Das Anstreifen tritt insbesondere bei zwei Betriebszuständen auf. Die Erfindung zielt dabei darauf ab, durch unterschied liche Betriebsweisen diese zwei Betriebszustände gezielt an zufahren . Im ersten Fall wird die Gasturbine zunächst wie üblich ange fahren und mehrere Minuten oder Stunden (je nach Turbinentyp zwischen 15 min und 100 Stunden), bei Volllast betrieben.

Wenn anschließend die Gasturbine abgefahren wird und ohne Feuerung mehrere Stunden, bevorzugt bis 24 Stunden, jedoch bis maximal 30 Stunden weiter rotiert, stellt sich aufgrund der sehr geringen Geschwindigkeiten bei niedriger Turndreh zahl eine natürliche Konvektion ein. Diese führt zu einem vertikalen Temperaturgradienten im Durchmesser der Gasturbine und folglich zu einer Deformation der stehenden Gehäusebau teile. Diese Verformung verursacht an zumindest einer Stelle einen kleineren, radialen Turbinenspalt. Das Schließen der Spalte erfolgt kontinuierlich, so dass die Spalte einen mini malen Wert etwa 10 Stunden nach dem Abfahren der Gasturbine aufweisen, daher rotiert die Gasturbine mehrere Stunden lang, insbesondere bis 24 Stunden, in diesem Zustand.

Wird die Gasturbine in einem solchen Zustand erneut gestar tet, kommt es zu einem starken Anstreifen im Bereich des ver kleinerten Spalts oder der verkleinerten Spalte. Dieser Be triebszustand wird gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gezielt angefahren. Somit wird ein Einreiben mit beschichteten Schau felspitzen garantiert, so dass später, wenn die Beschichtung nicht mehr intakt ist, sich die Schaufelspitzen nicht verkür zen, sollte dieser Betriebszustand erneut eingestellt werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsvariante wird die Gasturbi ne zwischen 8 Stunden und 12 Stunden bei Volllast betrieben. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine vollständige Durchwärmung der Gasturbine stattfindet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird die Gasturbine ohne Feuerung (d.h. in einem sogenannten „turning gear"-Betriebsmodus , in dem die Gasturbine z.B. einen exter nen Elektromotor oder den Generator in Rotation gehalten wird) bei einer Frequenz zwischen 0,5 Hz und 5 Hz betrieben, um die natürliche Konvektion hervorzurufen, welche zum verti- kalen Temperaturgradienten und somit letztendlich zum An streifen führt.

Der zweite Fall bzw. Betriebszustand betrifft ein Anstreifen an einer unterschiedlichen Position. Insbesondere aufgrund einer ungleichmäßigen Zufuhr der Kühlluft, welche während des Betriebs zu einem Temperaturgradienten in Umfangsrichtung führt, sowie einer nicht optimalen Zentrierung des Rotors zum Gehäuse über den Lagerstern, kommt es zu einer dreidimensio nalen Abweichung der Turbinenradialspalte. Um dieses Anstrei fen zu erzwingen, wird gemäß dem unabhängigen Verfahrensan spruch 4 die Gasturbine aus einem durchgewärmten Volllastbe trieb entlastet und anschließend eine Stunde bei Teillast, d.h. insbesondere bei einem Lastabwurf von mindestens 10%, mit aktivierter Spaltoptimierung, wenn diese vorhanden ist, betrieben. Bevorzugt erfolgt dabei die Entlastung aus dem durchgewärmten Volllastbetrieb auf eine für die Spaltoptimie rung minimal erreichbare bzw. zulässige Teillast.

Um das Anstreifen mit den beschichteten Spitzen der Rotor schaufel möglichst früh zu provozieren, nämlich solange die Beschichtung der Schaufelspitzen sich sicher in einem intak ten Zustand befindet, ist bei beiden Verfahren das erste An fahren der Gasturbine vorzugsweise eine Inbetriebnahme der Gasturbine. Mit Inbetriebnahme wird hierbei auch die Be triebsaufnahme nach einem Austausch der Rotorschaufeln im Rahmen von Wartungsarbeiten verstanden.

Aus den gleichen Gründen werden das oder die oben beschriebe nen Verfahren vorzugsweise innerhalb der ersten 200 Betriebs stunden durchgeführt. Ein möglichst frühes Provozieren des Anstreifens ist jedoch effizienter und vorteilhafter, daher wird die das Anstreifen gemäß der oben beschriebenen Verfah ren insbesondere innerhalb der ersten 100 Betriebsstunden ge zielt hervorgerufen.

Der Fokus beider erfinderungemäßer Betriebsverfahren liegt auf dem geplanten Anstreifen bei der Inbetriebnahme. Der Vor- teil daraus ist zunächst, dass die Schaufelspitzen sich nicht mehr verkürzen und die Warmspalte im Betrieb kleiner sind. Dies resultiert in geringeren Spaltverlusten bzw. einem höhe ren Wirkungsgrad der Gasturbine. Darüber hinaus erfolgt eine Verringerung der Schaufelspitzenkorrosion. Im Stand der Tech nik wurde beim Anstreifen die Schutzschicht der Rotorschaufel beschädigt, so dass an diesen Stellen eine erhöhte Alte rung/Schädigung (Heißgaskorrosion) verursacht wurde. Da je doch erfindungsgemäß das Anstreifen mit intakter Beschichtung stattfindet, ist dies nicht mehr der Fall. Durch die Hart stoffbeschichtung, die insbesondere Bornitrid enthält, sind die Schaufelspitzen beim Anstreifen geschützt, somit ist eine höhere Lebensdauer der Rotorschaufeln gewährleistet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich nung näher erläutert. Hierin zeigen:

FIG 1 eine Gasturbine im Längsschnitt,

FIG 2 den Ablauf eines ersten erfindungsgemäßen Verfah rens zur Provokation des Einschleifens ,

und

FIG 3 den Ablauf eines zweiten erfindungsgemäßen Verfah rens zur Provokation des Einschleifens .

Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.

Die FIG 1 zeigt eine Turbine 100, hier eine Gasturbine, in einem Längsteilschnitt . Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 (Axialrichtung) drehgelager ten Rotor 103 auf. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine Ringbrennkam mer 106 mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und ein Abgasgehäuse 109.

Die Ringbrennkammer 106 kommuniziert mit einem ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hinterei nander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbinenstufe 112 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen, folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufeireihe 130 eine aus Lauf schaufeln bzw. Rotorschaufeln 120 gebildete Reihe. Die Spit zen der Laufschaufeln 120 weisen eine Hartstoffbeschichtung aus kubischem Bornitrid auf.

Die Leitschaufein 130 sind dabei am Gehäuse 138 befestigt, wohingegen die Rotorschaufeln 120 am Rotor 103 angebracht sind. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder ei ne Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .

Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und ver dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be- reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge führt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brenn kammer 106 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufein 130 und den Rotorschaufeln 120. An den Rotorschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Rotorschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und die ser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine oder Generator.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Rotor 103 entlang der Achse 102 axial verschiebbar, jedoch ist eine hydrauli sche Spaltoptimierung für die Durchführung des erfindungsge mäßen Verfahrens nicht zwingend erforderlich, sondern sie wirkt unterstützend und ist lediglich optional. Aufgrund der Konizität des Rotors 103 und des Gehäuses 138 zueinander wird durch eine Axialverschiebung des Rotors 103 oder des Gehäuses 138 der Spalt d zwischen dem Rotor 103, insbesondere den Ro torschaufelenden, und dem Gehäuse 138 verringert oder vergrö ßert. Die Axialverschiebung erfolgt hierbei hydraulisch.

Aufgrund der ungleichmäßigen thermischen Dehnungen der ver schiedenen Turbinenkomponenten kommt es zu Verkleinerungen des Radialspalts d und somit zum Anstreifen der Spitzen der Rotorschaufeln 120 am Gehäuse 138. Das Gehäuse 138 weist da bei im Kontaktbereich eine AnstreifSchicht auf, die hier nicht näher gezeigt ist.

Gemäß einem ersten Betriebsverfahren ist es vorgesehen, die Gasturbine 100 derart anzusteuern, dass ein gezieltes An streifen der Rotorschaufeln 120 verursacht wird. Der Verfah rensablauf ist aus FIG 2 ersichtlich. In FIG 2 ist eine Dreh frequenz f der Turbine 100 über die Zeit t aufgetragen. Im Zeitraum von to bis ti im Rahmen einer Inbetriebnahme der Gasturbine 100 wird die Gasturbine 100 zunächst angefahren. Wenn eine Volllast von in diesem Ausführungsbeispiel 50 Hz erreicht ist, wird die Gasturbine 100 zwischen ti und t ₂ noch mindestens 15 min, jedoch bevorzugt mehrere Stunden, insbe sondere zwischen 8 und 12 Stunden, bei Volllast betrieben.

Bei t ₂ wird die Gasturbine 100 abgefahren, wobei sie weiter im „turning gear" Betriebsmodus ohne Feuerung rotiert. Wich tig ist dabei, dass die Gehäuseteile noch gut durchwärmt sind. Dieser Betriebsmodus dauert z.B. 8 Stunden, jedoch kann er auch bis zu 24, sogar bis 30 Stunden dauern. Ab t ₃ wird die Gasturbine 100 erneut hochgefahren bis sie bei ts wieder die Volllast erreicht hat, wobei zum Zeitpunkt t ₄ das An streifen stattfindet. Das Erreichen von Volllast beim erneu ten Anfahren ist nicht erforderlich, entscheidend ist primär ein schnelles Starten, z.B. mit Steigerung von 10% der Maxi malleistung pro Minute. Zu Zeitpunkt t ₄ ist die Beschichtung der Rotorschaufeln 120 noch intakt, daher werden Einschleif spuren in der AnstreifSchicht hinterlassen. Somit wird ge währleistet, dass selbst wenn es zu einem späteren Zeitpunkt der Spalt d zwischen dem Rotor 103 und dem Gehäuse 138 n ge schlossen wird, keine Beschädigung der Schaufelspitzen an dieser Stelle erfolgt.

Ein zweites Betriebsverfahren für die Gasturbine 100 ist aus FIG 3 ersichtlich. In FIG 3 ist die Entwicklung der Gasturbi nenlast P über die Zeit t gezeigt. Ziel dabei ist es, ein An streifen in einer anderen Position als beim Betriebsverfahren gemäß FIG 2 zu erzwingen. Um dies zu erreichen, wird die Gas turbine 100 angefahren (ggf. bei veränderlicher Drehzahl) und ab ti bei Volllast betrieben, bis die Gasturbine 100 voll ständig durchgewärmt wird. Die Gasturbine braucht, je nach Größe, bis zu 10 Stunden bis zur vollständigen Durchwärmung. Anschließend erfolgt zwischen t ₂ und t ₄ ein schnelles Entlas ten der Gasturbine 100 mit maximal zulässiger Rate oder min destens 30% dieser Rate. Wenn die Gasturbine 100 über eine Spaltoptimierung verfügt, so wird die Spaltoptimierung wäh- rend dieses Manövers aktiviert. Unter diesen Bedingungen wird die Gasturbine 100 ab t ₄ mindestens eine Stunde betrieben. Schließlich kann die Gasturbine erneut auf Volllast hochge fahren werden und die hydraulische Spaltoptimierung kann aus geschaltet werden.

Beide Verfahren können zeitlich hintereinander an derselben Gasturbine 100 im Rahmen der Inbetriebnahme angewendet wer den .