GASTURBINE MIT DERARTIGER SCHAUFEL

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gasturbinen, die flexibel ausgelegt werden, Gasturbinen und Verfahren zum Betreiben von Gasturbinen.

Gasturbinen können bei der Stromerzeugung im Grundlastbetrieb oder insbesondere im Spitzenlastbetrieb betrieben werden.

Die Anforderungen an die jeweiligen Bedingungen sind unterschiedlich . Eine optimierte Konfiguration der Gasturbine, die beide Anforderungen erfüllt, würde immer einen Kompromiss darstellen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung dieses Problem zu lösen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Gasturbinen gemäß Anspruch 1, Gasturbinen gemäß Anspruch 19 oder 21 und ein Verfahren gemäß Anspruch 26.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.

Es zeigen:

Ausführungsbeispiel der Erfindung,

eine Porenverteilung keramischer Schicht, eine Turbinenschaufel und

eine Gasturbine. Die Beschreibung stellt nur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Ein Intervall der Wartung von Gasturbinen 100 (Fig. 6) wird bestimmt durch Erfassung der Betriebsstunden und Starts, die abhängig von der Betriebsweise und bestimmten Faktoren sind. Die Wartung ist jeweils nach Erreichen des Stunden- oder Startlimits durchzuführen.

Ist nun je nach Einsatzgebiet der Gasturbine eine Wartung notwendig oder verlangt der Einsatz vorab eine Überholung bzw. einen anderen Einsatz, so wird die Konfiguration der Gasturbine 100 geändert.

Begriffsdefinitionen :

Erste Gasturbine hat 1. Turbinenschaufel mit 1. Wärmedämm- Schicht.

Zweite Gasturbine hat Turbinenschaufeln mit keramischen Wärmedämmschichten

a) bei denen die 1. Turbinenschaufeln (=zweite Turbinenschaufel) und/oder

b) neue unverbrauchte Turbinenschaufeln (= neue zweite Turbinenschaufeln)

verwendet werden

und jeweils eine 2. Wärmedämmschicht deutlich unterscheidbar von der 1. Wärmedämmschicht aufweisen.

War vorher in dieser ersten Gasturbine eine einlagige Wärmedämmschicht wie oben beschrieben im Betrieb vorhanden, so wird für den erneuten Einsatz im Grundlastbetrieb eine zwei- lagige (Fig. 3), eine dickere (Fig. 1) oder porösere kerami- sehe Wärmedämmschicht für die Turbinenschaufeln 120, 130 verwendet .

Die Turbinenschaufeln für die zweite Gasturbine können im Ursprung (dasselbe Substrat) die ersten Turbinenschaufeln der ersten Gasturbine oder anderer Gasturbinen sein, die bereits im Einsatz waren, entsprechend aufgearbeitet wurden (Refur- bishment) und durch eine Wiederbeschichtung zweite Turbinenschaufeln ergeben oder neue zweite Turbinenschaufeln sein, bei denen neu hergestellte (neu gegossene) , noch nicht verwendete Turbinenschaufeln anders als die ersten Turbinenschaufeln der ersten Gasturbine beschichtet werden.

Ebenso ist es möglich, wenn die Gasturbine 100 im Grundlastbetrieb eine zweilagige keramische Wärmedämmschicht auf den Turbinenschaufeln 120, 130 aufgewiesen hat, eine einlagige TBC aufzubringen, so dass sie dann im Spitzenlastbetrieb (daily Starter) eingesetzt werden kann (Fig. 2) .

Für den Spitzenlastbetrieb wird vorzugsweise nur eine einlagige keramische Schicht mit einer einheitlichen Porosität verwendet. Für den Spitzenlastbetrieb weist die keramische Wärmedämmschicht auf den Turbinenschaufeln 120, 130 vorzugsweise eine hohe Porosität von 18% + 4% auf.

Im Grundlastbetrieb (base loader) wird jedoch eine zweilagige Wärmedämmschicht 13 eingesetzt (Fig. 3) .

Als Ausgangspulver für die keramischen Schichten 7', 7'', 7''', 10', 13' wird vorzugsweise agglomeriertes, gesintertes Pulver verwendet . Jede keramische gespritzte Schicht wird in Beschichtungslagen aufgebracht. Zweilagigkeit bedeutet aber, dass sich eine zweite Lage durch Porosität und/oder Mikrostruktur und/oder chemische Zusammensetzung von einer ersten, untenliegenden Lage unterscheidet.

Als untere Lage wird vorzugsweise eine keramische Lage 7 mit einer Porosität von 12% + 4% verwendet, die vorzugsweise eine Schichtdicke von 75μπι bis 150μπι aufweist.

Darüber wird als äußere keramische Lage 10 eine Porosität mit 25% + 4% gespritzt bzw. ist vorhanden.

Der Unterschied in der Porosität beträgt jedoch mindestens 2%, insbesondere mindestens 4%. Schwankungen in der Porosität bei der Herstellung sind bekannt. Innerhalb einer Charge, d.h. eines Schaufelsatzes, sind keine Schwankungen zu verzeichnen .

Um Porositäten in keramischen Schichten oder keramischen La- gen (Figuren 1 - 3) zu erzeugen, können beim Spritzen grobe Körner verwendet werden und Verwendung von Polymeren oder kleinere Körner mit Polymer verwendet werden, wobei grob einen mindestens 20% größeren mittleren Teilchendurchmesser bedeutet .

Eine zweilagige keramische Schicht 7, 10 kann mit verschiedenen Spritzverfahren hergestellt werden: die untere Lage 7 wird ohne Polymer und die obere Lage 10 wird mit Polymer verspritzt .

Dadurch ergeben sich in der oberen Lage 10 größere Poren, d.h. der mittlere Porendurchmesser di ₀ steigt gegenüber dem mittleren Porendurchmesser d ₇ der unteren Lage 7 (Fig. 4) an. Dies ist nicht zwangsläufig so. Eine höhere Porosität wird oft nur durch eine höhere Anzahl Poren der gleichen Porengröße erzielt.

Vorzugsweise wird das gleiche Pulver dabei verwendet, also auch eine gleiche Korngrößenverteilung. Zirkonoxid (Zr0 ₂ ) für die keramischen Lagen der Wärmedämmschichten weist vorzugsweise einen monoklinen Anteil von < 3%, insbesondere < 1,5% aufweist. Dementsprechende Anteile weist dann eine keramische Lage oder Schicht 7, 7', 10, 13 (Figuren 1 - 3) auf der Turbinenschaufel 120, 130 auf.

Der Minimumanteil der monoklinen Phase beträgt mindestens 1%, insbesondere 0,5%, um die Kosten des Pulvers nicht zu stark zu erhöhen. Durch die Veränderung der Konfiguration der ersten Wärmedämmschicht 7', 7'', 13' wird quasi eine andere, zweite Gasturbine hergestellt, die optimiert ist auf ihr Einsatzgebiet. Die Figur 5 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.

Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein. Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.

Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufel- spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt) .

Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) .

Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.

Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schau- felblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.

Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas- sive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet .

Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.

Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein. Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.

Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.

Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprach- gebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwen- digerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.

Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch

Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) .

Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 AI bekannt.

Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) ) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI.

Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dich- te .

Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) . Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0 , 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni - lOCr- 12A1 - 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0 , 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10Al-0,4Y-l,5Re.

Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zr0 ₂ , Y ₂ 0 ₃ -Zr0 ₂ , d.h. sie ist nicht, teil- weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid

und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.

Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht.

Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.

Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) , LPPS, VPS oder CVD . Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die

MCrAlX-Schicht .

Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschich- ten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie- derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.

Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.

Die Figur 6 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt .

Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.

Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.

Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.

Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufel- ringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums

113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.

Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.

An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .

Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be- reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.

Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet .

Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.

Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) .

Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superle- gierungen verwendet .

Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.

Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI. Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus Zr0 ₂ , Y ₂ 0 ₃ -Zr0 ₂ , d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.

Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt .

Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .