Verwendung einer Wärmedämmschicht für ein Gehäuse einer Dampfturbine und eine Dampfturbine Use of a thermal barrier coating for a housing of a steam turbine and a steam turbine
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Wärmdämmschicht nach Anspruch 1 oder 2 und eine Dampfturbine nach Anspruch 29.The invention relates to the use of a thermal barrier coating according to claim 1 or 2 and a steam turbine according to claim 29.
Wärmedämmschichten, die auf Bauteilen aufgebracht werden, sind aus dem Bereich der Gasturbinen bekannt, wie sie z.B. in der EP 1 029 115 oder WO 00/25005 beschrieben sind.Thermal insulation layers, which are applied to components, are known from the field of gas turbines, as they are e.g. are described in EP 1 029 115 or WO 00/25005.
Aus der DE 195 35 227 AI ist bekannt, eine Wärmedämmschicht in einer Dampfturbine vorzusehen, um Werkstoffe mit schlech- teren mechanischen Eigenschaften, die aber kostengünstiger sind, für das Substrat, auf das die Wärmedämmschicht aufgebracht wird, verwenden zu können.From DE 195 35 227 AI it is known to provide a thermal barrier coating in a steam turbine, in order to be able to use materials with poorer mechanical properties, but which are less expensive, for the substrate to which the thermal barrier coating is applied.
Die Wärmedämmschicht ist im kälteren Bereich eines Dampfein- strömbereichs aufgebracht .The thermal barrier coating is applied in the colder area of a steam inflow area.
Die GB 1 556 274 offenbart eine Turbinenscheibe mit einer Wärmedämmschicht, um den Wärmeeintrag in die dünneren Bereiche der Turbinenscheibe zu verringern. Die US 4, 405,284 offenbart eine zweischichtige keramische äußere Schicht, um das Abschleifverhalten zu verbessern.GB 1 556 274 discloses a turbine disk with a thermal barrier coating in order to reduce the heat input into the thinner areas of the turbine disk. US 4, 405,284 discloses a two-layer ceramic outer layer to improve the abrasion behavior.
Die US 5,645,399 offenbart die lokale Aufbringung einer Wärmedämmschicht in eine Gasturbine, um die Axialspiele zu verringern. •US 5,645,399 discloses the local application of a thermal barrier coating in a gas turbine in order to reduce the axial play. •
Die Patentschrift 723 476 offenbart ein Gehäuse, das zweiteilig ausgeführt ist und eine äußere keramische Schicht aufweist, die dick ausgeführt ist. Die Gehäuseteile des einen Gehäuses übereinander, aber nicht axial nebeneinander angeordnet .
Wärmedämmschichten erlauben es, Bauteile bei höheren Temperaturen einzusetzen, als es der Grundwerkstoff allein zulässt, oder die Einsatzdauer zu verlängern.The patent specification 723 476 discloses a housing which is made in two parts and has an outer ceramic layer which is made thick. The housing parts of one housing are arranged one above the other, but not axially next to one another. Thermal insulation layers allow components to be used at higher temperatures than the base material alone or extend the service life.
Bekannte Grundwerkstoffe ermöglichen Einsatztemperaturen von maximal 1000°C - 1100°C, wohingegen eine Beschichtung mit einer Wärmedämmschicht Einsatztemperaturen von bis zu 1350°C in Gasturbinen ermöglicht.Known base materials enable operating temperatures of a maximum of 1000 ° C - 1100 ° C, whereas a coating with a thermal insulation layer enables operating temperatures of up to 1350 ° C in gas turbines.
Im Vergleich zu Gasturbinen sind die Einsatztemperaturen von Bauteilen in einer Dampfturbine deutlich niedriger, Druck und Dichte des Fluids jedoch höher und Art des Fluids anders, so dass dort andere Anforderungen an die Materialien gestellt werden.Compared to gas turbines, the operating temperatures of components in a steam turbine are significantly lower, but the pressure and density of the fluid are higher and the type of fluid is different, so that there are different requirements for the materials.
Wesentlich für den Wirkungsgrad einer Dampfturbine sind die radialen und axialen Spiele zwischen Rotor und Stator. Maßgeblichen Einfluss darauf hat die Verformung der Dampfturbinen-Gehäuse, deren Funktion es u.a. ist, die Leitschaufeln gegenüber den an der Welle befestigten Laufschaufeln zu positionieren. Diese Gehäuseverformungen enthalten thermische Anteile (aus Wärmeeintrag) sowie viskoplastische Anteile (aus Bauteil- Kriechen bzw. -Relaxation) .The radial and axial clearances between the rotor and stator are essential for the efficiency of a steam turbine. The deformation of the steam turbine housing, the function of which, among other things, has a decisive influence on this. is to position the guide vanes in relation to the rotor blades attached to the shaft. These housing deformations contain thermal components (from heat input) and viscoplastic components (from component creep or relaxation).
Bei anderen Komponenten einer Dampfturbine (z. B. Ventil-Gehäusen) wirken sich unzulässige viskoplastische Verformungen nachteilig auf deren Funktion aus (z. B. Dichtheit des Ventils) .With other components of a steam turbine (e.g. valve housings), impermissible viscoplastic deformations adversely affect their function (e.g. valve tightness).
Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Probleme zu überwinden. Die Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung einer Wärmedämmschicht für ein Gehäuse für eine Dampfturbine gemäß Anspruch 1 oder 2.
Die Aufgabe wird weiterhin' gelöst durch eine Dampfturbine gemäß Anspruch 29, die eine Wärmedämmschicht mit lokal unterschiedlichen Parametern (Materialien, Porosität, Dicke) aufweist. Lokal bedeutet örtlich voneinander abgegrenzte Bereiche der Oberflächen von einem oder mehreren Bauteilen einer Turbine .The object of the invention is to overcome the problems mentioned. The object is achieved by the use of a thermal barrier coating for a housing for a steam turbine according to claim 1 or 2. The object is further solved 'by a steam turbine according to claim 29, having a thermal barrier coating with locally differing parameters (materials, porosity, thickness). Local means regions of the surfaces of one or more components of a turbine that are spatially delimited from one another.
Die Wärmedämmschicht dient nicht notwendigerweise nur demThe thermal barrier coating does not necessarily only serve that
Zweck, den Bereich der Einsatztemperaturen nach oben zu verschieben, sondern auch dazu, das Verformungsverhalten gezielt positiv zu beeinflussen durchPurpose to shift the range of operating temperatures upwards, but also to influence the deformation behavior in a targeted manner by
a) die Absenkung der integralen stationären Temperatur eines Gehäuseteils gegenüber einem anderen Gehäuseteil, b) eine Abschirmung der Bauteile gegen Dampf mit stark veränderlichen Temperaturen bei instationären Zuständen (Start, •Abfahren, Lastwechsel), c) eine Reduzierung der viskoplastischen Verformungen von Gehäusen, die sowohl durch abnehmende Kriechresistenz der Werkstoffe bei hohen Temperaturen als auch durch Thermo- spannungen infolge von Temperaturunterschieden im Bauteil entstehen.a) lowering the integral stationary temperature of one housing part compared to another housing part, b) shielding the components against steam with highly variable temperatures in the case of transient conditions (start, • shutdown, load change), c) reducing the viscoplastic deformation of housings that both due to decreasing creep resistance of the materials at high temperatures as well as thermal stresses due to temperature differences in the component.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauteils aufgelistet.Further advantageous refinements of the component according to the invention are listed in the subclaims.
Die- in den Unteransprüchen aufgelisteten Maßnahmen können in vorteilhafter Art und Weise miteinander verknüpft werden.The measures listed in the subclaims can be linked to one another in an advantageous manner.
Vorteilhaft wirkt sich die kontrollierte Beeinflussung des Verformungsverhaltens bei einem Radialspalt zwischen Turbi- nen-Rotor und Turbinenstator aus, also Turbinenschaufel und einem Gehäuse auf, indem dieser Radialspalt minimiert wird.
Eine Minimierung des Radialspalts führt zur Erhöhung des Wirkungsgrads der Turbine.The controlled influencing of the deformation behavior in the case of a radial gap between the turbine rotor and the turbine stator, that is to say the turbine blade and a housing, has an advantageous effect by minimizing this radial gap. Minimizing the radial gap leads to an increase in the efficiency of the turbine.
Ebenso werden vorteilhafterweise durch das kontrollierte Ver- formungsverhalten Axialspalte in einer Dampfturbine, insbesondere zwischen Rotor und Gehäuse, kontrolliert eingestellt und minimiert .Likewise, the controlled deformation behavior advantageously allows axial gaps in a steam turbine, in particular between the rotor and the housing, to be set and minimized in a controlled manner.
Besonders vorteilhaft wirkt es sich aus, dass eine integrale Temperatur des Gehäuses durch die Aufbringung der Wärmedämmschicht geringer ist als die Temperatur der Welle, so dass der radiale Spalt zwischen Rotor und Stator, d.h. zwischen Laufschaufelspitze und Gehäuse bzw. zwischen Leitschaufel- spitze und Welle, im Betrieb (höhere Temperaturen als Raum- temperatur) kleiner ist als bei der Montage (Raumtemperatur) . Eine Verringerung der instationären thermischen Verformung von Gehäusen und deren Angleichung an das Verformungsverhalten der zumeist thermisch trägeren Turbinenwelle bewirkt ebenfalls eine Reduzierung der vorzusehenden radialen Spiele. Durch die Aufbringung einer Wärmedämmschicht wird auch eine viskose Kriechverformung reduziert, und das Bauteil kann länger eingesetzt werden.It is particularly advantageous that an integral temperature of the housing is lower than the temperature of the shaft due to the application of the thermal barrier coating, so that the radial gap between the rotor and stator, i.e. between the blade tip and the housing or between the guide blade tip and the shaft, during operation (higher temperatures than room temperature) is smaller than during assembly (room temperature). A reduction in the transient thermal deformation of housings and their adaptation to the deformation behavior of the mostly thermally inert turbine shaft also brings about a reduction in the radial play to be provided. Applying a thermal barrier coating also reduces viscous creep deformation and the component can be used for longer.
Die Wärmedämmschicht kann vorteilhafterweise bei neuherge- stellten, gebrauchten (d.h. es ist keine Reparatur notwendig) und wiederaufgearbeiteten Bauteilen verwendet werden.The thermal barrier coating can advantageously be used for newly manufactured, used (i.e. no repair is necessary) and remanufactured components.
Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt.Exemplary embodiments are shown in the figures.
Es zeigenShow it
Figur 1, 2, 3, 4 Anordnungsmöglichkeiten einer Wärmedämmschicht eines Bauteils, Figur 5, 6 einen Gradienten der Porosität innerhalb der Wärmedämmschicht eines Bauteils,
Figur 7, 9 den Einfluss eines Temperaturunterschieds auf ein Bauteil,1, 2, 3, 4 possible arrangements of a thermal insulation layer of a component, FIG. 5, 6 a gradient of the porosity within the thermal insulation layer of a component, 7, 9 the influence of a temperature difference on a component,
Figur 8 eine Dampfturbine undFigure 8 is a steam turbine and
Figur 10,11,12,13,14,Figure 10, 11, 12, 13, 14
15, 16, 17, weitere Verwendungsbeispiele einer Wärmedämmschicht ,15, 16, 17, further examples of use of a thermal barrier coating,
Figur 18 den Einfluss einer Wärmedämmschicht auf die Lebensdauer eines wieder aufgearbeiteten Bauteils.FIG. 18 shows the influence of a thermal barrier coating on the service life of a reprocessed component.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bauteils 1 für die erfindungsgemäße Verwendung.Figure 1 shows a first embodiment of a component 1 for use in the invention.
Das Bauteil 1 ist ein Bauteil oder Gehäuse, insbesondere ein Gehäuse 335 eines Einströmbereichs 333 einer Turbine (Gas,Component 1 is a component or housing, in particular a housing 335 of an inflow region 333 of a turbine (gas,
Dampf) , insbesondere einer Dampfturbine 300, 303 (Fig. 8) und besteht aus einem Substrat 4 (z.B. Tragstruktur) und einer darauf aufgebrachten Wärmedämmschicht 7. Die Wärmedämmschicht 7 ist insbesondere eine keramische Schicht, die beispielsweise aus Zirkonoxid (teilstabilisiert, vollstabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Magnesiumoxid) und/oder aus Titanoxid besteht, und ist beispielsweise dicker als 0.1 mm. So können Wärmedämmschichten 7, die zu 100% entweder aus Zirkonoxid oder Titanoxid bestehen, verwendet werden. Die keramische Schicht kann mittels bekannter BeSchichtungs- verfahren' wie atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) , Vakuumplasmaspritzen (VPS) , Niedrigdruckplasmaspritzen (LPPS) , sowie durch chemische oder physikalische Beschichtungsmet o- den (CVD, PVD) aufgebracht werden.Steam), in particular a steam turbine 300, 303 (FIG. 8) and consists of a substrate 4 (eg supporting structure) and a heat insulation layer 7 applied thereon. The heat insulation layer 7 is in particular a ceramic layer made, for example, of zirconium oxide (partially stabilized, fully stabilized by yttrium oxide) and / or magnesium oxide) and / or titanium oxide, and is for example thicker than 0.1 mm. So thermal insulation layers 7, which consist 100% of either zirconium oxide or titanium oxide, can be used. The ceramic layer can be applied by means of known coating methods such as atmospheric plasma spraying (APS), vacuum plasma spraying (VPS), low pressure plasma spraying (LPPS), and by chemical or physical coating methods (CVD, PVD).
Figur 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Bauteils 1 für die erfindungsgemäße Verwendung. Zwischen dem Substrat 4 und der Wärmedämmschicht 7 ist zumindest eine Zwischenschutzschicht 10 angeordnet.
Die Zwischenschutzschicht 10 dient zum Schutz vor Korrosion und/oder Oxidation des Substrats 4 und/oder zur besseren An- bindung der Wärmedämmschicht an das Substrat 4. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Wärmedämmschicht aus Keramik und das Substrat 4 aus einem Metall besteht.FIG. 2 shows a further embodiment of component 1 for the use according to the invention. At least one intermediate protective layer 10 is arranged between the substrate 4 and the heat insulation layer 7. The intermediate protective layer 10 serves to protect against corrosion and / or oxidation of the substrate 4 and / or for better connection of the thermal insulation layer to the substrate 4. This is particularly the case when the thermal insulation layer consists of ceramic and the substrate 4 consists of a metal.
Die Zwischenschutzschicht 10 zum Schutz eines Substrats 4 gegen Korrosion und Oxidation bei einer hohen Temperatur weist beispielsweise im wesentlichen folgende Elemente auf (Angabe der Anteile in Gewichtsprozent) : 11,5 bis 20,0 wt% Chrom, 0,3 bis 1,5 wt% Silizium, 0,0 bis 1,0 wt% Aluminium, 0,0 bis 0,7 wt% Yttrium und/oder zumindest ein äquivalentes Metall aus der Gruppe umfassend Scandium und die Elemente der Seltenen Erden, Rest Eisen, Kobalt und/oder Nickel sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen; insbesondere besteht die metallische Zwischenschutzschicht 10 aus 12,5 bis 14,0 wt% Chrom, 0,5 bis 1,0 wt% Silizium, 0,1 bis 0,5 wt% Aluminium, 0,0 bis 0,7 wt% Yttrium und/oder zumindest ein äquivalentes Metall aus der Gruppe umfassend Scandium und die Elemente der Seltenen Erden, Rest Eisen und/oder Kobalt und/oder Nickel sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen. Bevorzugt ist es, wenn der Rest nur Eisen ist.The intermediate protective layer 10 for protecting a substrate 4 against corrosion and oxidation at a high temperature essentially has, for example, the following elements (details of the proportions in percent by weight): 11.5 to 20.0 wt% chromium, 0.3 to 1.5 wt % Silicon, 0.0 to 1.0 wt% aluminum, 0.0 to 0.7 wt% yttrium and / or at least one equivalent metal from the group comprising scandium and the rare earth elements, remainder iron, cobalt and / or Nickel and manufacturing-related impurities; In particular, the metallic intermediate protective layer 10 consists of 12.5 to 14.0 wt% chromium, 0.5 to 1.0 wt% silicon, 0.1 to 0.5 wt% aluminum, 0.0 to 0.7 wt% yttrium and / or at least one equivalent metal from the group comprising scandium and the rare earth elements, remainder iron and / or cobalt and / or nickel as well as production-related impurities. It is preferred if the rest is only iron.
Die Zusammensetzung der Zwischenschutzschicht 7 auf Eisenba- sis zeigt besonders gute Eigenschaften, so dass die Schutzschicht 7 hervorragend zur Aufbringung auf ferritischen Substraten 4 geeignet ist. Dabei können die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Substrat 4 und Zwischenschutzschicht 10 sehr gut aneinander angeglichen werden oder sogar gleich sein, so dass es zu keinem thermisch verursachten Spannungsaufbau zwischen Substrat 4 und Zwischenschutzschicht 10 kommt (thermal mis-
match) , der ein Abplatzen der Zwischenschütz chicht 10 verursachen könnte .The composition of the intermediate protective layer 7 based on iron shows particularly good properties, so that the protective layer 7 is excellently suitable for application to ferritic substrates 4. The thermal expansion coefficients of substrate 4 and intermediate protective layer 10 can be matched to one another very well or even be the same, so that there is no thermally caused stress build-up between substrate 4 and intermediate protective layer 10 (thermal mismatch). match), which could cause the intermediate contactor layer 10 to flake off.
Dies ist besonders wichtig, da bei ferritischen Werkstoffen oft keine Wärmebehandlung zur Diffusionsanbindung durchge- führt wird, sondern die Schutzschicht 7 größtenteils oder nur durch Adhäsion auf dem Substrat 4 haftet.This is particularly important since, in the case of ferritic materials, no heat treatment for diffusion bonding is often carried out, but rather the protective layer 7 adheres to the substrate 4 for the most part or only by adhesion.
Insbesondere ist das Substrat 4 dann eine ferritische Basislegierung, ein Stahl oder eine Nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung, insbesondere ein l%CrMoV-Stahl oder ein 10 bis 12prozentiger Chromstahl.In particular, the substrate 4 is then a ferritic base alloy, a steel or a nickel or cobalt-based super alloy, in particular a 1% CrMoV steel or a 10 to 12 percent chromium steel.
Weitere vorteilhafte ferritische Substrate 4 des Bauteils 1 bestehen aus einemFurther advantageous ferritic substrates 4 of the component 1 consist of a
1% bis 2%Cr Stahl für Wellen (309, Fig. 4) : wie z.B. 30CrMoNiV5-ll oder 23CrMoNiWV8-8 ,1% to 2% Cr steel for shafts (309, Fig. 4): such as 30CrMoNiV5-ll or 23CrMoNiWV8-8,
1% bis 2%Cr Stahl für Gehäuse (beispielsweise 335, Fig. 4) : G17CrMoV5-10 oder G17CrMo9-10,1% to 2% Cr steel for housing (e.g. 335, Fig. 4): G17CrMoV5-10 or G17CrMo9-10,
10% Cr-Stahl für Wellen (309, Fig. 4) : XI2CrMoWVNbNl0-1-1 , 10% Cr-Stahl für Gehäuse (beispielsweise 335, Fig. 4.) : GX12CrMoWVNbN10-l-l oder GX12CrMoVNbN9-l .10% Cr steel for shafts (309, Fig. 4): XI2CrMoWVNbNl0-1-1, 10% Cr steel for housings (e.g. 335, Fig. 4): GX12CrMoWVNbN10-l-l or GX12CrMoVNbN9-l.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Bauteils 1 für die erfindungsgemäße Verwendung. Auf der Wärmdämmschicht 7 bildet nun eine ErosionsSchutzschicht 13 die äußere Oberfläche. Sie besteht insbesondere aus einem Metall oder einer Metall- legierung und schützt das Bauteil 1 vor Erosion und/oder Ver- schleiß, wie es insbesondere bei Dampfturbinen 300, 303 (Fig. 8) , die eine Verzunderung im Heißdampfbereich aufweisen, der Fall ist, wo mittlere Strömungsgeschwindigkeiten von etwa
50m/s (d.h. 20 - 100m/s) , und Drücke von bis zu 400 bar auftreten.FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of component 1 for the use according to the invention. An erosion protection layer 13 now forms the outer surface on the heat insulation layer 7. It consists in particular of a metal or a metal alloy and protects the component 1 against erosion and / or wear, as is the case in particular in steam turbines 300, 303 (FIG. 8) which have scaling in the superheated steam area, where mean flow velocities of about 50m / s (ie 20 - 100m / s), and pressures of up to 400 bar occur.
Für eine möglichst gute Wirkungsweise der Wärmedämmschicht 7 weist die Wärmedämmschicht 7 eine gewisse offene und/oder geschlossene Porosität auf.For the heat insulation layer 7 to function as well as possible, the heat insulation layer 7 has a certain open and / or closed porosity.
Vorzugsweise weist die Verschleiß/Erosionsschutzschicht 13 eine höhere Dichte auf und besteht aus Legierungen auf der Basis von Eisen, Chrom, Nickel und/oder Kobalt oder MCrAlX oder beispielsweise NiCr 80/20 oder mit Beimengungen von Bor (B) und Silizium (Si) NiCrSiB oder NiAl (beispielsweise Ni : 95%, AI 5%) . Insbesondere kann eine metallische Erosionsschutzschicht 13 bei Dampfturbinen 300, 303 eingesetzt werden, da die Einsatztemperaturen in Dampfturbinen 300, 303 beimThe wear / erosion protection layer 13 preferably has a higher density and consists of alloys based on iron, chromium, nickel and / or cobalt or MCrAlX or, for example, NiCr 80/20 or with admixtures of boron (B) and silicon (Si) NiCrSiB or NiAl (for example Ni: 95%, AI 5%). In particular, a metallic erosion protection layer 13 can be used in steam turbines 300, 303, since the operating temperatures in steam turbines 300, 303
Dampfeinströmbereich 33 maximal bei 800°C oder 850°C liegen. Für solche Temperaturbereiche gibt es genügend metallische Schichten, die einen hinreichend großen notwendigen Erosionsschutz über die Einsatzdauer des Bauteils 1 aufweisen.Steam inflow range 33 is a maximum of 800 ° C or 850 ° C. For such temperature ranges, there are enough metallic layers that have a sufficiently large necessary erosion protection over the period of use of the component 1.
Metallische Erosionsschutzschichten 13 in Gasturbinen auf einer keramischen Wärmedämmschicht 7 sind dort nicht überall möglich, da metallische Erosionsschützschichten 13 als äußere Schicht die maximalen Einzeltemperaturen von bis zu 1350°C nicht aushalten können. Keramische ErosionsSchutzschichten 13 sind ebenso denkbar.Metallic erosion protection layers 13 in gas turbines on a ceramic thermal barrier coating 7 are not possible there everywhere, since metallic erosion protection layers 13 as the outer layer cannot withstand the maximum individual temperatures of up to 1350 ° C. Ceramic erosion protection layers 13 are also conceivable.
Weitere Materialien für die Erosionsschutzschicht 13 sind beispielsweise Chromkarbid (Cr3C2) , eine Mischung aus Wolframkarbid, Chromkarbid und Nickel (WC-CrC-Ni) beispielsweise mit den Gewichtsanteilen 73 wt% für Wolframkarbid, 20 wt% für Chromkarbid und 7 wt% für Nickel, ferner Chromkarbid mit der Beimischung von Nickel (Cr3C2-Ni) beispielsweise mit einem
Anteil von 83 wt% Chromkarbid und 17 wt% Nickel sowie eine Mischung aus Chromkarbid und Nickelchrom (Cr3C2-NiCr) beispielsweise mit einem Anteil von 75 wt% Chromkarbid und 25 wt% Nickelchrom sowie Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid beispielsweise mit einem Gewichtsanteil von 80 wt% Zirkonoxid und 20 wt% Yttriumoxid.Other materials for the erosion protection layer 13 are, for example, chromium carbide (Cr 3 C 2 ), a mixture of tungsten carbide, chromium carbide and nickel (WC-CrC-Ni), for example with the weight fractions 73 wt% for tungsten carbide, 20 wt% for chromium carbide and 7 wt% for nickel, also chromium carbide with the addition of nickel (Cr 3 C 2 -Ni) for example with a Portion of 83 wt% chromium carbide and 17 wt% nickel as well as a mixture of chromium carbide and nickel chromium (Cr 3 C 2 -NiCr) for example with a proportion of 75 wt% chromium carbide and 25 wt% nickel chromium as well as yttrium stabilized zirconium oxide for example with a weight proportion of 80 wt% zirconium oxide and 20 wt% yttrium oxide.
Ebenso kann im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 noch eine Zwischenschutzschicht 10 vorhanden sein (Fig. 4) .Similarly, in comparison to the exemplary embodiment according to FIG. 3, an intermediate protective layer 10 can also be present (FIG. 4).
Figur 5 zeigt eine Wärmedämmschicht 7 mit einem Gradienten der Porosität. In der Wärmedämmschicht 7 sind Poren 16 vorhanden. In. Richtung einer äußeren Oberfläche nimmt die Dichte p der Wärmedämmschicht 7 zu (Richtung Pfeil) . Somit besteht zum Substrat 4 oder einer ggf. vorhandenen Zwischenschutzschicht 10 hin vorzugsweise eine größere Porosität als im Bereich einer äußeren Oberfläche oder der Kontaktfläche zu der Erosionsschutzschicht 13.FIG. 5 shows a heat insulation layer 7 with a gradient of the porosity. Pores 16 are present in the thermal barrier coating 7. In. The density p of the thermal insulation layer 7 increases in the direction of an outer surface (direction of arrow). Thus, there is preferably a greater porosity towards the substrate 4 or any intermediate protective layer 10 than in the area of an outer surface or the contact area with the erosion protection layer 13.
In Figur 6 verläuft der Gradient in der Dichte p der Wärme- dämmschicht 7 entgegengesetzt wie in der Figur 5 gezeigt (Richtung Pfeil) .In FIG. 6, the gradient in the density p of the thermal insulation layer 7 runs in the opposite direction to that shown in FIG. 5 (direction arrow).
Die Figuren 7a, b zeigen den Einfluss der Wärmedämmschicht 7 auf das thermisch bedingte Verformungsverhalten des Bauteils 1. Figur 7a zeigt ein Bauteil ohne Wärmedämmschicht. An zwei gegenüberliegenden Seiten des Substrats 4 herrschen 2wei verschiedene Temperaturen, eine höhere Temperatur Tmax
und eine niedrigere Temperatur Tmin, wodurch ein radialer Temperaturunterschied dT(4) gegeben ist.FIGS. 7a, b show the influence of the thermal barrier coating 7 on the thermally induced deformation behavior of the component 1. FIG. 7a shows a component without a thermal barrier coating. Two different temperatures prevail on two opposite sides of the substrate 4, a higher temperature T max and a lower temperature T m i n, whereby a radial temperature difference dT is given (4).
Somit dehnt sich das Substrat 4, wie es gestrichelt angedeutet ist, im Bereich der höheren Temperatur Tmax aufgrund der thermischen Ausdehnung deutlich stärker aus als im Bereich der kleineren Temperatur Tmin. Diese unterschiedliche Ausdehnung verursacht eine unerwünschte Verformung eines Gehäuses .Thus, the substrate 4, as indicated by dashed lines, extends in the area of higher temperature T max due to thermal expansion significantly higher than in the region of the smaller temperature T m i n. This different expansion causes an undesirable deformation of a housing.
Hingegen ist bei der Figur 7b auf dem Substrat 4 eine Wärme- dämmschicht 7 vorhanden, wobei das Substrat 4 und die Wärmedämmschicht 7 zusammen beispielsweise genauso dick sind wie das Substrat 4 in Figur 7a.In contrast, in FIG. 7b, a thermal insulation layer 7 is present on the substrate 4, the substrate 4 and the thermal insulation layer 7 together being, for example, just as thick as the substrate 4 in FIG. 7a.
Die Wärmedämmschicht 7 reduziert die maximale Temperatur an der Oberfläche des Substrats 4 überproportional auf eine Tem- peratur T'max, obwohl die äußere Temperatur Tmax genauso hoch ist wie in Figur 7a. Dies ergibt sich nicht nur aus dem Abstand der Oberfläche des Substrats 4 zur äußeren Oberfläche der Wärmedämmschicht 7 mit der höheren Temperatur, sondern insbesondere durch die geringere thermische Leitfähigkeit der Wärmedämmschicht 7. Innerhalb der Wärmedämmschicht 7 ist ein sehr viel größerer Temperaturgradient vorhanden als im metallischen Substrat 4. Dadurch wird der Temperaturunterschied dT(4,7) (= T'max - Tmιn) kleiner als der Temperaturunterschied gemäß Figur 7a (dT(4) = dT(7) + dT(4,7) ) . Dadurch findet eine wesentlich geringere oder sogar im Vergleich zur Oberfläche mit der Temperatur Tmin eine kaum unterschiedliche thermische Ausdehnung des Substrats 4 statt, wie es gestrichelt angedeutet ist, so dass lokal unterschiedliche Ausdehnungen zumindest vergleichmäßigt werden. Häufig weisen die Wärmedämmschichten 7 auch einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Substrat 4 auf. Das Substrat 4 in Figur 7b kann auch genauso dick sein wie das in Figur 7a.
•In Figur 8 ist beispielhaft eine Dampfturbine 300, 303 mit einer sich entlang einer Rotationsachse 306 erstreckenden Turbinenwelle 309 dargestellt.The thermal barrier coating 7 disproportionately reduces the maximum temperature on the surface of the substrate 4 to a temperature T ' max , although the external temperature T max is just as high as in FIG. 7a. This results not only from the distance of the surface of the substrate 4 from the outer surface of the thermal insulation layer 7 with the higher temperature, but in particular from the lower thermal conductivity of the thermal insulation layer 7. Within the thermal insulation layer 7 there is a much larger temperature gradient than in the metallic substrate 4. as a result, the temperature difference dT (4,7) (= T 'max - T m ι n) is smaller than the temperature difference according to Figure 7a (dT (4) = dT (7) + dT (4,7)). Characterized finds a much lower or even n compared to the surface with the temperature T m i is a little different thermal expansion of the substrate 4 instead of, as is indicated by dashed lines, so that locally different expansions are at least more uniform. The thermal insulation layers 7 often also have a lower coefficient of thermal expansion than the substrate 4. The substrate 4 in FIG. 7b can also be just as thick as that in FIG. 7a. • In Figure 8 is an example of a steam turbine 300, 303 with a line extending along a rotational axis 306 turbine shaft 309th
Die Dampfturbine weist eine Hochdruck-Teilturbine 300 und eine Mitteldruck-Teilturbine 303 mit jeweils einem Innengehäuse 312 und ein dieses umschließendes Außengehäuse 315 auf. Die Mitteldruck-Teilturbine 303 ist zweiflutig ausgeführt. Es ist ebenfalls möglich, dass die Mitteldruck-Teilturbine 303 einflutig ausgeführt ist.The steam turbine has a high-pressure sub-turbine 300 and a medium-pressure sub-turbine 303, each with an inner casing 312 and an outer casing 315 surrounding it. The medium pressure turbine section 303 is designed with two passages. It is also possible for the medium-pressure turbine section 303 to be single-flow.
Entlang der Rotationsachse 306 ist zwischen der Hochdruck- Teilturbine 300 und der Mitteldruck-Teilturbine 303 ein Lager 318 angeordnet, wobei die Turbinenwelle 309 in dem Lager 318 einen Lagerbereich 321 aufweist. Die Turbinenwelle 309 ist auf einem weiteren Lager 324 neben der Hochdruck-Teilturbine 300 aufgelagert. Im Bereich dieses Lagers 324 weist die Hochdruck-Teilturbine 300 eine Wellendichtung 345 auf. Die Turbinenwelle 309 ist gegenüber dem Außengehäuse 315 der Mittel- druck-Teilturbine 303 durch zwei weitere Wellendichtungen 345 abgedichtet .A bearing 318 is arranged along the axis of rotation 306 between the high-pressure sub-turbine 300 and the medium-pressure sub-turbine 303, the turbine shaft 309 having a bearing region 321 in the bearing 318. The turbine shaft 309 is supported on a further bearing 324 next to the high-pressure sub-turbine 300. In the area of this bearing 324, the high-pressure turbine section 300 has a shaft seal 345. The turbine shaft 309 is sealed off from the outer housing 315 of the medium-pressure partial turbine 303 by two further shaft seals 345.
Zwischen einem Hochdruck-Dampfeinströmbereich 348 und einem Dampfaustrittsbereich 351 weist die Turbinenwelle 309 in der Hochdruck-Teilturbine 300 die Hochdruck-Laufbeschaufelung 354, 357 auf. Diese Hochdruck-Laufbeschaufelung 354, 357 stellt mit- den zugehörigen, nicht näher dargestellten Lauf- schaufeln einen ersten Beschaufelungsbereich 360 dar. Die Mitteldruck-Teilturbine 303 weist einen zentralen Dampf- ' einströmbereich 333 mit dem Innengehäuse 335 und dem Außengehäuse 334 auf. Dem Dampfeinströmbereich 333 zugeordnet weist die Turbinenwelle 309 eine radialsymmetrische Wellenabschirmung 363, eine Abdeckplatte, einerseits zur Teilung des DampfStromes in die beiden Fluten der Mitteldruck-Teilturbine 303 sowie zur Verhinderung eines direkten Kontaktes des heißen Dampfes mit der Turbinenwelle 309 auf. Die Turbinenwelle
309 weist in der Mitteldruck-Teilturbine 303 einen zweiten Bereich in Gehäusen 366, 367 der Beschaufelungsbereiche mit den Mitteldruck-Laufschaufeln 354, 342 auf. Der durch den zweiten Beschaufelungsbereich strömende heiße Dampf strömt aus der Mitteldrück-Teilturbine 303 aus einem Abströmstutzen 369 zu einer strδmungstechnisch nachgeschalteten, nicht dargestellten Niederdruck-Teilturbine.Between a high-pressure steam inflow region 348 and a steam outlet region 351, the turbine shaft 309 in the high-pressure sub-turbine 300 has the high-pressure rotor blades 354, 357. This high-pressure rotor blading 354, 357, together with the associated rotor blades (not shown in more detail), represents a first blading region 360. The medium-pressure partial turbine 303 has a central steam inflow region 333 with the inner housing 335 and the outer housing 334. Associated with the steam inflow region 333, the turbine shaft 309 has a radially symmetrical shaft shield 363, a cover plate, on the one hand for dividing the steam flow into the two flows of the medium-pressure turbine section 303 and for preventing direct contact of the hot steam with the turbine shaft 309. The turbine shaft 309 has a second region in housings 366, 367 of the blading regions with the medium-pressure rotor blades 354, 342 in the medium-pressure turbine part 303. The hot steam flowing through the second blading area flows from the medium-pressure sub-turbine 303 from an outflow connection 369 to a low-pressure sub-turbine, not shown, which is connected downstream in terms of flow technology.
Die Turbinenwelle 309 ist aus zwei Teilturbinenwellen 309a und 309b zusammengesetzt, die im Bereich des Lagers 318 fest miteinander verbunden sind.The turbine shaft 309 is composed of two sub-turbine shafts 309a and 309b, which are firmly connected to one another in the region of the bearing 318.
Insbesondere weist der Dampfeinströmbereich 333 jeglichen Dampfturbinentyps eine Wärmedämmschicht 7 und/oder eine Ero- sionsschützSchicht 13 auf.In particular, the steam inflow region 333 of any steam turbine type has a heat insulation layer 7 and / or an erosion protection layer 13.
Durch das kontrollierte Verformungsverhalten durch Aufbringen einer Wärmedämmschicht kann insbesondere der Wirkungsgrad einer Dampfturbine 300, 303 erhöht werden. Dies erfolgt beispielsweise durch die Minimierung des Radialspalts (radial, d.h. senkrecht zur Achse 306) zwischen Rotor- und Statorteilen (Gehäuse) (Fig. 16, 17) . Ebenso kann ein axialer Spalt 378 (parallel zur Achse 306) durch das kontrollierte Verformungsverhalten von Beschaufe- lung des Rotors und Gehäuse minimiert werden.The controlled deformation behavior by applying a thermal barrier coating can in particular increase the efficiency of a steam turbine 300, 303. This is done, for example, by minimizing the radial gap (radial, i.e. perpendicular to axis 306) between the rotor and stator parts (housing) (Fig. 16, 17). An axial gap 378 (parallel to axis 306) can also be minimized by the controlled deformation behavior of the blading of the rotor and housing.
Die folgenden Beschreibungen der Verwendung der Wärmedämmschicht 7 beziehen sich nur exemplarisch auf Bauteile 1 einer Dampfturbine 300, 303.The following descriptions of the use of the thermal barrier coating 7 only refer to components 1 of a steam turbine 300, 303 by way of example.
Figur 9 zeigt die Auswirkung von lokal unterschiedlichen Temperaturen auf das axiale Ausdehnungsverhalten eines Bauteils. Figur 9a zeigt ein Bauteil 1, das sich durch eine Temperaturerhöhung (dT) ausdehnt (dl) .
Die thermische Längenausdehnung dl ist gestrichelt angedeutet.FIG. 9 shows the effect of locally different temperatures on the axial expansion behavior of a component. FIG. 9a shows a component 1 which expands (dl) due to an increase in temperature (dT). The thermal linear expansion dl is indicated by dashed lines.
Eine Halterung, Lagerung oder eine Fixierung des Bauteils 1 lässt diese Ausdehnung zu.A mounting, storage or fixation of the component 1 allows this expansion.
Figur 9b zeigt ebenfalls ein Bauteil 1, das sich aufgrund einer Temperaturerhöhung ausdehnt .FIG. 9b also shows a component 1 that expands due to an increase in temperature.
Jedoch sind die Temperaturen in verschiedenen Bereichen des Bauteils 1 unterschiedlich. So ist beispielsweise in einem mittleren Bereich, beispielsweise dem Einströmbereich 333 mit dem Gehäuse 335 die Temperatur T333 größer als die Temperatur T366 des sich anschließenden Beschaufelungsbereichs (Gehäuse 366) und größer als in einem weiteren, sich anschließenden Gehäuse 367 (T3S7) . Angedeutet ist durch die gestrichelten Linien mit dem Bezugszeichen 333gieic_ι die thermische Ausdehnung des Einströmbereichs 333, wenn alle Bereiche oder Gehäuse 333, 366, 367 eine gleichmäßige Temperaturerhöhung erfahren würden. Da jedoch die Temperatur im Einströmbereich 333 größer als in den umliegenden Gehäusen 366 und 367 ist, dehnt sich der Einströmbereich 333 stärker aus als durch die gestrichelten Linien 333' angedeutet ist. Da der Einströmbereich 333 zwischen dem Gehäusen 366 und einem weiteren Gehäuse 367 angeordnet ist, kann sich der Einströmbereich 333 nicht frei ausdehnen, so dass es zu einem ungleichmäßigen Verformungsverhalten kommt . Durch die Aufbringung der Wärmedämmschicht 7 soll das Verformungsverhalten kontrolliert und/oder vergleichmäßigt werden.However, the temperatures in different areas of the component 1 are different. For example, in a central region, for example the inflow region 333 with the housing 335, the temperature T 333 is greater than the temperature T 366 of the subsequent blading region (housing 366) and larger than in a further, subsequent housing 367 (T 3S7 ). Is indicated by the dashed lines by the reference numeral 333 g ieic_ι the thermal expansion of the inflow region 333, if all the areas or housing 333, 366, 367, a uniform increase in temperature would experience. However, since the temperature in the inflow region 333 is higher than in the surrounding housings 366 and 367, the inflow region 333 expands more than is indicated by the dashed lines 333 '. Since the inflow region 333 is arranged between the housing 366 and a further housing 367, the inflow region 333 cannot expand freely, so that there is an uneven deformation behavior. By applying the thermal barrier coating 7, the deformation behavior should be controlled and / or evened out.
Figur 10 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs 333 der Dampfturbine 300, 303. Die Dampfturbine 300, 303 besteht in der Umgebung des Einströmbereichs 333 aus einem äußeren Gehäuse 334, an dem Tem- peraturen beispielsweise zwischen 250°C bis 350°C anliegen und einem Innengehäuse 335, an dem Temperaturen beispielsweise von 450° bis 620°C, aber auch bis 800°C
herrschen, so dass beispielsweise Temperaturunterschiede größer 200°C vorliegen.FIG. 10 shows an enlarged representation of a region 333 of the steam turbine 300, 303. The steam turbine 300, 303 in the vicinity of the inflow region 333 consists of an outer housing 334, at which temperatures, for example between 250 ° C. to 350 ° C., are present and one Inner housing 335, at which temperatures for example from 450 ° to 620 ° C, but also up to 800 ° C. prevail, so that there are, for example, temperature differences greater than 200 ° C.
Auf das Innengehäuse 335 des Dampfeinströmbereichs 333 auf der Innenseite 336 wird die Wärmedämmschicht 7 aufgebracht. Auf die Außenseite 337 wird beispielsweise keine Wärmedämmschicht 7 aufgebracht .The heat insulation layer 7 is applied to the inner housing 335 of the steam inflow region 333 on the inside 336. For example, no thermal insulation layer 7 is applied to the outside 337.
Durch die Aufbringung einer Wärmedämmschicht 7 wird der Wärmeeintrag in das Innengehäuses 335 verringert, so dass das thermische Ausdehnungsverhalten des Gehäuses 335 des Einströmbereichs 333 und das gesamte Verformungsverhalten der Gehäuse 335, 366, 367 beeinflusst wird. Dadurch kann das gesamte Verformungsverhalten des Innengehäuses 334 oder des Außengehäuses 335 kontrolliert eingestellt und vergleichmäßigt werden. Die Einstellung des Verformungsverhaltens von einem Gehäuse oder von Gehäusen untereinander (Fig. 9b) kann erfolgen durch eine Variation der Dicke der Wärmedämmschicht 7 (Fig. 12) und/oder die Aufbringung von verschiedenen Materialien an verschiedenen Stellen der Oberfläche des Gehäuses, siehe beispielsweise Innengehäuse 335 in Figur 13. Ebenso kann die Porosität an verschiedenen Stellen des Innengehäuses 335 verschieden sein (Fig. 14) . Die Wärmedämmschicht 7 kann lokal begrenzt, beispielsweise nur im Innengehäuse 335 im Bereich des Einströmbereichs 333 aufgebracht sein. Ebenso kann die Wärmedämmschicht 7 nur im Beschaufelungsbereich 366 lokal aufgebracht sein (Fig. 11) .The application of a thermal insulation layer 7 reduces the heat input into the inner housing 335, so that the thermal expansion behavior of the housing 335 of the inflow region 333 and the overall deformation behavior of the housings 335, 366, 367 are influenced. As a result, the entire deformation behavior of the inner housing 334 or of the outer housing 335 can be set in a controlled manner and evened out. The deformation behavior of a housing or of housings among one another (FIG. 9b) can be adjusted by varying the thickness of the thermal insulation layer 7 (FIG. 12) and / or by applying different materials at different locations on the surface of the housing, see for example inner housing 335 in FIG. 13. Likewise, the porosity can be different at different locations on the inner housing 335 (FIG. 14). The heat insulation layer 7 can be locally limited, for example only applied in the inner housing 335 in the region of the inflow region 333. Likewise, the thermal barrier coating 7 can only be applied locally in the blading area 366 (FIG. 11).
Unter verschiedenen Gehäusen werden in der Anmeldung Gehäuse verstanden, die in axialer Richtung aneinander (335 an 336) angrenzen und nicht Gehäuseteile, die aus zwei Teilen (Oberhälfte und Unterhälfte) bestehen, wie z.B. dem zweiteiligen Gehäuse der DE-PS 723 476, das in radialer Richtung zweigeteilt ist.
Figur 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Verwendung einer Wärmedämmschicht 7.In the application, different housings are understood to mean housings which adjoin one another in the axial direction (335 to 336) and not housing parts which consist of two parts (upper half and lower half), such as the two-part housing of DE-PS 723 476, which in radial direction is divided into two. FIG. 12 shows a further exemplary embodiment of using a thermal insulation layer 7.
Hier ist die Dicke der Wärmedämmschicht 7 im Einströmbereich 333 dicker, beispielsweise mindestens 50% dicker ausgeführt als im Gehäuse 366 des Beschaufelungsbereichs der Dampfturbine 300, 303.Here, the thickness of the heat insulation layer 7 is thicker in the inflow area 333, for example at least 50% thicker than in the housing 366 of the blading area of the steam turbine 300, 303.
Durch die Dicke der Wärmedämmschicht 7 wird der Wärmeeintrag und damit die thermische Ausdehnung und somit das Verformungsverhalten des Innengehäuses 334, bestehend aus dem Ein- Strömbereich 333 und dem Gehäuse 366 des Beschaufelungsbereichs, kontrolliert eingestellt und (über die axiale Länge) vergleichmäßigt werden.The heat input and thus the thermal expansion and thus the deformation behavior of the inner housing 334, consisting of the inflow region 333 and the housing 366 of the blading region, are adjusted in a controlled manner and made uniform (over the axial length) by the thickness of the thermal insulation layer 7.
Ebenso kann im Bereich des Einströmbereichs 333 ein anderes Material vorhanden sein als im Gehäuse 366 des Beschaufelungsbereichs .Likewise, a different material can be present in the area of the inflow area 333 than in the housing 366 of the blading area.
Figur 13 zeigt verschiedene Materialien der Wärmedämmschicht 7 in verschiedenen Gehäuse 335, 366 des Bauteils 1. In den Bereichen bzw. den Gehäusen 335, 366 ist eine Wärmedämmschicht 7 aufgebracht . Jedoch besteht die Wärmedämmschicht 8 im Bereich des Einströmbereichs 333 aus einem ersten Wärmedämmschichtmaterial, hingegen besteht das Material der Wärmedämmschicht 9 im Gehäuse 366 des Beschaufelungsbereichs aus einem zweiten Wärmedämmschichtmaterial . Durch das unterschiedliche Material für die Wärmedämmschich- ten 8, 9 wird eine unterschiedliche Wärmedämmung erreicht, wodurch das Verformungsverhalten des Bereichs 333 und der Bereich des Gehäuses 366 eingestellt wird, insbesondere vergleichmäßigt wird. Eine höhere Wärmedämmung wird dort (333) eingestellt, wo höheren Temperaturen herrschen. Die Dicke und/oder die Porosität der Wärmedämmschichten 8 , 9 kann gleich sein.
Ebenso kann natürlich auf den Wärmedämmschichten 8, 9 eine Erosionsschutzschicht 13 angeordnet sein.FIG. 13 shows different materials of the thermal barrier coating 7 in different housings 335, 366 of the component 1. A thermal barrier coating 7 is applied in the areas or the housings 335, 366. However, the heat insulation layer 8 in the area of the inflow area 333 consists of a first heat insulation layer material, whereas the material of the heat insulation layer 9 in the housing 366 of the blading area consists of a second heat insulation layer material. The different material for the thermal insulation layers 8, 9 achieves a different thermal insulation, as a result of which the deformation behavior of the area 333 and the area of the housing 366 are adjusted, in particular made more uniform. Higher insulation is set (333) where higher temperatures prevail. The thickness and / or the porosity of the thermal insulation layers 8, 9 can be the same. Likewise, an erosion protection layer 13 can of course be arranged on the thermal insulation layers 8, 9.
Figur 14 zeigt ein Bauteil 1, 300, 303, bei dem in verschiedenen Gehäusen 335, 366 unterschiedliche Porositäten von 20 bis 30% vorhanden sind.FIG. 14 shows a component 1, 300, 303 in which different porosities of 20 to 30% are present in different housings 335, 366.
So weist beispielsweise der Einströmbereich 333 mit der Wärmedämmschicht 8 eine höhere Porosität auf als die Wärmedämm- Schicht 9 des Gehäuses des Beschaufelungsbereichs, wodurch im Einströmbereich 333 eine höhere Wärmedämmung erzielt wird als durch die Wärmedämmschicht 9 im Gehäuse 366 des Beschaufelungsbereichs . Die Dicke und das Material der Wärmedämmschichten 8, 9 kann ebenfalls unterschiedlich sein.For example, the inflow region 333 with the heat insulation layer 8 has a higher porosity than the heat insulation layer 9 of the housing of the blading region, as a result of which a higher thermal insulation is achieved in the inflow region 333 than through the heat insulation layer 9 in the housing 366 of the blading region. The thickness and the material of the thermal insulation layers 8, 9 can also be different.
Somit wird bspw. durch die Porosität die Wärmedämmung einer Wärmedämmschicht 7 unterschiedlich eingestellt, wodurch das Verformungsverhalten von verschiedenen Bereichen/Gehäusen 333, 366 eines Bauteils 1 eingestellt werden kann.Thus, for example, the porosity sets the heat insulation of a heat insulation layer 7 differently, as a result of which the deformation behavior of different areas / housings 333, 366 of a component 1 can be set.
Ebenso kann die oben beschriebene Wärmedämmschicht 7 in den von einem Dampferzeuger (bspw. Kessel) nachgeschalteten Rohrleitungen (z.B. Kanal 46, Fig. 15; Einströmbereich 351 Fig. 8) zum Transport des überhitzten Dampfes oder anderer Heißdampf führender Leitungen und Armaturen, wie z.B.- Bypassleitungen, Bypassventile oder Prozessdampfleitungen eines Kraftwerkes jeweils an deren Innenseiten aufgebracht werden.Likewise, the thermal insulation layer 7 described above can be used in the pipelines connected downstream from a steam generator (for example a boiler) (for example duct 46, FIG. 15; inflow region 351, FIG. 8) for transporting the superheated steam or other superheated steam-carrying lines and fittings, such as, for example, Bypass lines, bypass valves or process steam lines of a power plant are applied to the inside of each.
Eine weitere vorteilhafte Anwendung ist die Beschichtung mit der Wärmedämmschicht 7 von dampfführenden Komponenten in Dampferzeugern (Kesseln) an der Seite, die dem jeweils heißeren Medium (Rauchgas oder überhitzter Dampf) ausgesetzt ist. Beispiele für derartige Komponenten sind Sammler oder Abschnitte eines Durchlaufkesseis, die nicht der Aufheizung
von Dampf dienen sollen bzw. die aus anderen Gründen vor dem Angriff heißer Medien geschützt werden sollen.Another advantageous application is the coating with the thermal barrier coating 7 of steam-carrying components in steam generators (boilers) on the side, which is exposed to the hotter medium (flue gas or superheated steam). Examples of such components are collectors or sections of a once-through boiler that are not heated should serve from steam or should be protected from the attack of hot media for other reasons.
Weiterhin lässt sich durch die Wärmedämmschicht 7 auf der Außenseite eines Kessels, insbesondere eines Durchlaufkesseis, insbesondere eines Benson-Boilers, eine Isolierwirkung erzielen, die eine Reduzierung des Brennstoffverbrauchs zur Folge hat.Furthermore, the insulating layer 7 on the outside of a boiler, in particular a continuous boiler, in particular a Benson boiler, can achieve an insulating effect which results in a reduction in fuel consumption.
Ebenso kann auf den Wärmedämmschichten 8, 9 eine Erosionsschutzschicht 13 vorhanden sein.An erosion protection layer 13 can also be present on the heat insulation layers 8, 9.
Durch die Maßnahmen gemäß Figuren 11, 12 und 13 werden die axialen Spiele zwischen Rotor und Stator (Gehäuse) eingestellt, da die thermisch bedingte Ausdehnung trotz unterschiedlicher Temperaturen oder thermischer Ausdehnungskoeffizienten angepasst wird (dl333 « dl366) • Die Temperaturunterschiede bestehen auch im stationären Zustand der Turbine.The measures according to FIGS. 11, 12 and 13 set the axial play between the rotor and the stator (housing), since the thermal expansion is adjusted despite different temperatures or thermal expansion coefficients (dl 333 «dl 366 ) • The temperature differences also exist in the stationary one Condition of the turbine.
Figur 15 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel für die Verwendung einer Wärmedämmschicht 7, nämlich ein Ventilgehäuse 34 eines Ventils 31, in das durch einen Einstrδmkanal 46 ein heißer Dampf einströmt.FIG. 15 shows a further application example for the use of a heat insulation layer 7, namely a valve housing 34 of a valve 31, into which a hot steam flows through an inflow channel 46.
Der Einströmkanal 46 bewirkt eine mechanische Schwächung des Venti1gehäuses 34. Das Ventil 31 besteht beispielsweise aus einem topfförmigen Gehäuse 34 und einem Deckel oder Gehäuse 37. Innerhalb des Gehäuseteils 34 ist ein Ventilkolben, bestehend aus einem Ventilkegel 40 und einer Spindel 43 vorhanden. Infolge Bauteil-Kriechens kommt es zu einem ungleichförmigen axialen Verformungsverhalten des Gehäuses 40 und des Deckels 37. Das Ventilgehäuse 34 würde sich, wie gestrichelt angedeutet, im Bereich des Kanals 46 axial stärker ausdehnen, so dass es zu einer Verkippung des Deckels 37 mit der Spindel 43
kommt. Dadurch sitzt der Ventilkegel 34 nicht mehr richtig auf, so dass die Dichtheit des Ventils 31 reduziert wird. Durch die Aufbringung einer Wärmedämmschicht 7 auf eine Innenseite 49 des Gehäuses 34 wird eine Vergleichmäßigung des Verformungsverhaltens erreicht, so dass sich beide Enden 52, 55 des Gehäuses 34 und des Deckels 37 gleichmäßig ausdehnen.The inflow channel 46 mechanically weakens the valve housing 34. The valve 31 consists, for example, of a pot-shaped housing 34 and a cover or housing 37. Inside the housing part 34 there is a valve piston consisting of a valve cone 40 and a spindle 43. As a result of component creep, there is a non-uniform axial deformation behavior of the housing 40 and the cover 37. As indicated by dashed lines, the valve housing 34 would expand axially more in the region of the channel 46, so that the cover 37 tilts with the spindle 43 comes. As a result, the valve cone 34 is no longer seated correctly, so that the tightness of the valve 31 is reduced. By applying a thermal barrier coating 7 to an inside 49 of the housing 34, the deformation behavior is evened out, so that both ends 52, 55 of the housing 34 and the cover 37 expand uniformly.
Insgesamt dient das Aufbringen der Wärmedämmschicht dazu, das Verformungsverhalten zu kontrollieren und damit die 7 Dichtheit des Ventils 31 zu gewährleisten.Overall, the application of the thermal barrier coating serves to control the deformation behavior and thus to ensure the tightness of the valve 31.
Figur 16 zeigt einen Stator 58, beispielsweise ein Gehäuse 335, 366, 367 einer Turbine 300, 303 und ein rotierendes Bau- teil 61 (Rotor) , insbesondere eine Turbinenschaufel 120, 130, 342, 354.FIG. 16 shows a stator 58, for example a housing 335, 366, 367 of a turbine 300, 303 and a rotating component 61 (rotor), in particular a turbine blade 120, 130, 342, 354.
Das Temperatur-Zeit-Diagramm T(t) für den Stator 58 und den Rotor 61 zeigt beispielsweise beim Abfahren der Turbine 300, 303, dass die Temperatur T des Stators 58 schneller absinkt als die Temperatur des Rotors 61. Dadurch schrumpft das Gehäuse 58 stärker als der Rotor 61, so dass das Gehäuse 58 sich dem Rotor nähert . Daher muss ein entsprechender Abstand d zwischen Stator 58 und Rotor 61 im kalten Zustand vorhanden sein, um in dieser Betriebsphase ein Anstreifen des Rotors 61 an das Gehäuse 58 zu verhindern.The temperature-time diagram T (t) for the stator 58 and the rotor 61 shows, for example, when the turbine 300, 303 is shut down, that the temperature T of the stator 58 drops faster than the temperature of the rotor 61. As a result, the housing 58 shrinks more than the rotor 61 so that the housing 58 approaches the rotor. Therefore, there must be a corresponding distance d between the stator 58 and the rotor 61 in the cold state in order to prevent the rotor 61 from rubbing against the housing 58 in this operating phase.
Bei einem großen Rotor beträgt das radiale Spiel bei den dort verwendeten Einsatztemperaturen von 600K 3,0 bis 4,5 mm.With a large rotor, the radial play at the operating temperatures of 600K used there is 3.0 to 4.5 mm.
Bei kleineren Dampfturbinen, die Einsatztemperaturen von 50OK aufweisen, beträgt der radiale Spalt 2,0 bis 2,5 mm. In beiden Fällen kann durch eine Temperaturunterschiedsabsenkung von 50K eine Reduzierung dieses Spalts von 0,3 bis 0,5 bzw. bis 0,8 mm erreicht werden.
Dadurch kann weniger Dampf zwischen Gehäuse 58 und Turbinenschaufel 61 vorbeiströmen, so dass sich der Wirkungsgrad wieder erhöht .For smaller steam turbines that have operating temperatures of 50OK, the radial gap is 2.0 to 2.5 mm. In both cases, a reduction in this gap of 0.3 to 0.5 or to 0.8 mm can be achieved by reducing the temperature difference by 50K. As a result, less steam can flow past between the housing 58 and the turbine blade 61, so that the efficiency increases again.
In Figur 17 ist auf den Stator (nicht rotierendes Bauteil) 58 eine Wärmedämmschicht 7 aufgebracht .In FIG. 17, a thermal insulation layer 7 is applied to the stator (non-rotating component) 58.
Die Wärmedämmschicht 7 bewirkt eine größere thermische Trägheit des Stators 58 oder des Gehäuses 335, das sich stärker oder schneller erwärmt.The thermal barrier coating 7 causes a greater thermal inertia of the stator 58 or the housing 335, which heats up more or faster.
In dem Temperatur-Zeit-Diagramm ist wiederum der zeitliche Verlauf der Temperaturen T des Stators 58 und des Rotors 61 gezeigt. Durch die Wärmedämmschicht 7 auf dem Stator 58 steigt die Temperatur des Stators 58 nicht so schnell an und der Unterschied zwischen den beiden Kurven ist geringer.The temperature-time diagram again shows the time course of the temperatures T of the stator 58 and the rotor 61. Due to the thermal barrier coating 7 on the stator 58, the temperature of the stator 58 does not rise so quickly and the difference between the two curves is less.
Dies ermöglicht einen geringeren radialen Spalt d7 auch bei Raumtemperaturen zwischen Rotor 61 und Stator 58, so dass der Wirkungsgrad der Turbine 300, 303 infolge eines geringeren Spaltes im Betrieb entsprechend erhöht wird.This enables a smaller radial gap d7 even at room temperatures between the rotor 61 and the stator 58, so that the efficiency of the turbine 300, 303 is correspondingly increased due to a smaller gap during operation.
Die Wärmedämmschicht 7 kann auch auf dem Rotor 61, also beispielsweise den Turbinenschaufeln 342, 354, 357 aufgebracht sein, um denselben Effekt zu erzielen. Das Abstands-Zeit-Diagramm zeigt, dass ein kleinerer Abstand d7 (d7 < di < ds) bei Raumtemperatur RT vorhanden ist, der nicht zum Anstreifen von Stator 58 und Rotor 61 führt.The thermal barrier coating 7 can also be applied to the rotor 61, for example the turbine blades 342, 354, 357, in order to achieve the same effect. The distance-time diagram shows that there is a smaller distance d7 (d7 <di <ds) at room temperature RT, which does not lead to the stator 58 and rotor 61 touching.
Die Temperaturunterschiede und damit einhergehende Spaltän- derungen sind bedingt durch instationäre Zustände (Starten, Lastwechsel, Abfahren) der Dampfturbine 300, 303, wohingegen im stationären Betrieb keine Probleme mit Änderungen radialer Abstände bestehen.
Figur 18 zeigt den Einfluss der Aufbringung einer Wärmedämmschicht auf ein wiederauf earbeitetes Bauteil .The temperature differences and the associated gap changes are caused by transient conditions (starting, load change, shutdown) of the steam turbine 300, 303, whereas in stationary operation there are no problems with changes in radial distances. FIG. 18 shows the influence of the application of a thermal barrier coating on a reworked component.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile, die im Einsatz waren ggf. repariert werden, d.h., dass sie von Korrosions- und Oxidationsprodukten befreit werden, sowie Risse ggf. detektiert und beispielsweise durch Auffüllen mit Lot repariert werden.Refurbishment means that components that were in use may be repaired, i.e. that they are freed from corrosion and oxidation products, and cracks may be detected and repaired, for example, by filling with solder.
Jedes Bauteil 1 hat eine bestimmte Lebensdauer, bis es zu 100% geschädigt ist.Each component 1 has a certain lifespan until it is 100% damaged.
Wenn das Bauteil 1, beispielsweise eine Turbinenschaufel oder ein Innengehäuse 334, zu einem Zeitpunkt ts inspiziert und ggf. wieder aufgearbeitet wird, ist ein bestimmter Prozentsatz der Schädigung erreicht. Der zeitliche Verlauf der Schä- digung des Bauteils 1 ist mit dem Bezugszeichen 22 gekennzeichnet. Nach dem Servicezeitpunkt ts würde die Schädigungskurve ohne eine Wiederaufarbeitung anhand der gestrichelten Linie 25 weiter verlaufen. Die restliche Betriebsdauer wäre dadurch relativ kurz. Durch die Aufbringung einer Wärmedämmschicht 7 auf das vorgeschädigte oder mikrostrukturell veränderte Bauteil 1 wird die Einsatzdauer des Bauteils 1 erheblich verlängert. Durch die Wärmedämmschicht 7 werden der Wärmeeintrag und die Schädigung von Bauteilen verringert, so dass der Lebensdauerverlauf an- hand der Kurve 28 weiter verläuft. Dieser Verlauf der Kurve ist gegenüber dem Kurvenverlauf 25 deutlich abgeflacht, so dass ein solches beschichtetes Bauteil 1 mindestens noch mal so lang eingesetzt werden kann. Nicht in jedem Fall muss die Lebensdauer des Bauteils, das inspiziert worden ist, verlängert werden, sondern es kann auch allein beabsichtigt, sein, durch das erstmalige oder wiederholte Aufbringen der Wärmedämmschicht 7 das Verformungsverhalten von Gehäuseteilen zu kontrollieren und zu ver- gleichmäßigen wodurch der Wirkungsgrad wie oben beschrieben durch die Einstellung der Radialspalte zwischen Rotor und Ge-
häuse sowie des Axialspaltes zwischen Rotor und Gehäuse erhöht wird.If the component 1, for example a turbine blade or an inner housing 334, is inspected at a time t s and possibly refurbished, a certain percentage of the damage has been achieved. The time course of the damage to component 1 is identified by reference numeral 22. After the service time t s , the damage curve would continue without a reprocessing using the dashed line 25. The remaining operating time would be relatively short. By applying a thermal barrier coating 7 to the previously damaged or microstructurally modified component 1, the service life of component 1 is considerably extended. The heat insulation layer 7 reduces the heat input and the damage to components, so that the course of the service life continues on the basis of the curve 28. This course of the curve is significantly flattened compared to the curve course 25, so that such a coated component 1 can be used at least as long. The lifespan of the component that has been inspected does not always have to be extended, but it can also be the sole intention to control and even out the deformation behavior of housing parts by the first or repeated application of the thermal insulation layer 7, thereby reducing the efficiency as described above by setting the radial gaps between the rotor and gear housing and the axial gap between the rotor and housing is increased.
Daher kann die Wärmedämmschicht 7 vorteilhafterweise auch auf nicht zu reparierende Bauteile 1 oder Gehäuseteile aufge- bracht werden.
The thermal insulation layer 7 can therefore advantageously also be applied to components 1 or housing parts that are not to be repaired.