用于制造和重新整修燃气轮机中的陶瓷隔热层的方法以及相关的燃气轮的制造方法
【专利摘要】通过在涡轮叶片上使用不同的陶瓷隔热层(7，13)能够制造或重新整修燃气轮机的不同的构造，所述构造因此对于基本负荷运行的或峰值负荷运行的相应的使用领域而言是最优化的。喷射的隔热层（7，13)中的差异可通过粉末的不同的材料组分、例如氧化锆，通过层（10)的不同数量，通过不同的层厚度和/或通过不同的孔隙度得出。
【专利说明】用于制造和重新整修燃气轮机中的陶瓷隔热层的方法以及相关的燃气轮机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于制造柔性设计的燃气轮机的方法、一种燃气轮机和一种用于运行燃气轮机的方法。
【背景技术】
[0002]燃气轮机能够在产生电流时在基本负荷运行中或尤其在峰值负荷运行中运行。
[0003]对各种条件的要求是不同的。
[0004]燃气轮机的满足两个要求的最优构造始终为折衷方案。
【发明内容】
[0005]因此，本发明的目的是解决所述问题。
[0006]所述目的通过根据权利要求1所述的用于制造燃气轮机的方法、根据权利要求
21、22、23、24或25所述的燃气轮机和根据权利要求30或33所述的方法来实现。
[0007]在从属权利要求中列举了其他有利的措施，所述措施能够任意地彼此组合，以便实现其他优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]附图示出:
[0009]图1-3示出本发明的实施例，
[0010]图4示出陶瓷层的孔分布，
[0011]图5示出涡轮叶片并且
[0012]图6示出燃气轮机。
【具体实施方式】
[0013]说明书仅描述本发明的实施例。
[0014]燃气轮机100 (图6)的维护间隔通过测定取决于运行方式和特定的因素的运行工作小时和启动来确定。分别在达到小时极限或启动极限之后可执行维护。
[0015]现在，如果根据燃气轮机的使用领域维护是必需的，或者如果使用事先需要修复或其他使用，那么改变燃气轮机100的构造。
[0016]术语定义:
[0017]第一燃气轮机具有带有第一隔热层的第一涡轮叶片。
[0018]第二燃气轮机具有带有陶瓷隔热层的涡轮叶片，
[0019]a)其中第一涡轮叶片(=第二涡轮叶片)和/或
[0020]b)新的未用过的涡轮叶片(=新的第二涡轮叶片)被使用
[0021]并且分别具有明显不同于第一隔热层的第二隔热层。
[0022]如果之前在所述第一燃气轮机中如在上文中描述的那样在运行中存在单层的隔热层，那么为了重新在基本负荷运行中使用，将双层的(图3)、更厚的(图1)或更多孔的陶瓷隔热层用于涡轮叶片120、130。
[0023]用于第二燃气轮机的涡轮叶片能够在初始时(同一基底)是第一燃气轮机的或其他燃气轮机的第一涡轮叶片，所述第一涡轮叶片已经被使用、被相应地整修(Refurbishment)、并且通过再覆层得到第二涡轮叶片，或者用于第二燃气轮机的涡轮叶片能够是新的第二涡轮叶片，其中新制造的(新铸造的)、还没有使用的涡轮叶片不同于第一燃气轮机的第一涡轮叶片被覆层。
[0024]当燃气轮机100在基本负荷运行中就已经在涡轮叶片120、130上具有双层的陶瓷隔热层时，同样可能的是要施加单层的TBC，使得所述燃气轮机随后能够用在峰值负荷运行中(每日启动装置，daily starter)(图2)。
[0025]对于峰值负荷运行，优选仅使用具有一致的孔隙度的单层的陶瓷层。对于峰值负荷运行，涡轮叶片120、130上的陶瓷隔热层优选具有18% ±4%的高的孔隙度。
[0026]然而,在基本负荷运行中(基本负载,base loader)使用双层的隔热层13 (图3)。
[0027]作为用于陶瓷层7’、7”、7”’、10’、13’的初始粉末优选使用结块的烧结的粉末。
[0028]每个喷射的陶瓷层以覆层的方式施加。但是，双层表示:第二层片在孔隙度和/或微结构和/或化学组成方面不同于位于下部的第一层片。
[0029]作为下部的层片优选使用具有12% ±4%的孔隙度的陶瓷层片7，所述陶瓷层片优选具有75 μ m至150 μ m的层厚度。此外，作为外部的陶瓷层片10喷射或存在具有18%±4%的孔隙度。然而，孔隙度的差异至少为2%，尤其为4%。在制造时孔隙度的波动是已知的。在负载(Charge)之内，即在叶片组之内不可记录波动。
[0030]作为下部的层片同样优选使用具有12% ±4%的孔隙度的陶瓷层片7，所述陶瓷层片优选具有75 μ m至150 μ m的层厚度。此外，作为外部的陶瓷层片10喷射或存在具有18% ±4%的孔隙度。然而，孔隙度的差异至少为2%，尤其为4%。在制造时孔隙度的波动是已知的。在负载(Charge)之内，即在叶片组之内不可记录波动。
[0031]作为下部的层片同样优选使用具有18% ±4%的孔隙度的陶瓷层片7，所述陶瓷层片优选具有75 μ m至150 μ m的层厚度。此外，作为外部的陶瓷层片10喷射或存在具有25% ±4%的孔隙度。然而，孔隙度的差异至少为2%，尤其至少4%。在制造时孔隙度的波动是已知的。在负载(Charge)之内，即在叶片组之内不可记录波动。
[0032]为了在陶瓷层或陶瓷层片(图1至3)中产生孔隙度，在喷射时能够使用粗的晶粒，并且使用聚合物或使用具有聚合物的小的晶粒，其中粗的表示至少大20%的平均微粒直径。
[0033]双层的陶瓷层7、10能够借助不同的喷射方法制造:下部的层片7在没有聚合物的情况下喷射并且上部的层片10在存在聚合物的情况下喷射。
[0034]由此，在上部的层片10中得到较大的孔，这就是说，平均孔直径d1(l相对于下部的层片7的平均孔直径d7(图4)增大。这不是强制性的。较大的孔隙度通常仅通过孔大小相同的更多数量的孔实现。优选地，在此使用相同的粉末，即相同的粒度分布。
[0035]用于隔热层的陶瓷层片的氧化锆(ZrO2)优选具有彡3%、尤其彡1.5%的单斜晶的份额。因此，涡轮叶片120、130上的陶瓷层片或层7、7’、10、13 (图1至3)具有与之相应的份额。
[0036]单斜晶相的最小份额为至少1%、尤其0.5%，以便不会大程度地提高粉末的成本。
[0037]通过改变第一隔热层7’、7”、13’的构造，在一定程度上制成另外的第二燃气轮机，所述第二燃气轮机对于其使用领域是优化的。
[0038]图5在立体图中示出流体机械的沿着纵轴线121延伸的转子叶片120或导向叶片130。
[0039]所述流体机械可以是飞机的或用于发电的发电厂的燃气轮机，也可以是蒸汽轮机或压缩机。
[0040]叶片120、130沿着纵轴线121相继具有:固定区域400、邻接于固定区域的叶片平台403以及叶身406和叶梢415。作为导向叶片130，叶片130可以在其叶梢415处具有另一平台(没有示出)。
[0041]在固定区域400中形成有用于将转子叶片120、130固定在轴或盘上的叶片根部183(没有示出)。叶片根部183例如构成为锤头形。作为圣诞树形根部或燕尾形根部的其他设计方案是可行的。
[0042]叶片120、130对于流过叶身406的介质具有迎流棱边409和出流棱边412。
[0043]在传统叶片120,130中，在叶片120,130的所有区域400、403、406中使用例如实心的金属材料、尤其是超合金。例如由EP 1204776 B1、EP1306454、EP 1319729 AU WO99/67435或WO 00/44949已知这样的超合金。在这种情况下，叶片120、130可以通过铸造法，也可以借助定向凝固、通过锻造法、通过铣削法或其组合来制造。
[0044]将带有一个或多个单晶结构的工件用作机器的在运行中承受高的机械的、热的和/或化学的负荷的构件。这种单晶工件的制造例如通过由熔融物的定向凝固来进行。在此，这涉及一种浇注法，其中液态金属合金凝固为单晶结构、即单晶工件，或者定向凝固。在这种情况下，枝状晶体沿热流定向，并且形成柱状晶体的晶粒结构(柱状地，这就是说在工件的整个长度上分布的晶粒，并且在此根据一般的语言习惯称为定向凝固)，或者形成单晶结构，这就是说整个工件由唯一的晶体构成。在这些方法中，必须避免过渡成球形(多晶的)凝固，因为通过非定向的生长不可避免地构成横向和纵向晶界，所述横向和纵向晶界使定向凝固的或单晶的构件的良好特性不起作用。
[0045]如果一般性地提到定向凝固组织，则是指不具有晶界或最多具有小角度晶界的单晶和确实具有沿纵向方向分布的晶界但不具有横向晶界的柱状晶体结构。第二种所提到的晶体结构也称为定向凝固组织(direct1nally solidified structures)。由US-PS6，024，792和EP O 892 090 Al已知这样的方法。
[0046]叶片120、130同样能够具有抗腐蚀或抗氧化的覆层，例如(MCrAlX:M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)的组中的至少一种元素，X是活性元素并且代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素或铪(Hf))。这样的合金从EP O 486 489 BUEP O 786 017 BUEP O 412397B1或者EP I 306 454 Al中已知。密度优选地是理论密度的95%。在(作为中间层或最外层的)MCrAlX层上形成保护性氧化招层(TGO = thermal grown oxide layer (热生长氧化层))。
[0047]优选地，层组成具有Co-30N1-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si 或者Co-28N1-24Cr-10Al-0.6Y。除了这些钴基的保护覆层之外，优选也使用镍基的保护层如 N1-10Cr-12Al-0.6Y-3Re 或者 N1-12Co-21Cr-llAl_0.4Y_2Re 或者N1-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1.5Re。
[0048]在MCrAlX上还可以有隔热层，隔热层优选是最外层并例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2组成，即，隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。隔热层覆盖整个MCrAlX层。通过例如电子束气相淀积(EB-PVD)的适当的覆层方法在隔热层中产生柱状晶粒。其他覆层方法也是可以考虑的，例如大气等离子喷射(APS)、LPPS(低压等离子喷射)、VPS(真空等离子喷射)或CVD(化学气相沉积)。隔热层可以具有多孔的、有微观裂缝或宏观裂缝的晶粒，用于更好地耐热冲击。因此，隔热层优选地比MCrAlX层更为多孔。
[0049]再整修(Refurbishment)意味着在使用构件120、130之后,必要时必须将保护层从构件120、130上去除(例如通过喷砂)。接着，去除腐蚀层和/或氧化层及腐蚀产物和/或氧化产物。必要时，还修复在构件120、130中的裂缝。然后，进行构件120、130的再覆层以及构件120、130的重新使用。
[0050]叶片120、130可以实施成空心的或实心的。如果要冷却叶片120、130，则叶片为空心的并且必要时还具有薄膜冷却孔418 (由虚线表示)。
[0051]图6示例性地示出燃气轮机100的纵向部分剖面图。燃气轮机100在内部具有带有轴101的、可围绕旋转轴线102转动地安装的转子103，该转子也称为涡轮机转子。沿着转子103依次为进气壳体104、压缩机105、带有多个同轴设置的燃烧器107的尤其为环形燃烧室的例如环面状的燃烧室110、涡轮机108和排气壳体109。环形燃烧室110与例如环形的热气体通道111连通。在那里例如四个相继连接的涡轮级112形成涡轮机108。
[0052]每个涡轮级112例如由两个叶片环形成。沿工质113的流动方向观察，在热气体通道111中，由转子叶片120形成的排125跟随导向叶片排115。
[0053]在此，导向叶片130固定在定子143的内壳体138上，相对地，排125的转子叶片120例如借助涡轮盘133安装在转子103上。发电机或者做功机械(没有示出)耦接于转子 103。
[0054]在燃气轮机100工作期间，压缩机105通过进气壳体104将空气135吸入并且压缩。在压缩机105的涡轮侧端部处提供的压缩空气被引至燃烧器107并且在那里与燃料混合。接着，混合物在燃烧室110中燃烧，从而形成工质113。工质113从那里起沿着热气体通道111流过导向叶片130和转子叶片120。工质113在转子叶片120处以传递动量的方式膨胀，使得转子叶片120驱动转子103，并且该转子驱动耦接在其上的做功机械。
[0055]暴露于热工质113的构件在燃气轮机100工作期间承受热负荷。除了加衬于环形燃烧室I1的热屏蔽元件之外，沿工质113的流动方向观察的第一涡轮机级112的导向叶片130和转子叶片120承受最高的热负荷。为了经受住那里存在的温度，可借助于冷却剂来冷却第一涡轮机级的导向叶片和转子叶片。同样，构件的基底可以具有定向结构，这就是说它们是单晶的(SX结构)或仅具有纵向定向的晶粒(DS结构)。
[0056]例如，铁基、镍基或钴基超合金用作构件的材料，尤其是用作涡轮叶片120、130和燃烧室110的构件的材料。例如由EP I 204 776 BK EP 1306454、EP 1319729 AU WO99/67435或WO 00/44949已知这样的超合金。
[0057]叶片120、130同样能够具有抗腐蚀的覆层(MCrAlX:M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)的组中的至少一种元素，X是活性元素并且代表钇(Y)和/或硅、钪(Sc)和/或至少一种稀土元素或铪(Hf))。这样的合金从 EP O 486 489 BUEP O 786 017 BUEP O 412 397 BI或者EP 1306454 Al中已知。
[0058]在MCrAlX上还可以有隔热层，并且所述隔热层优选由ZrO2J2O3-ZrO2组成，即，所述隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。通过例如电子束气相淀积(EB-PVD)的适当的覆层方法在隔热层中产生柱状晶粒。
[0059]导向叶片130具有朝向涡轮机108的内壳体138的导向叶片根部(这里没有示出)，以及与导向叶片根部相对置的导向叶片顶部。导向叶片顶部朝向转子103并固定在定子143的固定环140处。
【权利要求】
1.一种用于制造第二燃气轮机的方法，其中基于第一燃气轮机，从所述第一燃气轮机的第一涡轮叶片上移除至少一个第一陶瓷隔热层(7，13)，并且将用于制造第二涡轮叶片(7)的新的第二陶瓷隔热层(7’，7”，13’ )施加到已将覆层移除的所述第一涡轮叶片上，和/或 将新的第二陶瓷隔热层(7’，7”，13’)施加到新制造的新的第二涡轮叶片上，所述新的第二陶瓷隔热层(7’，7”，13’ )与所述第一陶瓷隔热层(7，13)具有明显差异， 其中差异至少表示:层厚度是不同的， 其中减小的和增大的层厚度的差异至少为50 μ m， 和/或孔隙度是不同的， 其中减小的或增大的孔隙度的绝对差异至少为2%， 和/或层性质是不同的，尤其是所述陶瓷隔热层(7’，7”，13’)的单层性质或双层性质， 并且其中将所述新的第二涡轮叶片和/或所述第二涡轮叶片安装到所述第二燃气轮机中。
2.根据权利要求1所述的方法， 其中将双层的陶瓷隔热层(13)从所述第一涡轮叶片上移除和/或将单层的隔热层(7”)作为第二陶瓷隔热层施加到所述第二涡轮叶片或所述新的第二涡轮叶片上。
3.根据权利要求2所述的方法， 其中制造具有18% ±4%的孔隙度的所述单层的陶瓷隔热层(7”)。
4.根据权利要求1所述的方法， 其中将单层的隔热层(7)从所述第一涡轮叶片上移除和/或将双层的隔热层(13’)、尤其是仅双层的隔热层(13’ )作为第二陶瓷隔热层施加到所述第二涡轮叶片或所述新的第二涡轮叶片上。
5.根据权利要求1、2、3或4中一项或多项所述的方法， 其中所述第二涡轮叶片的或所述新的第二涡轮叶片的所述第二陶瓷隔热层(7，7”，13’ )的孔隙度相对于所述第一涡轮叶片的隔热层的孔隙度增大。
6.根据权利要求1、2、3或4中一项或多项所述的方法， 其中所述第二涡轮叶片的或所述新的第二涡轮叶片的所述第二陶瓷隔热层(7，7”，13’ )的孔隙度相对于所述第一涡轮叶片的隔热层的孔隙度减小。
7.根据权利要求1至5中一项或多项所述的方法， 其中将作为第一陶瓷隔热层的较薄的陶瓷隔热层(7)由作为所述第二涡轮叶片的或所述新的第二涡轮叶片的第二陶瓷隔热层的较厚的陶瓷隔热层(7’，13’ )替换，其中厚度的差异至少为+50 μ m。
8.根据权利要求1至6中一项或多项所述的方法， 其中将作为第一陶瓷隔热层的较厚的陶瓷隔热层由作为所述第二涡轮叶片的或所述新的第二涡轮叶片的第二陶瓷隔热层的较薄的陶瓷隔热层替换，其中厚度的差异至少为-50 μ m0
9.根据权利要求4至8中一项或多项所述的方法， 其中制造所述双层的隔热层(13’)，所述双层的隔热层具有孔隙度为12% ±4%的最下部的陶瓷层片(7”’ )和孔隙度为18% ±4%的外部的陶瓷层片(10’)， 其中所述陶瓷层片(7”’，10’)的孔隙度的绝对差异至少为2%、尤其为4%、更尤其至多为4%。
10.根据权利要求4至8中一项或多项所述的方法， 其中制造所述双层的隔热层(13)，所述双层的隔热层具有孔隙度为18% ±4%的最下部的陶瓷层片(7”’ )和孔隙度同样为18% ±4%的外部的陶瓷层片(10’)。
11.根据权利要求4至8中一项或多项所述的方法， 其中制造双层的隔热层(13’)，所述双层的隔热层具有孔隙度为18% ±4%的最下部的陶瓷层片(7”’ )和孔隙度为25% ±4%的外部的陶瓷层片(10’)，其中所述陶瓷层片(7”’，10’ )的孔隙度的绝对差异至少为2%、尤其为4%、更尤其至多为4%。
12.根据权利要求4至11中一项或多项所述的方法， 其中所述双层的隔热层(13)的下部的层片(7”’)与上部的层片(10’)相比实施成是较薄的，尤其是薄至少20%，尤其地，其中所述双层的隔热层(13)的所述下部的层片(7”’)具有75 μ m至150 μ m的厚度，更尤其地，所述双层的隔热层(13)的总层厚度为500 μ m至800 μ m0
13.根据权利要求4至12中一项或多项所述的方法， 其中为下部的陶瓷层片(7”’ )使用部分稳定的氧化锆并且为上部的陶瓷层片(10’ )使用部分稳定的氧化锆。
14.根据上述权利要求中一项或多项所述的方法， 其中为陶瓷的隔热层(7’，7”，13’)或陶瓷层片(7”’，10’)使用氧化锆，并且要喷射的粉末的单斜晶的份额低于3%、尤其低于1.5%、更尤其至少为0.3%。
15.根据权利要求13或14中一项或两项所述的方法， 其中氧化锆中的四方晶的份额具有最大的份额，尤其至少为60 %、更尤其至少为75%。
16.根据权利要求14或15所述的方法， 其中通过热处理将氧化锆的单斜晶的份额，尤其待喷射的粉末的单斜晶的份额减小至少50%，尤其减小到探测极限之下。
17.根据权利要求4至16中一项或多项所述的方法， 其中在不具有聚合物的情况下喷射所述下部的层片(7”’ )并且在具有聚合物的情况下喷射所述上部的层片(10’)。
18.根据权利要求4至17中一项或多项所述的方法， 其中将所述上部的陶瓷层片(10’ )的平均孔直径(Clici)与所述下部的陶瓷层片(7”’ )的平均孔直径(d7)相比制造得更大，更尤其大至少20μπι。
19.根据权利要求4至18中一项或多项所述的方法， 其中使用具有相同的组分和相同的粒度分布的相同的粉末。
20.根据权利要求4至18所述的方法， 其中为所述下部的陶瓷层片(7”’ )使用与用于所述上部的陶瓷层片(10’ )的材料不同的材料，尤其是为所述下部的层片(7”’)使用氧化锆，更尤其是为所述上部的层片(10”)使用烧绿石。
21.一种具有涡轮叶片(120，130)的燃气轮机(100)， 其中单层的陶瓷隔热层(7”)具有18% ±4%的孔隙度。
22.—种具有涡轮叶片(120，130)的燃气轮机(100)， 所述燃气轮机具有双层的隔热层(13’)， 其中所述双层的隔热层具有孔隙度为12% ±4%的最下部的陶瓷层片(7”’)和孔隙度为18% ±4%的外部的陶瓷层片(10’)， 其中所述陶瓷层(7”’，10’)的孔隙度的绝对差异至少为2%、尤其为4%、更尤其至多为4%。
23.—种具有涡轮叶片(120，130)的燃气轮机(100)， 所述燃气轮机具有双层的隔热层(13’)， 所述双层的隔热层对于最下部的陶瓷层片具有18% ±4%的孔隙度并且对于外部的陶瓷层片具有25% ±4%的孔隙度，其中所述陶瓷层(7”’，10’ )的孔隙度的绝对差异至少为2%、尤其为4%、更尤其至多为4%。
24.一种具有涡轮叶片(120，130)的燃气轮机(100)， 所述燃气轮机具有双层的隔热层(13’)， 所述双层的隔热层对于最下部的陶瓷层片具有18% ±4%的孔隙度并且对于外部的陶瓷层片(10’ )具有18% ±4%的相同的孔隙度。
25.—种具有涡轮叶片(120，130)的燃气轮机(100)， 其中所述陶瓷层(7’，7”，13’ )的或所述陶瓷层片(7”’，10’ )的氧化锆具有小于3%、尤其是小于1.5%的单斜晶的份额，其中最小份额至少为1%、尤其至少为0.5%。
26.根据权利要求22、23、24或25所述的燃气轮机， 其中所述下部的陶瓷层片(7”’ )具有部分稳定的氧化锆并且所述外部的陶瓷层片(10’ )具有部分稳定的氧化锆。
27.根据权利要求22、23、24或25所述的燃气轮机， 其中所述陶瓷层(13)的所述外部的层片(10)具有钙钛矿结构或烧绿石结构，并且尤其所述下部的陶瓷层片具有氧化锆。
28.根据权利要求22、23、24或25或根据权利要求26或27中一项或两项所述的燃气轮机， 其中通过要喷射的粉末的粒度来设定所述最下部的陶瓷层片(7”’ )的孔隙度， 并且通过具有聚合物的粒度较小的要喷射的粉末的颗粒来设定所述外部的陶瓷层片(10’ )的孔隙度。
29.根据权利要求22、23、24或25中一项或多项或根据权利要求26至28中一项或多项所述的燃气轮机， 其中所述上部的陶瓷层片(10’)的平均孔直径(d1(l)与所述下部的陶瓷层片(7”’)的平均孔直径相比更大，更尤其大至少20 μ m。
30.一种用于运行燃气轮机设备的方法， 其中尤其根据权利要求1至20改变涡轮机(100)的涡轮叶片的陶瓷层的类型。
31.根据权利要求30所述的方法， 其中进行所述燃气轮机的每日启动， 尤其地，其中所述燃气轮机根据权利要求2、3、5、6、7、8、14、15或16制成。
32.根据权利要求30所述的方法，其中多日持续运行所述燃气轮机，尤其地，其中所述燃气轮机根据权利要求4或5至20制成。
33.一种用于运行燃气轮机设备的方法，其中使用根据权利要求21、22、23、24或25所述的燃气轮机。
【文档编号】C23C4/00GK104220698SQ201280072005
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2012年12月18日 优先权日:2012年3月28日
【发明者】维尔纳·施塔姆, 帕特里克·布灵尔, 梅尔廷·格罗斯霍伊泽尔, 安德烈亚斯·帕尔, 迪特马尔·赖尔曼, 米夏埃尔·林德勒 申请人:西门子公司