DE102011081847A1

DE102011081847A1 - Verfahren zum Herstellen von Feuerfestkeramiken für Gasturbinenanlagen

Info

Publication number: DE102011081847A1
Application number: DE102011081847A
Authority: DE
Inventors: Claus Krusch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-02-28
Also published as: EP2750844A1; EP3120982A3; EP3120982A2; US20140165573A1; RU2014112056A; WO2013029980A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Feuerfestkeramiken für den Einsatz als Hitzeschild im Heißgaspfad von Gasturbinenanlagen, umfassend die Schritte: – Einfüllen einer Gießmasse in eine Bauteilgießform für die Feuerfestkeramik, – Verschließen der Gießform, so dass die Gießmasse nach dem Verschließen unter einem definierten statischen Druck steht, – gerichtetes Vibrieren der Gießform in Richtung (V) einer Oberflächenormalen (N) einer Oberfläche der herzustellenden Feuerfestkeramik, an die besondere Qualitätsanforderungen für den Einsatz als Hitzeschild gestellt werden, und – und anschließendes Entformen und Brennen des gegossenen Bauteils.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Feuerfestkeramiken für den Einsatz als Hitzeschild im Heißgaspfad von Gasturbinenanlagen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gasturbinenanlagen bestehen im Wesentlichen aus einem Verdichter, einem Brenner und einer Entspannungsturbine. Im Verdichter wird angesaugte Luft verdichtet, bevor sie im nachgeschalteten und im Verdichterplenum angeordneten Brenner in einer Brennkammer mit Brennstoff gemischt und dieses Gemisch verbrannt wird. Die der Brennkammer nachgeschaltete Entspannungsturbine entzieht dann den entstandenen Verbrennungsabgasen thermische Energie und wandelt diese in mechanische Energie um. Ein mit der Entspannungsturbine verbundener Generator wandelt diese mechanische Energie zur Stromerzeugung noch in elektrische Energie um.
Im Betrieb der Gasturbinenanlage entstehen in der Brennkammer, die den Heißgaspfad zwischen Brenner und Gasturbine bildet, Temperaturen, die typischerweise in der Größenordnung von ca. 1300 bis 1500 Grad Celsius liegen. Zur thermischen Abschirmung der den Heißgaspfad umschließenden Bauteile und Tragstrukturen werden deshalb entsprechende Brennkammerauskleidungen, beispielsweise in Form von Hitzeschilden, eingesetzt.
Solche Hitzeschilde können dabei sowohl metallisch als auch keramisch ausgeführt werden. Bei Gasturbinenanlagen werden aufgrund der agressiven Heißgase keramische Materialien bevorzugt, die beispielsweise mittels eines Gießprozesses hergestellt werden. Im Verlauf des Gießprozesses können aber in der Gießmasse Lufteinschlüsse entstehen, die zu Fehlstellen (Lunker) im Grünling bzw. im fertig gebrannten Bauteil führen können. Diese Fehlstellen liegen dabei sowohl im Volumen als auch an der Oberfläche der Feuerfestkeramiken vor. Oberflächenfehler stellen aber gerade auf der Heißgasseite der Feuerfestkeramik das Hauptausschusskriterium im Rahmen der Qualitätskontrolle dar, da diese die mechanischen Eigenschaften besonders beeinflussen. Durch die Lunker kann es zu einer Schwächung der mechanischen Strukturen und damit zu einer verstärkten Rissbildung in der Feuerfestkeramik kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, das diesen Nachteil vermeidet.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren des Anspruchs 1 gelöst welches die folgende Schritte umfasst:

– Einfüllen einer Gießmasse in eine Bauteilgießform für eine Feuerfestkeramik,
– Verschließen der Gießform, so dass die Gießmasse nach dem Verschließen unter einem definierten statischen Druck steht,
– gerichtetes Vibrieren der Gießform in Richtung (V) einer Oberflächenormalen (N) einer Oberfläche der herzustellenden Feuerfestkeramik, an die besondere Qualitätsanforderungen für den Einsatz als Hitzeschild gestellt werden,
– und anschließendes Entformen und Brennen des gegossenen Bauteils.

Dadurch, dass die Gießmasse nach dem Einbringen in die Gießform unter Aufrechterhaltung eines definierten statischen Drucks in Richtung der Oberflächennormalen qualitätskritischer Bauteilflächen gerichtet vibriert wird, lässt sich eine nahezu lunkerfreie Oberfläche erzielen. Eine Schwächung des keramischen Hitzeschildes, insbesondere der am stärksten beanspruchten Heißgasseite aufgrund festigkeitsreduzierender Fehlstellen, wird so effektiv verhindert.
Sollen weitere Oberflächen der Feuerfestkeramik ähnliche Qualitätsmerkmale aufweisen, muss der Vibrationsschritt in Richtung der Oberflächennormalen dieser Oberflächen jeweils entsprechend wiederholt werden.
Ein Hitzeschild bestehend aus zumindest einer Feuerfestkeramik die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, ist dabei besonders robust und eine mit einem solchen Hitzeschild ausgerüstete Gasturbinenanlage kann sicher betrieben werden.
Die Erfindung soll nun anhand der in der Figur dargestellten Feuerfestkeramik K beispielhaft erläutert werden. Im Rahmen des Gießprozesses dieser Feuerfestkeramik kommt ein nicht näher gezeigter Gießformdeckel zum Einsatz, der beim Aufsetzen auf die Gießformschale in die darin befindliche Gießmasse eintaucht und die Gießmasse beim Schließen des Deckels zunehmend bis hin zum Gießformverschluss mit einem zuvor festgelegten statischen Druck beaufschlagt. Bei gegebener Deckelgeometrie stellt die Füllhöhe der Gießmasse den wesentlichen Prozessparameter dar, der den Masse-Verdrängungsgrad und damit den resultierenden statischen Druck bestimmt. Vorzugsweise kann bereits das Aufsetzen des Gießformdeckels unter Vibration erfolgen. Zum sicheren Gießformverschluss ist die Gießform dann mit einer Spannvorrichtung zu versehen, mit der hohe Spannkräfte erzeugt werden können. Eine derartige Spannvorrichtung stellen beispielsweise Kniehebelspanner dar. Vorzugsweise entspricht die Geometrie des Gießformverschlusses schon der eigentlichen Geometrie der zu erzeugenden Feuerfestkeramik K, so dass eine Nachbearbeitung der Bauteilflächen ganz entfallen kann und auch das Schleifen gegebenenfalls vorhandener Angussstege deutlich reduziert werden kann.
Die verschlossene, unter statischem Druck stehende Gießform wird anschließend gerichtet vibriert. Mit der Vibrationsbzw. Krafteinleitungsrichtung V, die durch die Lage der Gießform relativ zur Vibrationsrichtung bestimmt wird, kann die Verteilung der Oberflächen- und Volumenfehler (Lunker) im Bauteil K gesteuert werden. Die Krafteinleitungsrichtung V ist dabei derart zu wählen, dass sie in Richtung der Oberflächennormalen N der qualitätskritischen Bauteilfläche – hier der Heißgasseite HS der Feuerfestkeramik – wirkt. Somit kann hier eine nahezu lunkerfreie Oberfläche der Heissgasseite HS der Feuerfestkeramik für Gasturbinenanlagen erreicht werden.
Sollen weitere Flächen – zum Beispiel die Seitenflächen SF – ähnlichen Qualitätsanforderungen wie der zuvor beschriebenen Heißgasseite HS unterzogen werden, so ist die gerichtete Vibration für diese Flächen in gleicher Weise zu wiederholen. Die Gießform wird dann nacheinander jeweils normal zu den qualitätskritischen Bauteilflächen gerichtet nachvibriert.
Die wesentlichen Prozessparameter für die gerichtete Vibration stellen die Vibrationsrichtung, -zeit, -frequenz und -amplitude sowie der durch den Formverschluss erzeugte statische Druck dar. Insgesamt ergeben sich somit durch das erfindungsgemäße Verfahren folgende Vorteile:

– Ausschussreduzierung durch Lunkervermeidung bzw. signifikante Reduzierung der Lunkerhäufigkeit auf den Hitzeschildoberflächen;
– Erhöhung der passiven Sicherheit der keramischen Hitzeschilde durch Reduzierung der Fehlstellenanzahl und -größe;
– Reproduzierbarkeit des Herstellungsverfahrens wird erheblich verbessert;
– Automatisierbarkeit des Herstellungsprozesses;
– Reduzierung der Stückkosten.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Feuerfestkeramiken für den Einsatz als Hitzeschild im Heißgaspfad von Gasturbinenanlagen, umfassend die Schritte: – Einfüllen einer Gießmasse in eine Bauteilgießform für die Feuerfestkeramik, – Verschließen der Gießform, so dass die Gießmasse nach dem Verschließen unter einem definierten statischen Druck steht, – gerichtetes Vibrieren der Gießform in Richtung (V) einer Oberflächenormalen (N) einer Oberfläche der herzustellenden Feuerfestkeramik, an die besondere Qualitätsanforderungen für den Einsatz als Hitzeschild gestellt werden, – und anschließendes Entformen und Brennen des gegossenen Bauteils.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche an die besondere Qualitätsanforderungen gestellt wird, die Heißgasseite (HS) der Feuerfestkeramik (K) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des gerichteten Vibrierens für weitere Oberflächen der herzustellenden Feuerfestkeramik wiederholt wird.
Hitzeschild für eine Gasturbinenanlage, bestehend aus zumindest einer Feuerfestkeramik die mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt ist.