DE2421927A1

DE2421927A1 - Verfahren zum verhindern von vanadiumkorrosion

Info

Publication number: DE2421927A1
Application number: DE2421927A
Authority: DE
Inventors: Norman Samuel Bornstein; Roscoe Adams Pike; Hilton Andrew Roth
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1973-05-14
Filing date: 1974-05-07
Publication date: 1974-12-05
Also published as: AU6847174A; GB1459032A; IT1012237B; FR2229861A1; JPS5014911A

Description

Patentanwalt DipHng. IbIf Merges

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Dipl.-Ing. Rolf Menges, 8011 Pöring/München, Hubertusse 20 PATENTMENGES Zomedlng 307487-803

Ihr Zeichen/Your ref. Mein Zeichen/My ref. Tag/Date 6. Mai 1974

Anwaltsakte U 111

United Aircraft Corporation East Hartford, V.St.A.

Verfahren zum Verhindern von Vanadiumkorrosion

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und Kraftstoffe für dieselben, und insbesondere auf die Verhinderung von Korrosion in solchen Triebwerken, die sich durch das Vorhandensein von Vanadium in den Kraftstoffen ergibt.

Viele Kraftstoffe enthalten Spurenmengen von"Vanadium, und es hat sich herausgestellt, daß Vanadium eine ziemlich starke Korrosionswirkung auf die Triebwerkslegierungen ausübt. Vanadium läßt sich nicht in wirtschaftlicher Weise aus dem Kraftstoff entfernen. Deshalb sind andere Mittel zum Verhindern seiner Korrosionswirkung erforderlich.

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Es ist seit langem bekannt, daß der Zusatz von Magnesiumsalzen, wie beispielsweise Magnesiumoxid, Magnesiumsulfat und bestimmte metallo-organisehe Verbindungen, die Magnesium enthalten, bei der Verringerung der Vanadiumkorrosion von Nutzen sind. Die Wirksamkeit der Magnesiumzusätze nimmt jedoch mit zunehmenden Triebwerkstemperaturen und Druckverhältnissen ab. Bei modernen Gasturbinentriebwerken geht jedoch der Trend zu höheren Triebwerkstemperaturen und Druckverhältnissen. Außerdem ist es aus der US-PS 3 581 491 bereits bekannt, Additive zum Unterdrücken des Sulfidationsangriffes zu verwenden.

Durch die Erfindung sollen insbesondere Mittel geschaffen werden zum Verringern oder Verhindern der Vanadiumkorrosion in Gasturbinentriebwerken, und insbesondere in Triebwerken, in welchen sehr hohe Betriebstemperaturen und Triebwerksverdichtungsverhältnisse verwendet werden.

Die gewünschte Verringerung wird durch die Verwendung eines Additivs erreicht, welches mit Vanadiumoxid unter Bildung eines Vanadats oder anderen Vanadiumprodukten reagiert, deren Schmelzpunkt höher ist als die Betriebstemperatur des Triebwerks.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung im einzelnen erläutert, die ein Diagramm des Oxidationsverhaltens von Vanadiumoxid VgOg zusammen mit verschiedenen Additiven auf einer herkömmlichen Hochtemperatur-Triebwerkslegierung auf Nickelbasis zeigt.

Der genaue Mechanismus, durch den Vanadium die Korrosionsabtragung von Gasturbinentriebwerkslegierungen beschleunigt, ist noch nicht vollständig geklärt. Während der Verbrennung oxidiert das in dem Kraftstoff vorhandene Vanadium und bildet hauptsächlich Vanadiumoxid VpOg. Das Vanadiumoxid hat einen verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt und ist bei den üblichen Betriebstemperaturen von Gasturbinentriebwerken flüssig.

Die Oxidations- und Korrosionsfestigkeit hängt bei den meisten

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Super!egierungen auf Nickelbasis, die in solchen Triebwerken verwendet werden, von der Bildung eines anhaftenden Schutzoxids ab, welches eine wirksame Barriere zwischen dem korrosionsfördernden Medium und dem Basismetall bildet. Folglich hängt die Lebenszeit von Triebwerksbauteilen häufig von der Länge der Zeitspanne ab, während welcher die Oxidschicht intakt bleibt.

Flüssiges Vanadiumoxid löst viele Oxide auf. Das in dem Verbrennungsprozeß erzeugte flüssige Vanadiumoxid verbindet sich mit dem normalerweise schützenden Oxid auf der Oberfläche unter Bildung eines komplexen Glases. Diese Verbindung zerstört nicht nur die Haftkraft des schützenden Oxids auf der Substratoberfläche, wodurch der Sauerstoff Zugang zu dem Substrat erhält, sondern das Glas macht auch jegliche schützende Haut, die sich zu bilden versucht, flüssig. Das Gesamtergebnis ist eine Beschleunigung der Substratkorrosionsgeschwindigkeit.

Wie oben erwähnt, ist es seit langem bekannt, daß der Zusatz von Magnesiumsalzen zum Verringern der Vanadiumkorrosion nützlich ist. Durch eine thermodynamische Analyse läßt sich vorhersagen, warum das Magnesium mit zunehmenden Triebwerkstemperaturen und Druckverhältnissen seine Wirksamkeit verliert.

Magnesiumoxid reagiert während der Verbrennung mit den Schwefeloxiden und Sauerstoff unter Bildung von Magnesiumsulfat. In Triebwerken, in welchen das Magnesium wirksam ist, dissoziiert das Magnesiumsulfat, wenn es dem Kraftstoff zugesetzt ist oder während der Verbrennung gebildet wird, und bildet Magnesiumoxid, welches die tatsächliche Schutzfunktion ausübt, hauptsächlich durch Verbindung mit dem Vanadium unter Bildung eines unschädlichen Vanadats.

Wenn die Triebwerksdrücke vergrößert werden, nimmt jedoch das Bestreben des Magnesiumsulfats, sich zu zersetzen und Magnesiumoxid zu bilden, ab, wodurch das Magnesiumsulfat zurückbleibt, statt daß das gewünschte Magnesiumoxid erzeugt wird. Folglich scheint die

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begrenzte Nutzbarkeit der Magnesiumadditive eine.direkte Funktion 1) des Sehern!zpunktes des Vanadats und des Niederhaltens des Schmelzpunktes durch die Alkalimetalle und 2) der Stabilität des Sulfats zu sein.

Es hat sich nun gezeigt, daß die Additive auf der Basis der Oxide der seltenen Erdelemente, Yttrium, Skandium, Niob und Nickel wirksame Hemmstoffe gegen Hochtemperatur-Vanadiumangriff sind. In der Zeichnung wird einfache Oxidation und Vanadiumangriff mit dem behinderten Angriff verglichen, der den Additiven nach der Erfindung zugeordnet ist. In sämtlichen Fällen war das Substratelement die Nickelsuperlegierung B-1900, die aus der US-PS 3 310 399 bekannt ist. Zusätzlich zu dem Vorstehenden dürften, beruhend auf einer thermodynamisehen Analyse, die Oxide von Kobalt und Eisen ebenfalls wirksame Vanadiumkorrosionshemmstoffe darstellen.

Ein besonders zweckmäßiges Verfahren zum Zuführen der Additive zu dem Triebwerk wäre ein Kraftstoffadditiv, obwohl sich andere Mittel des Zusetzens ebenfalls eignen können, je nach den Umständen. Beispielsweise kann in einer bodennahen Triebwerksanlage, bei welcher eine Wasserquelle zur Verfügung steht, ein Wassereinspritzsystem geeignet sein. Für Kraftstoffzusatzzwecke muß das Reaktionsmittel in dem Kraftstoff lösbar und mit demselben verträglich sein. Beispielsweise ist Yttriumoxid Y₂O₃ ein wirksamer Vanadiumkorrosionshemmstoff. Es wird typischerweise in dem Kraftstoff gelöst, beispielsweise als ein Organometall, wie etwa Yttriumazetonylazetonat, und während der Verbrennung in sein Oxid umgewandelt. Dieses Oxid reagiert seinerseits mit dem Vanadiumoxid V₂Og unter Bildung des unschädlichen festen Yttriumvanadats. Wenn Gemische von Y₂O₃ und V₂O₅ angewendet werden und ihnen gestattet wird, mit der Oberfläche einer beschichteten Nickellegierung B-1900 zu reagieren, so zeigt es sich, daß verschiedene Molverhältnisse von 1, 4 und 5 Molen Y₂O₃ zu V₂O₅ den Vanadiumangriff wirksam verhindern.

Der Schlüsselfaktor bei der Erzielung des gewünschten Ergebnisses kann deshalb darin gesehen werden, daß ein Additiv verwendet wird,

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welches eine stabile Vanadium-Additiv-Sauerstoff-Verbindung während der Verbrennung oder an den zu schützenden Oberflächen bildet. Das wiederum erfordert, daß das Additiv nicht vorzugsweise irgendeine andere Verbindung bilden darf, wie etwa das Sulfat, welches bei der Triebwerksbetriebstemperatur stabil ist und dessen Erzeugung oder Vorhandensein das Additiv daran hindert, sich mit dem Vanadium zu verbinden.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen besonderen Ausführungsbeispiele beschränkt. Im Rahmen der Erfindung bietet sich dem Fachmann eine Vielzahl von Abwandlungsmöglichkeiten, ohne daß dadurch die Hauptvorteile der Erfindung verlorengehen.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

I I.J Verfahren zum Verhindern von Vanadiumkqrrosion in einem Gasturbinentriebwerk, dessen Verbrennungsprodukte Vanadium in ■ einer für heiße Triebwerkslegierungsteile korrodierenden Form enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts dieser Teile die Verbrennungsprodukte dem Oxid eines Metalls ausgesetzt werden, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus den seltenen Erdelementen, Yttrium, Skandium, Niob, Nickel, Kobalt und Eisen besteht, wobei durch Reaktion mit dem Vanadium ein Vanadat eines solchen Metalls gebildet wird, dessen Schmelzpunkt über der Verbrennungsprodukttemperatur liegt, und wobei das Sulfat eines solchen Metalls in bezug auf das Vanadat in den Verbrennungsprodukten unbeständig ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall in dem Kraftstoff für ein solches Triebwerk als ein Organometall gelöst ist.

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