EP1541810A1 - Verwendung einer Wärmedämmschicht für ein Bauteil einer Dampfturbine und eine Dampfturbine - Google Patents

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EP1541810A1
EP1541810A1 EP03028575A EP03028575A EP1541810A1 EP 1541810 A1 EP1541810 A1 EP 1541810A1 EP 03028575 A EP03028575 A EP 03028575A EP 03028575 A EP03028575 A EP 03028575A EP 1541810 A1 EP1541810 A1 EP 1541810A1
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EP
European Patent Office
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thermal barrier
barrier coating
coating according
component
steam turbine
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Withdrawn
Application number
EP03028575A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Friedhelm Schmitz
Kai Dr. Wieghardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • F01D11/18—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means using stator or rotor components with predetermined thermal response, e.g. selective insulation, thermal inertia, differential expansion
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    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/90—Coating; Surface treatment

Definitions

  • the invention relates to the use of a thermal barrier coating according to claim 1 and a steam turbine according to claim 37.
  • Thermal barrier coatings applied to components are known in the field of gas turbines, as e.g. in EP 1 029 115 or WO 00/25005 are described.
  • thermal barrier coating in a steam turbine 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.
  • the thermal barrier coating is applied in the colder area of a steam inflow area.
  • Thermal barrier coatings allow components at higher temperatures than the base material alone permits, or to extend the duration of use.
  • Known base materials enable operating temperatures of maximum 1000 ° C - 1100 ° C, whereas a coating with a thermal insulation layer operating temperatures of up to 1350 ° C. in gas turbines.
  • 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 component, in particular for a steam turbine according to claim 1.
  • a steam turbine according to Claim 37 which has a thermal barrier layer with locally different Parameters (materials, porosity, thickness). Local means locally separated areas the surfaces of one or more components a turbine.
  • the controlled influence of the affects Deformation behavior at a radial gap between turbine rotor and turbine stator off. Turbine blade and one Housing on by this radial gap is minimized. A Minimizing the radial gap leads to an increase in efficiency the turbine.
  • an integral Temperature of the housing by the application of the thermal barrier coating less than the temperature of the shaft, so that the radial gap between rotor and stator, i. between Blade tip and housing or between the vane tip and shaft, in operation (higher temperatures than room temperature) smaller than during installation (room temperature).
  • a reduction in transient thermal deformation of housings and their adaptation to the deformation behavior the mostly thermally inert turbine shaft causes also a reduction of the radial games to be provided.
  • thermal barrier coating is also a reduces viscous creep, and the component can last longer be used.
  • the thermal barrier coating may advantageously be used in newly manufactured, used (that is, no repair is necessary) and remanufactured components.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a component 1 designed according to the invention.
  • the component 1 is a component, in particular an inflow region 333 of a turbine (gas, steam), in particular a steam turbine 300, 303 (FIG. 8) and consists of a substrate 4 (eg support structure, housing part) and a thermal barrier coating 7 applied thereto.
  • a turbine gas, steam
  • FIG. 8 shows a first exemplary embodiment of a component 1 designed according to the invention.
  • the component 1 is a component, in particular an inflow region 333 of a turbine (gas, steam), in particular a steam turbine 300, 303 (FIG. 8) and consists of a substrate 4 (eg support structure, housing part) and a thermal barrier coating 7 applied thereto.
  • a substrate 4 eg support structure, housing part
  • the thermal barrier coating 7 is in particular a ceramic layer, which consists 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.
  • thermal barrier coatings 7 consisting of 100% of either zirconia or titanium oxide can be used.
  • the ceramic layer may be applied by known coating techniques such as atmospheric plasma spraying (APS), vacuum plasma spraying (VPS), low pressure plasma spraying (LPPS), as well as by chemical or physical coating methods (CVD, PVD).
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the component 1 designed according to the invention.
  • the intermediate protective layer 10 serves to protect against corrosion and / or oxidation of the substrate 4 and / or for better bonding of the thermal barrier coating to the substrate 4. This is the case in particular if the thermal barrier coating made of ceramic and the substrate 4 consists of a metal.
  • the intermediate protective layer 10 for protecting a substrate 4 against corrosion and oxidation at a high temperature has, for example, essentially the following elements (indication of the percentages 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 elements of the rare earths, remainder iron, cobalt and / or nickel, as well as positional impurities;
  • the metallic intermediate protective layer 10 is made 12.5 to 14.0 wt% Chrome, 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 elements of the rare earths, remainder iron and / or cobalt and / or nickel, and also production-related impurities. It is preferred if the remainder is only iron
  • the composition of the iron-based intermediate protective layer 7 exhibits particularly good properties, so that the protective layer 7 is outstandingly suitable for application to ferritic substrates 4.
  • the thermal expansion coefficients of substrate 4 and intermediate protective layer 10 can be very well matched or even equal, so that there is no thermally induced stress build-up between substrate 4 and intermediate protective layer 10 (thermal mismatch), which could cause the intermediate protective layer 10 to flake off.
  • thermal mismatch thermally induced stress build-up between substrate 4 and intermediate protective layer 10 (thermal mismatch)
  • This is particularly important because in ferritic materials often no heat treatment for diffusion bonding is performed, but the protective layer 7 largely or only by adhesion to the substrate 4 adheres.
  • the substrate 4 is then a ferritic base alloy, a steel or a nickel or cobalt-based Superalloy, in particular a 1% CrMoV steel or a 10 up to 12% chrome steel.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the component 1 designed according to the invention.
  • an erosion protection layer 13 forms the outer surface. It consists in particular of a metal or a metal alloy and protects the component against erosion and / or wear, as is the case in particular in steam turbines 300, 303 (FIG. 8), which have a scaling in the superheated steam region, where average flow velocities of approximately 50m / s (ie 20 - 100m / s), and pressures of up to 400 bar occur.
  • the thermal barrier coating has a certain open and / or closed Porosity on.
  • the wear / erosion protective layer 13 a higher density and consists of alloys on the Base of 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%, Al 5%).
  • a metallic erosion protection layer 13 used in steam turbines 300, 303 since the operating temperatures in steam turbines at Dampfeinström Scheme 33 maximum at 800 ° C or 850 ° C. For such temperature ranges there are enough metallic layers that are sufficient large necessary erosion protection over the duration of use of the component 1 have.
  • Metallic erosion protection layers 13 in gas turbines a ceramic thermal barrier coating 7 are not everywhere possible because metallic erosion protection layers 13 as outer Layer the maximum single temperatures of up to 1350 ° C can not stand.
  • Ceramic erosion protection layers 13 are also conceivable.
  • Further 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 proportions by weight 73 wt% for tungsten carbide, 20 wt% for chromium carbide and 7 wt% for nickel, also chromium carbide with the admixture of nickel (Cr 3 C 2 -Ni), for example, with a share of 83 wt% chromium carbide and 17 wt% nickel and 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 and yttrium-stabilized zirconium oxide, for example, with a weight fraction of 80 wt% zirconium oxide and 20 wt% ytt
  • an intermediate protective layer 10 may be present (Fig. 4).
  • FIG. 5 shows a thermal barrier coating 7 with a gradient of porosity.
  • pores 16 are present.
  • the density ⁇ of the thermal barrier coating 7 increases (direction arrow).
  • the substrate 4 or an optional intermediate protective layer 10 towards preferably a greater porosity as in the area of an outer surface or the contact surface to the erosion control layer 13.
  • FIGS. 7 a, 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.
  • a higher temperature T max and a lower temperature T min which gives a temperature difference dT (4).
  • the substrate 4 as indicated by dashed lines, expands significantly more in the region of the higher temperature T max due to the thermal expansion than in the region of the lower temperature T min . This differential expansion causes an undesirable deformation of a housing.
  • a thermal barrier coating 7 is present on the substrate 4, wherein the substrate 4 and the thermal barrier coating 7 together are for example just as thick as the substrate 4 in FIG. 7a.
  • the thermal barrier coating 7 reduces the maximum temperature at the surface of the substrate 4 disproportionately to a temperature T ' max , although the external temperature T max is the same as in FIG. 7 a. This results not only from the distance of the surface of the substrate 4 to the outer surface of the thermal barrier coating 7 with the higher temperature, but in particular by the lower thermal conductivity of the thermal barrier coating 7.
  • the substrate 4 in Figure 7b may also be as thick as that in Figure 7a.
  • FIG. 8 shows an example of a steam turbine 300, 303 one extending along a rotation axis 306 Turbine shaft 309 shown.
  • the steam turbine has a high pressure turbine part 300 and a medium-pressure turbine section 303, each with an inner housing 312 and a surrounding this outer housing 315.
  • the high pressure turbine part 300 is, for example, in Topfbauart executed.
  • the medium-pressure turbine section 303 is double-flow executed. It is also possible that the medium pressure turbine part 303 is executed in einflutig.
  • Along the Rotation axis 306 is between the high pressure turbine part 300 and the medium-pressure turbine section 303 a bearing 318 arranged, wherein the turbine shaft 309 in the bearing 318 a storage area 321 has.
  • the turbine shaft 309 is on a further bearing 324 adjacent to the high pressure turbine section 300. In the area of this bearing 324, the high-pressure turbine part 300, a shaft seal 345 on.
  • the turbine shaft 309 is opposite the outer casing 315 of the medium-pressure turbine section 303 sealed by two further shaft seals 345. Between a high pressure steam inflow region 348 and a steam exit region 351 has the turbine shaft 309 in the high pressure turbine section 300, the high pressure runner blading 354, 357 on. This high pressure blading 354, 357 with the associated, not shown Blades a first blading area 360 is.
  • the medium-pressure turbine section 303 has a central steam inflow area 333 on.
  • the turbine shaft 309 Associated with the steam inflow region 333 the turbine shaft 309 has a radially symmetric Shaft shield 363, a cover plate, on the one hand for division the steam flow in the two floods of the medium-pressure turbine section 303 and to prevent direct contact of the hot steam with the turbine shaft 309.
  • the Turbine shaft 309 points in the medium-pressure turbine section 303 a second blading area 366, 367 with the medium pressure blades 354, 342 on. The through the second blading area 366 flowing hot steam flows out of the Medium-pressure turbine section 303 from a discharge port 369 to a fluidic downstream, not shown Low-pressure turbine.
  • the turbine shaft 309 is composed of two turbine shafts 309a and 309b which are fixed in the area of the bearing 318 connected to each other.
  • the Dampfeinström Siemens 333 any Steam turbine type a thermal barrier coating 7 and / or an erosion control layer 13 on.
  • a thermal barrier coating Due to the controlled deformation behavior by applying a thermal barrier coating, in particular the efficiency of a steam turbine 300, 303 can be increased. This is done, for example, by minimizing the radial gap (radially, ie perpendicular to the axis 306) between the rotor and stator parts (FIGS. 16, 17).
  • an axial gap 378 (parallel to axis 306) through the controlled deformation behavior of blading of the rotor and housing are minimized.
  • thermal barrier coating 7 only refer to components 1 of an example Steam turbine 300, 303.
  • Figure 9 shows the effect of locally different temperatures on the expansion behavior of a component.
  • FIG. 9a shows a component 1 which expands by a temperature increase (dT) (d1).
  • the thermal expansion dl is indicated by dashed lines.
  • a holder, storage or a fixation of the component 1 allows for this expansion.
  • FIG. 9b likewise shows a component 1 which expands due to an increase in temperature.
  • the temperatures in different areas of the component 1 are different.
  • the temperature T 333 is greater than the temperature T 366 of the adjoining blading region 366 and larger than in a further adjoining housing part 367 (T 367 ).
  • T 367 the temperature T 366 of the adjoining blading region 366 and larger than in a further adjoining housing part 367
  • Is indicated by the dashed lines by the reference numeral 333 is equal to the thermal expansion of the inflow region 333, if all the areas 333, 366, 367 would experience a uniform rise in temperature.
  • the inflow region 333 expands more than indicated by the dashed lines 333 '. Since the inflow region 333 is arranged between the blading region 366 and a further region 367, the inflow region 333 can not expand freely, resulting in an uneven deformation behavior. By applying the thermal barrier coating 7, the deformation behavior should be controlled and / or evened out.
  • FIG. 10 shows an enlarged view of a region 333, 366 of the steam turbine 300, 303.
  • the steam turbine 300, 303 is in the vicinity of the inflow 333 of an outer housing 334, abut the temperatures, for example, between 250 ° to 350 ° C and an inner housing 335, at the temperatures, for example, from 450 ° to 620 ° C, but also up 800 ° C prevail, so that, for example, temperature differences greater than 200 ° C are present.
  • the thermal barrier coating 7 is applied on the inner housing 335 on the inside 336.
  • the outside 337 for example, no thermal barrier coating 7 is applied.
  • the thermal barrier coating 7 By applying a thermal barrier coating 7, the heat input into the inner housing 335 is reduced, so that the thermal expansion behavior of the inflow region 333 and the entire deformation behavior of the regions 333, 366, 367 is influenced. Thereby, the entire deformation behavior of the inner housing 334 or the outer housing 335 can be controlled adjusted and made uniform.
  • the adjustment of the deformation behavior of a component or of components with one another can be effected by a variation of the thickness of the thermal insulation layer 7 (FIG. 12) and / or the application of different materials at different locations on the surface of the inner housing 335 (FIG. 13).
  • the porosity at different locations of the inner housing 335 may be different (FIG. 14).
  • the thermal barrier coating 7 may be locally limited, for example, be applied only in the inner housing 335 in the region of the inflow 333.
  • thermal barrier coating 7 only in the blading area 366 may be applied locally (FIG. 11).
  • FIG. 12 shows a further exemplary embodiment of a use of a thermal barrier coating 7.
  • the thickness of the thermal barrier coating 7 in the inflow region 333 is, for example, at least 50% thicker than in the blading region 366 of the steam turbine 300, 303. Due to the thickness of the thermal barrier coating 7, 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 blading region 366, are adjusted in a controlled manner and made uniform (over the axial length).
  • FIG. 13 shows various materials of the thermal barrier coating 7 in different regions 333, 366 of the component 1.
  • a thermal barrier coating 7 is applied.
  • the thermal barrier coating 8 in the region of the inflow region 333 consists of a first thermal barrier coating material
  • the material of the thermal barrier coating 9 in the blaze region 366 consists of a second thermal barrier coating material. Due to the different material for the thermal barrier coatings 8, 9 a different thermal insulation is achieved, whereby the deformation behavior of the regions 333 and 366 is adjusted, in particular equalized. Higher thermal insulation is set there (333) where higher temperatures prevail.
  • the thickness and / or the porosity of the thermal barrier coatings 8, 9 may be the same.
  • an erosion protection layer 13 can be arranged on the thermal barrier coatings 8, 9.
  • FIG. 14 shows a component 1, 300, 303 in which different porosities of 20 to 30% are present in different regions 333, 366.
  • the inflow region 333 with the heat-insulating layer 8 has a higher porosity than the thermal barrier layer 9 of the blading region 366, thereby achieving a higher thermal insulation in the inflow region 333 than by the thermal barrier coating 9 in the blading region 366.
  • the thickness and the material of the thermal barrier layers 8, 9 can also be different.
  • the heat insulation of a thermal barrier coating 7 is adjusted by the porosity, whereby the deformation behavior of different areas 333, 366 of a component 1 can be adjusted.
  • an erosion protection layer 13 may be present on the thermal barrier coatings 8, 9.
  • FIG. 15 shows a further application example for the use of a thermal barrier coating 7.
  • the component 1, in particular a housing part is here a valve housing 31, into which a hot steam flows through an inlet channel 46.
  • the inflow passage 46 causes a mechanical weakening of the valve housing.
  • the valve housing 31 consists for example of a cup-shaped housing part 34 and a lid 37th
  • a valve consisting of a valve plug 40 and a spindle 43 is present.
  • a non-uniform axial deformation behavior of the housing 31 and the cover 37 occurs.
  • the valve housing 31 would expand axially more in the region of the channel 46, so that tilting of the cover with the spindle 43 comes.
  • the valve cone 34 no longer sits properly, so that the tightness of the valve is reduced.
  • thermal barrier coating is used to Control deformation behavior and thus the tightness to ensure the valve.
  • FIG. 16 shows a stator 58, for example a housing 335, 366 of a turbine 300, 303 and a rotating component 61 (rotor), in particular a turbine blade 120, 130, 342, 354th
  • a stator 58 for example a housing 335, 366 of a turbine 300, 303 and a rotating component 61 (rotor), in particular a turbine blade 120, 130, 342, 354th
  • the temperature-time diagram T (t) for the stator 58 and the Rotor 61 for example, during the shutdown of turbine 300, 303 that the temperature T of the stator 58 decreases faster as the temperature of the rotor 61.
  • the housing shrinks 58 stronger than the rotor 61, so that the housing 58th approaching the rotor. Therefore, an appropriate distance must be d between stator 58 and rotor 61 in the cold state be in order in this phase of operation stripping the rotor 61st to prevent the housing 58.
  • stator (non-rotating member) 58 is the stator applied a thermal barrier coating 7.
  • the heat-insulating layer 7 causes a greater thermal inertia of the stator 58 or the component (335), which heats up more or faster.
  • the time course of the temperatures T of the stator 58 and the rotor 61 is shown. 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. This allows a smaller radial gap d7 even at room temperatures between rotor 61 and stator 58, so that the efficiency of the turbine 300, 303 is increased accordingly due to a smaller gap in operation.
  • the distance-time diagram shows that a smaller distance d7 (d7 ⁇ di ⁇ ds) is present at room temperature RT, the does not lead to streaking of stator 58 and rotor 61.
  • the temperature differences and associated gap changes are due to unsteady states (start, Load change, shutdown) of the steam turbine 300, 303, whereas in stationary operation no problems with changes radial Distances exist.
  • FIG. 18 shows the influence of the application of a thermal barrier coating on a remanufactured component.
  • Refurbishment means that components that have been used may be repaired, ie that they are freed of corrosion and oxidation products, and cracks may be detected and repaired, for example, by filling with solder.
  • Each component 1 has a certain life, until it is 100% damaged. If the component 1, for example a turbine blade or an inner housing 334, is inspected at a time t s and, if necessary, worked up again, a certain percentage of the damage is achieved. The time course of the damage of the component 1 is indicated by the reference numeral 22. After the service time t s , the damage curve would continue without reprocessing using the dashed line 25. The remaining operating time would be relatively short.
  • the service life of the component 1 is considerably extended.
  • the thermal barrier coating 7 the heat input and the damage of components is reduced, so that the life course of the curve 28 continues.
  • This course of the curve is significantly flattened compared to the curve 25, so that such a coated component 1 can be used at least once as long.
  • the thermal barrier coating 7 can advantageously be applied to non-repairable components 1 or housing parts.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (58) einer Dampfturbine mit einer Wärmdämmschicht (7), um das Verformungsverhalten aufgrund unterschiedlicher Erwärmungen des Bauteils (58) zu vergleichmäßigen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Wärmdämmschicht nach Anspruch 1 und eine Dampfturbine nach Anspruch 37.
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.
Aus der DE 195 35 227 A1 ist bekannt, eine Wärmedämmschicht in einer Dampfturbine vorzusehen, um Werkstoffe mit schlechteren mechanischen Eigenschaften, die aber kostengünstiger sind, für das Substrat, auf das die Wärmedämmschicht aufgebracht wird, verwenden zu können.
Die Wärmedämmschicht ist im kälteren Bereich eines Dampfeinströmbereichs aufgebracht.
Wärmedämmschichten erlauben es, Bauteile bei höheren Temperaturen einzusetzen, als es der Grundwerkstoff allein zulässt, oder die Einsatzdauer zu verlängern.
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.
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.
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).
Bei anderen Komponenten einer Dampfturbine (z. B. Ventil-Gehäusen) wirken sich unzulässige viskoplastische Verformungen nachteilig auf deren Funktion aus (z. B. Dichtheit des Ventils) .
Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Probleme zu überwinden.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung einer Wärmedämmschicht für ein Bauteil, insbesondere für eine Dampfturbine gemäss Anspruch 1.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Dampfturbine gemäss Anspruch 37, 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.
Die Wärmedämmschicht dient nicht notwendigerweise nur dem Zweck, den Bereich der Einsatztemperaturen nach oben zu verschieben, sondern auch dazu, das Verformungsverhalten gezielt positiv zu beeinflussen durch
  • 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 Thermospannungen infolge von Temperaturunterschieden im Bauteil entstehen.
    • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauteils aufgelistet.
    Die in den Unteransprüchen aufgelisteten Maßnahmen können in vorteilhafter Art und Weise miteinander verknüpft werden.
    Vorteilhaft wirkt sich die kontrollierte Beeinflussung des Verformungsverhaltens bei einem Radialspalt zwischen Turbinen-Rotor und Turbinenstator aus. Turbinenschaufel und einem Gehäuse auf, indem dieser Radialspalt minimiert wird. Eine Minimierung des Radialspalts führt zur Erhöhung des Wirkungsgrads der Turbine.
    Ebenso werden vorteilhafterweise durch das kontrollierte Verformungsverhalten Axialspalte in einer Dampfturbine, insbesondere zwischen Rotor und Gehäuse, kontrolliert eingestellt und minimiert.
    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 Leitschaufelspitze und Welle, im Betrieb (höhere Temperaturen als Raumtemperatur) 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.
    Die Wärmedämmschicht kann vorteilhafterweise bei neuhergestellten, gebrauchten (d.h. es ist keine Reparatur notwendig) und wiederaufgearbeiteten Bauteilen verwendet werden.
    Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt.
    Es zeigen
    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,
    Figur 8
    eine Dampfturbine und
    Figur 10,11,12,13,14, 15, 16, 17,
    weitere Verwendungsbeispiele einer Wärmedämmschicht,
    Figur 18
    den Einfluss einer Wärmedämmschicht auf die Lebensdauer eines wieder aufgearbeiteten Bauteils.
    Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Bauteils 1.
    Das Bauteil 1 ist ein Bauteil, insbesondere ein Einströmbereich 333 einer Turbine (Gas, Dampf), insbesondere einer Dampfturbine 300, 303 (Fig. 8) und besteht aus einem Substrat 4 (z.B. Tragstruktur, Gehäuseteil) 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 Beschichtungsverfahren wie atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), Vakuumplasmaspritzen (VPS), Niedrigdruckplasmaspritzen (LPPS), sowie durch chemische oder physikalische Beschichtungsmethoden (CVD, PVD) aufgebracht werden.
    Figur 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäß ausgebildeten Bauteils 1.
    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 Anbindung der Wärmedämmschicht an das Substrat 4. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Wärmedämmschicht aus Keramik und das Substrat 4 aus einem Metall besteht.
    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 her stellungsbedingte 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.
    Die Zusammensetzung der Zwischenschutzschicht 7 auf Eisenbasis 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 mismatch), der ein Abplatzen der Zwischenschutzschicht 10 verursachen könnte.
    Dies ist besonders wichtig, da bei ferritischen Werkstoffen oft keine Wärmebehandlung zur Diffusionsanbindung durchgeführt wird, sondern die Schutzschicht 7 größtenteils oder nur durch Adhäsion auf dem Substrat 4 haftet.
    Insbesondere ist das Substrat 4 dann eine ferritische Basislegierung, ein Stahl oder eine Nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung, insbesondere ein 1%CrMoV-Stahl oder ein 10 bis 12prozentiger Chromstahl.
    Weitere vorteilhafte ferritische Substrate 4 des Schichtsystems 1 bestehen aus einem
  • 1% bis 2%Cr Stahl für Wellen (309, Fig. 4):
    wie z.B. 30CrMoNiV5-11 oder 23CrMoNiWV8-8,
  • 1% bis 2%Cr Stahl für Gehäuse (beispielsweise 333, Fig. 4):
    G17CrMoV5-10 oder G17CrMo9-10,
  • 10% Cr-Stahl für Wellen(309, Fig. 4):
    X12CrMoWVNbN10-1-1,
  • 10% Cr-Stahl für Gehäuse (beispielsweise 333, Fig. 4):
    GX12CrMoWVNbN10-1-1 oder GX12CrMoVNbN9-1.
    • Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß ausgebildeten Bauteils 1.
    Auf der Wärmdämmschicht 7 bildet nun eine Erosionsschutzschicht 13 die äußere Oberfläche.
    Sie besteht insbesondere aus einem Metall oder einer Metalllegierung und schützt das Bauteil vor Erosion und/oder Verschleiß, 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.
    Für eine möglichst gute Wirkungsweise der Wärmedämmschicht weist die Wärmedämmschicht eine gewisse offene und/oder geschlossene Porosität auf.
    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%, Al 5%).
    Insbesondere kann eine metallische Erosionsschutzschicht 13 bei Dampfturbinen 300, 303 eingesetzt werden, da die Einsatztemperaturen in Dampfturbinen beim 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.
    Metallische Erosionsschutzschichten 13 in Gasturbinen auf einer keramischen Wärmedämmschicht 7 sind dort nicht überall möglich, da metallische Erosionsschutzschichten 13 als äußere Schicht die maximalen Einzeltemperaturen von bis zu 1350°C nicht aushalten können.
    Keramische Erosionsschutzschichten 13 sind ebenso denkbar.
    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.
    Ebenso kann im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel gemäss Figur 3 noch eine Zwischenschutzschicht 10 vorhanden sein (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 ρ 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.
    In Figur 6 verläuft der Gradient in der Dichte ρ der Wärmedämmschicht 7 entgegengesetzt wie in der Figur 5 gezeigt (Richtung Pfeil).
    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 zwei verschiedene Temperaturen, eine höhere Temperatur Tmax und eine niedrigere Temperatur Tmin, wodurch ein Temperaturunterschied dT(4) gegeben ist.
    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.
    Hingegen ist bei der Figur 7b auf dem Substrat 4 eine Wärmedämmschicht 7 vorhanden, wobei das Substrat 4 und die Wärmedämmschicht 7 zusammen beispielsweise genauso dick sind wie das Substrat 4 in Figur 7a.
    Die Wärmedämmschicht 7 reduziert die maximale Temperatur an der Oberfläche des Substrats 4 überproportional auf eine Temperatur 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 - Tmin) 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.
    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 Hochdruck-Teilturbine 300 ist beispielsweise in Topfbauart ausgeführt. Die Mitteldruck-Teilturbine 303 ist zweiflutig ausgeführt. Es ist ebenfalls möglich, dass die Mitteldruck-Teilturbine 303 einflutig ausgeführt ist. 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 Mitteldruck-Teilturbine 303 durch zwei weitere Wellendichtungen 345 abgedichtet. 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 Laufschaufeln einen ersten Beschaufelungsbereich 360 dar. Die Mitteldruck-Teilturbine 303 weist einen zentralen Dampfeinströmbereich 333 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 Beschaufelungsbereich 366, 367 mit den Mitteldruck-Laufschaufeln 354, 342 auf. Der durch den zweiten Beschaufelungsbereich 366 strömende heiße Dampf strömt aus der Mitteldruck-Teilturbine 303 aus einem Abströmstutzen 369 zu einer strömungstechnisch nachgeschalteten, nicht dargestellten Niederdruck-Teilturbine.
    Die Turbinenwelle 309 ist aus zwei Teilturbinenwellen 309a und 309b zusammengesetzt, die im Bereich des Lagers 318 fest miteinander verbunden sind.
    Insbesondere weist der Dampfeinströmbereich 333 jeglichen Dampfturbinentyps eine Wärmedämmschicht 7 und/oder eine Erosionsschutzschicht 13 auf.
    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 (Fig. 16, 17).
    Ebenso kann ein axialer Spalt 378 (parallel zur Achse 306) durch das kontrollierte Verformungsverhalten von Beschaufelung des Rotors und Gehäuse minimiert werden.
    Die folgenden Beschreibungen der Verwendung der Wärmedämmschicht 7 beziehen sich nur exemplarisch auf Bauteile 1 einer Dampfturbine 300, 303.
    Figur 9 zeigt die Auswirkung von lokal unterschiedlichen Temperaturen auf das Ausdehnungsverhalten eines Bauteils.
    Figur 9a zeigt ein Bauteil 1, das sich durch eine Temperaturerhöhung (dT) ausdehnt (dl).
    Die thermische Längenausdehnung dl ist gestrichelt angedeutet.
    Eine Halterung, Lagerung oder eine Fixierung des Bauteils 1 lässt diese Ausdehnung zu.
    Figur 9b zeigt ebenfalls ein Bauteil 1, das sich aufgrund einer Temperaturerhöhung ausdehnt.
    Jedoch sind die Temperaturen in verschiedenen Bereichen des Bauteils 1 unterschiedlich. So ist beispielsweise in einem mittleren Bereich, beispielsweise dem Einströmbereich 333 die Temperatur T333 größer als die Temperatur T366 des sich anschließenden Beschaufelungsbereichs 366 und größer als in einem weiteren, sich anschließenden Gehäuseteil 367 (T367). Angedeutet ist durch die gestrichelten Linien mit dem Bezugszeichen 333gleich die thermische Ausdehnung des Einströmbereichs 333, wenn alle Bereiche 333, 366, 367 eine gleichmäßige Temperaturerhöhung erfahren würden.
    Da jedoch die Temperatur im Einströmbereich 333 größer als in den umliegenden Bereichen 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 Beschaufelungsbereich 366 und einem weiteren Bereich 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.
    Figur 10 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs 333, 366 der Dampfturbine 300, 303.
    Die Dampfturbine 300, 303 besteht in der Umgebung des Einströmbereichs 333 aus einem äußeren Gehäuse 334, an dem Temperaturen beispielsweise zwischen 250° 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. Auf das Innengehäuse 335 auf der Innenseite 336 wird die Wärmedämmschicht 7 aufgebracht.
    Auf die Außenseite 337 wird beispielsweise keine Wärmedämmschicht 7 aufgebracht.
    Durch die Aufbringung einer Wärmedämmschicht 7 wird der Wärmeeintrag in das Innengehäuses 335 verringert, so dass das thermische Ausdehnungsverhalten des Einströmbereichs 333 und das gesamte Verformungsverhalten der Bereiche 333, 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 Bauteil oder von Bauteilen 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 Innengehäuses 335 (Fig. 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).
    Figur 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Verwendung einer Wärmedämmschicht 7.
    Hier ist die Dicke der Wärmedämmschicht 7 im Einströmbereich 333 beispielsweise mindestens 50% dicker ausgeführt als im Beschaufelungsbereich 366 der Dampfturbine 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 Einströmbereich 333 und dem Beschaufelungsbereich 366, kontrolliert eingestellt und (über die axiale Länge) vergleichmäßigt werden.
    Ebenso kann im Bereich des Einströmbereichs 333 ein anderes Material vorhanden sein als im Beschaufelungsbereich 366.
    Figur 13 zeigt verschiedene Materialien der Wärmedämmschicht 7 in verschiedenen Bereichen 333, 366 des Bauteils 1.
    In beiden Bereichen 333, 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 Beschaufelungsbereich 366 aus einem zweiten Wärmedämmschichtmaterial.
    Durch das unterschiedliche Material für die Wärmedämmschichten 8, 9 wird eine unterschiedliche Wärmedämmung erreicht, wodurch das Verformungsverhalten der Bereiche 333 und 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.
    Figur 14 zeigt ein Bauteil 1, 300, 303 bei dem in verschiedenen Bereichen 333, 366 unterschiedliche Porositäten von 20 bis 30% vorhanden sind.
    So weist beispielsweise der Einströmbereich 333 mit der Wärmedämmschicht 8 eine höhere Porosität auf als die Wärmedämmschicht 9 des Beschaufelungsbereichs 366, wodurch im Einströmbereich 333 eine höhere Wärmedämmung erzielt wird als durch die Wärmedämmschicht 9 im Beschaufelungsbereich 366. Die Dicke und das Material der Wärmedämmschichten 8, 9 kann ebenfalls unterschiedlich sein.
    Somit wird durch die Porosität die Wärmedämmung einer Wärmedämmschicht 7 eingestellt, wodurch das Verformungsverhalten von verschiedenen Bereichen 333, 366 eines Bauteils 1 eingestellt werden kann.
    Ebenso kann auf den Wärmedämmschichten 8, 9 eine Erosionsschutzschicht 13 vorhanden sein.
    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.
    Figur 15 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel für die Verwendung einer Wärmedämmschicht 7.
    Das Bauteil 1, insbesondere ein Gehäuseteil, ist hier ein Ventilgehäuse 31, in das durch einen Einströmkanal 46 ein heißer Dampf einströmt.
    Der Einströmkanal 46 bewirkt eine mechanische Schwächung des Ventilgehäuses.
    Das Ventilgehäuse 31 besteht beispielsweise aus einem topfförmigen Gehäuseteil 34 und einem Deckel 37.
    Innerhalb des Gehäuseteils 31 ist ein Ventil, bestehend aus einem Ventilkegel 40 und einer Spindel 43 vorhanden.
    Infolge Bauteil-Kriechens kommt es zu einem ungleichförmigen axialen Verformungsverhalten des Gehäuses 31 und des Deckels 37. Das Ventilgehäuse 31 würde sich, wie gestrichelt angedeutet, im Bereich des Kanals 46 axial stärker ausdehnen, so dass es zu einer Verkippung des Deckels mit der Spindel 43 kommt. Dadurch sitzt der Ventilkegel 34 nicht mehr richtig auf, so dass die Dichtheit des Ventils reduziert wird.
    Durch die Aufbringung einer Wärmedämmschicht 7 auf eine Innenseite 49 des Gehäuses 31 wird eine Vergleichmäßigung des Verformungsverhaltens erreicht, so dass sich beide Enden 52, 55 des Gehäuses 31 und des Deckels 37 gleichmäßig ausdehnen.
    Insgesamt dient das Aufbringen der Wärmedämmschicht dazu, das Verformungsverhalten zu kontrollieren und damit die Dichtheit des Ventils zu gewährleisten.
    Figur 16 zeigt einen Stator 58, beispielsweise ein Gehäuse 335, 366 einer Turbine 300, 303 und ein rotierendes Bauteil 61 (Rotor), insbesondere eine Turbinenschaufel 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.
    In Figur 17 ist auf den Stator (nicht rotierendes Bauteil) 58 eine Wärmedämmschicht 7 aufgebracht.
    Die Wärmedämmschicht 7 bewirkt eine größere thermische Trägheit des Stators 58 oder des Bauteils (335), das sich stärker oder schneller erwärmt.
    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.
    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.
    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.
    Die Temperaturunterschiede und damit einhergehende Spaltänderungen 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 wiederaufgearbeitetes Bauteil.
    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.
    Jedes Bauteil 1 hat eine bestimmte Lebensdauer, bis es zu 100% geschädigt ist.
    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 Schädigung 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 wird der Wärmeeintrag und die Schädigung von Bauteilen verringert, so dass der Lebensdauerverlauf anhand 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 vergleichmäßigen wodurch der Wirkungsgrad wie oben beschrieben durch die Einstellung der Radialspalte zwischen Rotor und Gehäuse sowie des Axialspaltes zwischen Rotor und Gehäuse erhöht wird.
    Daher kann die Wärmedämmschicht 7 vorteilhafterweise auch auf nicht zu reparierende Bauteile 1 oder Gehäuseteile aufgebracht werden.

    Claims (39)

    1. Verwendung einer Wärmedämmschicht (7) für eine Dampfturbine (300, 303),
      die aus Gehäuseteilen (34, 37, 334, 335, 366, 367) besteht,
      um ein unterschiedliches Verformungsverhalten der Bauteile (34, 37, 334, 335, 366, 367),
      insbesondere zwischen Raumtemperatur und Betriebstemperatur,
      zumindest teilweise,
      insbesondere ganz einander anzupassen,
      so dass eine Verringerung radialer und/oder axialer Spiele in der Vorrichtung (1, 31, 300, 303) erreicht wird.
    2. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (7) für ein Bauteil (34, 335) verwendet wird,
      das an ein anderes Bauteil (37, 334, 366, 367) angrenzt, und dass das Verformungsverhalten des Bauteils (34, 335) gegenüber dem angrenzenden Bauteil (37, 334, 366, 367) angepasst,
      insbesondere vergleichmäßigt wird.
    3. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 2,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (7) für einen Dampfeinströmbereich (333) einer Dampfturbine verwendet wird,
      der an zumindest einen Beschaufelungsbereich (366, 367) angrenzt, und
      dass das Verformungsverhalten des Dampfeinströmbereichs (333) dem Verformungsverhalten des angrenzenden Beschaufelungsbereichs (366, 367) angepasst wird.
    4. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (7) für ein Turbinengehäuse (334, 335, 366, 367) verwendet wird.
    5. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (7) für ein Ventilgehäuse (34) verwendet wird.
    6. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 5,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (7) für ein Gehäuseteil (34) eines Ventilgehäuses (31) verwendet wird,
      das an einen Deckel (37) des Ventilgehäuses (31) angrenzt, und
      dass das Verformungsverhalten des Gehäuseteils (34) an das Verformungsverhalten des angrenzenden Deckels (37) angeglichen wird.
    7. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (7) für eine Turbinenschaufel (342, 354, 357) verwendet wird.
    8. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 bis 7,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (7) für ein Bauteil (1, 34, 37, 335, 366, 367) verwendet wird,
      das (1) aus einem Substrat (4) und einer Wärmedämmschicht (7) besteht, und
      dass das Substrat (4) aus einer eisen-, nickel- oder kobaltbasierten Legierung besteht.
    9. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 8,
      die (7) zumindest teilweise, insbesondere ganz aus Zirkonoxid (ZrO2) besteht.
    10. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 9, die (7) zumindest teilweise, insbesondere ganz aus Titanoxid (TiO2) besteht.
    11. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 8, 9, oder 10,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (7) für ein Bauteil (1) verwendet wird,
      wobei unterhalb der Wärmedämmschicht (7) des Bauteils (1) eine Zwischenschutzschicht (10),
      insbesondere eine MCrAlX-Schicht, vorhanden ist,
      wobei M für zumindest ein Element der Gruppe Nickel, Kobalt und insbesondere Eisen steht
      sowie X Yttrium und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden ist.
    12. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (7) für ein Bauteil (1, 335, 366, 367) verwendet wird,
      das einer Temperaturdifferenz,
      insbesondere von mindestens 200°C,
      gegeben durch eine höhere Temperatur auf der einen Seite (336) des Bauteils (1, 335) und einer niedrigeren Temperatur auf der anderen Seite (337) des Bauteils (1, 335), ausgesetzt ist,
      wobei die Wärmedämmschicht (7) auf der Seite (336) des Bauteils (1) mit der höheren Temperatur aufgebracht ist.
    13. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 12,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die höhere Temperatur mindestens 450°C, insbesondere bis zu 800°C beträgt.
    14. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 11,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die für die Zwischenschutzschicht (10) ein Material bestehend aus
      11,5 wt% - 20 wt%, insbesondere 12,5 wt% - 14 wt% Chrom,
      0,3 wt% - 1,5 wt%, insbesondere 0,5 wt% - 1 wt% Silizium,
      0,0 wt% - 1,0 wt%, insbesondere 0,1 wt% - 0,5 wt% Aluminium
      sowie Rest Eisen verwendet wird.
    15. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 9, 10 oder 11,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (7) für ein Bauteil (1) verwendet wird,
      wobei auf der Wärmedämmschicht (7) eine Erosionsschutzschicht (13),
      insbesondere eine metallische Erosionsschutzschicht (13) vorhanden ist.
    16. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 15,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      als Erosionsschutzschicht (13) eine eisen-, nickel-, chrom- oder kobaltbasierte Legierung,
      insbesondere NiCr 80/20, verwendet wird.
    17. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 15 oder 16,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      eine Erosionsschutzschicht (13) verwendet wird,
      die eine geringere Porosität als die Wärmedämmschicht (7) aufweist.
    18. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 9, 10 oder 15,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      eine Wärmedämmschicht (7) verwendet wird,
      die porös ist.
    19. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 17 oder 18,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      eine Wärmedämmschicht (7) verwendet wird,
      die einen Gradienten in der Porosität aufweist.
    20. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 19,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      eine Wärmedämmschicht (7) verwendet wird,
      deren Porosität in einem äußeren Bereich der Wärmedämmschicht (7) am größten ist.
    21. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 19,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      eine Wärmedämmschicht (7) verwendet wird,
      deren Porosität im äußeren Bereich der Wärmedämmschicht (7) am kleinsten ist.
    22. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 2,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      eine Wärmedämmschicht (7) verwendet wird,
      deren Dicke lokal (335, 366, 367) verschieden ist.
    23. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 22,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      eine Wärmedämmschicht (7) verwendet wird,
      deren Material lokal (335, 366, 367) verschieden ist.
    24. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 22, oder 23,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (7) nur lokal in bestimmten Bereichen der Oberflächen von Bauteilen (1, 34, 37, 333, 334, 335, 366, 367) der Vorrichtung (1, 31, 300, 303) aufgebracht wird.
    25. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 24,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (7) nur im Dampfeinströmbereich (333) der Dampfturbine (300, 303) verwendet wird.
    26. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 22, 23 oder 24,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (7) im Einströmbereich (333) und im Beschaufelungsbereich (366) der Dampfturbine (300, 303) verwendet wird.
    27. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 24,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (7) nur lokal im Beschaufelungsbereich (366) verwendet wird.
    28. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 22,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Dicke der Wärmedämmschicht (7) im Einströmbereich (333) größer ist als im Beschaufelungsbereich (366).
    29. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (7) bei wieder aufzuarbeitenden Bauteilen (1) verwendet wird.
    30. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 9, 10 oder 12,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      durch die Verwendung der Wärmedämmschicht (7) die maximal zulässige Arbeitstemperatur in der Dampfturbine (300, 303) erhöht ist.
    31. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (7) für eine Vorrichtung (1, 333, 334, 335, 366) verwendet wird,
      ohne dass die maximale Arbeitstemperatur in der Dampfturbine (300, 303) erhöht wird.
    32. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach zumindest einem der Ansprüche 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, oder 31,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      durch die Verwendung der Wärmedämmschicht (7) das gesamte Verformungsverhalten von verschiedenen Bauteilen (1, 333, 334, 335, 366, 367) eingestellt wird,
      indem die Porosität oder die Dicke oder das Material der Wärmedämmschicht (7) lokal variiert werden.
    33. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      durch die Verwendung der Wärmedämmschicht (7) auf einem Gehäuseteil (366, 367) ein radiales Spiel zwischen einer Turbinenlaufschaufel (342, 354, 357) und einem Gehäuseteil (366, 367) durch das kontrollierte Verformungsverhalten eingestellt, insbesondere minimiert wird.
    34. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 oder 32,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      durch die Verwendung der Wärmedämmschicht (7) axiale Spiele zwischen einem Rotor mit Turbinenschaufeln (342, 354, 357) und einem Gehäuse (366) durch das kontrollierte Verformungsverhalten eingestellt, insbesondere minimiert werden.
    35. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 für die Verringerung radialer und/oder axialer Spiele für stationäre Zustände der Dampfturbine(300, 303).
    36. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, für die Verringerung radialer und/oder axialer Spiele für instationäre Zustände der Dampfturbine(300, 303).
    37. Dampfturbine,
      die zumindest zwei Gehäuseteile (335, 366, 367)aufweist, die eine Wärmedämmschicht (7) aufweisen,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (7) verschiedene Materialien und/oder verschiedene Dicken und/oder verschiedene Porositäten auf den verschiedenen Gehäuseteilen (335, 366, 367) aufweist.
    38. Dampfturbine nach Anspruch 37,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (7) im Einströmbereich (333,335) angeordnet ist.
    39. Dampfturbine nach Anspruch 37 bis 38,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Wärmedämmschicht (7) im Betrieb Temperaturen bis maximal 800°C, insbesondere bis 650°C ausgesetzt ist.
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