Verwendung einer Wärmedämmschicht für ein Gehäuse einer Dampfturbine und eine Dampfturbine
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Wärmdämmschicht nach Anspruch 1 oder 2 und eine Dampfturbine nach Anspruch 29.
Wärmedämmschichten, die auf Bauteilen aufgebracht werden, sind aus dem Bereich der Gasturbinen bekannt, wie sie z.B. in der EP 1 029 115 oder WO 00/25005 beschrieben sind.
Aus der DE 195 35 227 AI ist bekannt, eine Wärmedämmschicht in einer Dampfturbine vorzusehen, um Werkstoffe mit schlech- teren mechanischen Eigenschaften, die aber kostengünstiger sind, für das Substrat, auf das die Wärmedämmschicht aufgebracht wird, verwenden zu können.
Die Wärmedämmschicht ist im kälteren Bereich eines Dampfein- strömbereichs aufgebracht .
Die GB 1 556 274 offenbart eine Turbinenscheibe mit einer Wärmedämmschicht, um den Wärmeeintrag in die dünneren Bereiche der Turbinenscheibe zu verringern. Die US 4, 405,284 offenbart eine zweischichtige keramische äußere Schicht, um das Abschleifverhalten zu verbessern.
Die US 5,645,399 offenbart die lokale Aufbringung einer Wärmedämmschicht in eine Gasturbine, um die Axialspiele zu verringern. •
Die Patentschrift 723 476 offenbart ein Gehäuse, das zweiteilig ausgeführt ist und eine äußere keramische Schicht aufweist, die dick ausgeführt ist. Die Gehäuseteile des einen Gehäuses übereinander, aber nicht axial nebeneinander angeordnet .
Wärmedämmschichten erlauben es, Bauteile bei höheren Temperaturen einzusetzen, als es der Grundwerkstoff allein zulässt, oder die Einsatzdauer zu verlängern.
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 Gehäuse für eine Dampfturbine gemäß Anspruch 1 oder 2.
Die Aufgabe wird weiterhin' gelöst durch eine Dampfturbine gemäß Anspruch 29, die eine Wärmedämmschicht mit lokal unterschiedlichen Parametern (Materialien, Porosität, Dicke) aufweist. Lokal bedeutet örtlich voneinander abgegrenzte Bereiche der Oberflächen von einem oder mehreren Bauteilen einer Turbine .
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 Thermo- spannungen 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 Turbi- nen-Rotor und Turbinenstator aus, also Turbinenschaufel und einem Gehäuse auf, indem dieser Radialspalt minimiert wird.
Eine Minimierung des Radialspalts führt zur Erhöhung des Wirkungsgrads der Turbine.
Ebenso werden vorteilhafterweise durch das kontrollierte Ver- formungsverhalten 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 Leitschaufel- spitze und Welle, im Betrieb (höhere Temperaturen als Raum- temperatur) kleiner ist als bei der Montage (Raumtemperatur) . Eine Verringerung der instationären thermischen Verformung von Gehäusen und deren Angleichung an das Verformungsverhalten der zumeist thermisch trägeren Turbinenwelle bewirkt ebenfalls eine Reduzierung der vorzusehenden radialen Spiele. Durch die Aufbringung einer Wärmedämmschicht wird auch eine viskose Kriechverformung reduziert, und das Bauteil kann länger eingesetzt werden.
Die Wärmedämmschicht kann vorteilhafterweise bei neuherge- stellten, 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 Bauteils 1 für die erfindungsgemäße Verwendung.
Das Bauteil 1 ist ein Bauteil oder Gehäuse, insbesondere ein Gehäuse 335 eines Einströmbereichs 333 einer Turbine (Gas,
Dampf) , insbesondere einer Dampfturbine 300, 303 (Fig. 8) und besteht aus einem Substrat 4 (z.B. Tragstruktur) und einer darauf aufgebrachten Wärmedämmschicht 7. Die Wärmedämmschicht 7 ist insbesondere eine keramische Schicht, die beispielsweise aus Zirkonoxid (teilstabilisiert, vollstabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Magnesiumoxid) und/oder aus Titanoxid besteht, und ist beispielsweise dicker als 0.1 mm. So können Wärmedämmschichten 7, die zu 100% entweder aus Zirkonoxid oder Titanoxid bestehen, verwendet werden. Die keramische Schicht kann mittels bekannter BeSchichtungs- verfahren' wie atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) , Vakuumplasmaspritzen (VPS) , Niedrigdruckplasmaspritzen (LPPS) , sowie durch chemische oder physikalische Beschichtungsmet o- den (CVD, PVD) aufgebracht werden.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Bauteils 1 für die erfindungsgemäße Verwendung. Zwischen dem Substrat 4 und der Wärmedämmschicht 7 ist zumindest eine Zwischenschutzschicht 10 angeordnet.
Die Zwischenschutzschicht 10 dient zum Schutz vor Korrosion und/oder Oxidation des Substrats 4 und/oder zur besseren An- bindung der Wärmedämmschicht an das Substrat 4. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Wärmedämmschicht aus Keramik und das Substrat 4 aus einem Metall besteht.
Die Zwischenschutzschicht 10 zum Schutz eines Substrats 4 gegen Korrosion und Oxidation bei einer hohen Temperatur weist beispielsweise im wesentlichen folgende Elemente auf (Angabe der Anteile in Gewichtsprozent) : 11,5 bis 20,0 wt% Chrom, 0,3 bis 1,5 wt% Silizium, 0,0 bis 1,0 wt% Aluminium, 0,0 bis 0,7 wt% Yttrium und/oder zumindest ein äquivalentes Metall aus der Gruppe umfassend Scandium und die Elemente der Seltenen Erden, Rest Eisen, Kobalt und/oder Nickel sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen; insbesondere besteht die metallische Zwischenschutzschicht 10 aus 12,5 bis 14,0 wt% Chrom, 0,5 bis 1,0 wt% Silizium, 0,1 bis 0,5 wt% Aluminium, 0,0 bis 0,7 wt% Yttrium und/oder zumindest ein äquivalentes Metall aus der Gruppe umfassend Scandium und die Elemente der Seltenen Erden, Rest Eisen und/oder Kobalt und/oder Nickel sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen. Bevorzugt ist es, wenn der Rest nur Eisen ist.
Die Zusammensetzung der Zwischenschutzschicht 7 auf Eisenba- sis zeigt besonders gute Eigenschaften, so dass die Schutzschicht 7 hervorragend zur Aufbringung auf ferritischen Substraten 4 geeignet ist. Dabei können die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Substrat 4 und Zwischenschutzschicht 10 sehr gut aneinander angeglichen werden oder sogar gleich sein, so dass es zu keinem thermisch verursachten Spannungsaufbau zwischen Substrat 4 und Zwischenschutzschicht 10 kommt (thermal mis-
match) , der ein Abplatzen der Zwischenschütz chicht 10 verursachen könnte .
Dies ist besonders wichtig, da bei ferritischen Werkstoffen oft keine Wärmebehandlung zur Diffusionsanbindung durchge- führt wird, sondern die Schutzschicht 7 größtenteils oder nur durch Adhäsion auf dem Substrat 4 haftet.
Insbesondere ist das Substrat 4 dann eine ferritische Basislegierung, ein Stahl oder eine Nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung, insbesondere ein l%CrMoV-Stahl oder ein 10 bis 12prozentiger Chromstahl.
Weitere vorteilhafte ferritische Substrate 4 des Bauteils 1 bestehen aus einem
1% bis 2%Cr Stahl für Wellen (309, Fig. 4) : wie z.B. 30CrMoNiV5-ll oder 23CrMoNiWV8-8 ,
1% bis 2%Cr Stahl für Gehäuse (beispielsweise 335, Fig. 4) : G17CrMoV5-10 oder G17CrMo9-10,
10% Cr-Stahl für Wellen (309, Fig. 4) : XI2CrMoWVNbNl0-1-1 , 10% Cr-Stahl für Gehäuse (beispielsweise 335, Fig. 4.) : GX12CrMoWVNbN10-l-l oder GX12CrMoVNbN9-l .
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Bauteils 1 für die erfindungsgemäße Verwendung. Auf der Wärmdämmschicht 7 bildet nun eine ErosionsSchutzschicht 13 die äußere Oberfläche. Sie besteht insbesondere aus einem Metall oder einer Metall- legierung und schützt das Bauteil 1 vor Erosion und/oder Ver- schleiß, wie es insbesondere bei Dampfturbinen 300, 303 (Fig. 8) , die eine Verzunderung im Heißdampfbereich aufweisen, der Fall ist, wo mittlere Strömungsgeschwindigkeiten von etwa
50m/s (d.h. 20 - 100m/s) , und Drücke von bis zu 400 bar auftreten.
Für eine möglichst gute Wirkungsweise der Wärmedämmschicht 7 weist die Wärmedämmschicht 7 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%, AI 5%) . Insbesondere kann eine metallische Erosionsschutzschicht 13 bei Dampfturbinen 300, 303 eingesetzt werden, da die Einsatztemperaturen in Dampfturbinen 300, 303 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 Erosionsschützschichten 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 p der Wärmedämmschicht 7 zu (Richtung Pfeil) . Somit besteht zum Substrat 4 oder einer ggf. vorhandenen Zwischenschutzschicht 10 hin vorzugsweise eine größere Porosität als im Bereich einer äußeren Oberfläche oder der Kontaktfläche zu der Erosionsschutzschicht 13.
In Figur 6 verläuft der Gradient in der Dichte p der Wärme- dämmschicht 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 2wei verschiedene Temperaturen, eine höhere Temperatur Tmax
und eine niedrigere Temperatur Tmin, wodurch ein radialer 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 Wärme- dämmschicht 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 Tem- peratur T'max, obwohl die äußere Temperatur Tmax genauso hoch ist wie in Figur 7a. Dies ergibt sich nicht nur aus dem Abstand der Oberfläche des Substrats 4 zur äußeren Oberfläche der Wärmedämmschicht 7 mit der höheren Temperatur, sondern insbesondere durch die geringere thermische Leitfähigkeit der Wärmedämmschicht 7. Innerhalb der Wärmedämmschicht 7 ist ein sehr viel größerer Temperaturgradient vorhanden als im metallischen Substrat 4. Dadurch wird der Temperaturunterschied dT(4,7) (= T'max - Tmιn) kleiner als der Temperaturunterschied gemäß Figur 7a (dT(4) = dT(7) + dT(4,7) ) . Dadurch findet eine wesentlich geringere oder sogar im Vergleich zur Oberfläche mit der Temperatur Tmin eine kaum unterschiedliche thermische Ausdehnung des Substrats 4 statt, wie es gestrichelt angedeutet ist, so dass lokal unterschiedliche Ausdehnungen zumindest vergleichmäßigt werden. Häufig weisen die Wärmedämmschichten 7 auch einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Substrat 4 auf. Das Substrat 4 in Figur 7b kann auch genauso dick sein wie das in Figur 7a.
•In Figur 8 ist beispielhaft eine Dampfturbine 300, 303 mit einer sich entlang einer Rotationsachse 306 erstreckenden Turbinenwelle 309 dargestellt.
Die Dampfturbine weist eine Hochdruck-Teilturbine 300 und eine Mitteldruck-Teilturbine 303 mit jeweils einem Innengehäuse 312 und ein dieses umschließendes Außengehäuse 315 auf. Die Mitteldruck-Teilturbine 303 ist zweiflutig ausgeführt. Es ist ebenfalls möglich, dass die Mitteldruck-Teilturbine 303 einflutig ausgeführt ist.
Entlang der Rotationsachse 306 ist zwischen der Hochdruck- Teilturbine 300 und der Mitteldruck-Teilturbine 303 ein Lager 318 angeordnet, wobei die Turbinenwelle 309 in dem Lager 318 einen Lagerbereich 321 aufweist. Die Turbinenwelle 309 ist auf einem weiteren Lager 324 neben der Hochdruck-Teilturbine 300 aufgelagert. Im Bereich dieses Lagers 324 weist die Hochdruck-Teilturbine 300 eine Wellendichtung 345 auf. Die Turbinenwelle 309 ist gegenüber dem Außengehäuse 315 der Mittel- druck-Teilturbine 303 durch zwei weitere Wellendichtungen 345 abgedichtet .
Zwischen einem Hochdruck-Dampfeinströmbereich 348 und einem Dampfaustrittsbereich 351 weist die Turbinenwelle 309 in der Hochdruck-Teilturbine 300 die Hochdruck-Laufbeschaufelung 354, 357 auf. Diese Hochdruck-Laufbeschaufelung 354, 357 stellt mit- den zugehörigen, nicht näher dargestellten Lauf- schaufeln einen ersten Beschaufelungsbereich 360 dar. Die Mitteldruck-Teilturbine 303 weist einen zentralen Dampf- ' einströmbereich 333 mit dem Innengehäuse 335 und dem Außengehäuse 334 auf. Dem Dampfeinströmbereich 333 zugeordnet weist die Turbinenwelle 309 eine radialsymmetrische Wellenabschirmung 363, eine Abdeckplatte, einerseits zur Teilung des DampfStromes in die beiden Fluten der Mitteldruck-Teilturbine 303 sowie zur Verhinderung eines direkten Kontaktes des heißen Dampfes mit der Turbinenwelle 309 auf. Die Turbinenwelle
309 weist in der Mitteldruck-Teilturbine 303 einen zweiten Bereich in Gehäusen 366, 367 der Beschaufelungsbereiche mit den Mitteldruck-Laufschaufeln 354, 342 auf. Der durch den zweiten Beschaufelungsbereich strömende heiße Dampf strömt aus der Mitteldrück-Teilturbine 303 aus einem Abströmstutzen 369 zu einer strδmungstechnisch nachgeschalteten, nicht dargestellten Niederdruck-Teilturbine.
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 Ero- sionsschützSchicht 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 (Gehäuse) (Fig. 16, 17) . Ebenso kann ein axialer Spalt 378 (parallel zur Achse 306) durch das kontrollierte Verformungsverhalten von Beschaufe- lung des Rotors und Gehäuse minimiert werden.
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 axiale Ausdehnungsverhalten eines Bauteils. Figur 9a zeigt ein Bauteil 1, das sich durch eine Temperaturerhöhung (dT) ausdehnt (dl) .
Die thermische Längenausdehnung dl ist gestrichelt angedeutet.
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 mit dem Gehäuse 335 die Temperatur T333 größer als die Temperatur T366 des sich anschließenden Beschaufelungsbereichs (Gehäuse 366) und größer als in einem weiteren, sich anschließenden Gehäuse 367 (T3S7) . Angedeutet ist durch die gestrichelten Linien mit dem Bezugszeichen 333gieic_ι die thermische Ausdehnung des Einströmbereichs 333, wenn alle Bereiche oder Gehäuse 333, 366, 367 eine gleichmäßige Temperaturerhöhung erfahren würden. Da jedoch die Temperatur im Einströmbereich 333 größer als in den umliegenden Gehäusen 366 und 367 ist, dehnt sich der Einströmbereich 333 stärker aus als durch die gestrichelten Linien 333' angedeutet ist. Da der Einströmbereich 333 zwischen dem Gehäusen 366 und einem weiteren Gehäuse 367 angeordnet ist, kann sich der Einströmbereich 333 nicht frei ausdehnen, so dass es zu einem ungleichmäßigen Verformungsverhalten kommt . Durch die Aufbringung der Wärmedämmschicht 7 soll das Verformungsverhalten kontrolliert und/oder vergleichmäßigt werden.
Figur 10 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs 333 der Dampfturbine 300, 303. Die Dampfturbine 300, 303 besteht in der Umgebung des Einströmbereichs 333 aus einem äußeren Gehäuse 334, an dem Tem- peraturen beispielsweise zwischen 250°C bis 350°C anliegen und einem Innengehäuse 335, an dem Temperaturen beispielsweise von 450° bis 620°C, aber auch bis 800°C
herrschen, so dass beispielsweise Temperaturunterschiede größer 200°C vorliegen.
Auf das Innengehäuse 335 des Dampfeinströmbereichs 333 auf der Innenseite 336 wird die Wärmedämmschicht 7 aufgebracht. Auf die Außenseite 337 wird beispielsweise keine Wärmedämmschicht 7 aufgebracht .
Durch die Aufbringung einer Wärmedämmschicht 7 wird der Wärmeeintrag in das Innengehäuses 335 verringert, so dass das thermische Ausdehnungsverhalten des Gehäuses 335 des Einströmbereichs 333 und das gesamte Verformungsverhalten der Gehäuse 335, 366, 367 beeinflusst wird. Dadurch kann das gesamte Verformungsverhalten des Innengehäuses 334 oder des Außengehäuses 335 kontrolliert eingestellt und vergleichmäßigt werden. Die Einstellung des Verformungsverhaltens von einem Gehäuse oder von Gehäusen untereinander (Fig. 9b) kann erfolgen durch eine Variation der Dicke der Wärmedämmschicht 7 (Fig. 12) und/oder die Aufbringung von verschiedenen Materialien an verschiedenen Stellen der Oberfläche des Gehäuses, siehe beispielsweise Innengehäuse 335 in Figur 13. Ebenso kann die Porosität an verschiedenen Stellen des Innengehäuses 335 verschieden sein (Fig. 14) . Die Wärmedämmschicht 7 kann lokal begrenzt, beispielsweise nur im Innengehäuse 335 im Bereich des Einströmbereichs 333 aufgebracht sein. Ebenso kann die Wärmedämmschicht 7 nur im Beschaufelungsbereich 366 lokal aufgebracht sein (Fig. 11) .
Unter verschiedenen Gehäusen werden in der Anmeldung Gehäuse verstanden, die in axialer Richtung aneinander (335 an 336) angrenzen und nicht Gehäuseteile, die aus zwei Teilen (Oberhälfte und Unterhälfte) bestehen, wie z.B. dem zweiteiligen Gehäuse der DE-PS 723 476, das in radialer Richtung zweigeteilt ist.
Figur 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Verwendung einer Wärmedämmschicht 7.
Hier ist die Dicke der Wärmedämmschicht 7 im Einströmbereich 333 dicker, beispielsweise mindestens 50% dicker ausgeführt als im Gehäuse 366 des Beschaufelungsbereichs der Dampfturbine 300, 303.
Durch die Dicke der Wärmedämmschicht 7 wird der Wärmeeintrag und damit die thermische Ausdehnung und somit das Verformungsverhalten des Innengehäuses 334, bestehend aus dem Ein- Strömbereich 333 und dem Gehäuse 366 des Beschaufelungsbereichs, kontrolliert eingestellt und (über die axiale Länge) vergleichmäßigt werden.
Ebenso kann im Bereich des Einströmbereichs 333 ein anderes Material vorhanden sein als im Gehäuse 366 des Beschaufelungsbereichs .
Figur 13 zeigt verschiedene Materialien der Wärmedämmschicht 7 in verschiedenen Gehäuse 335, 366 des Bauteils 1. In den Bereichen bzw. den Gehäusen 335, 366 ist eine Wärmedämmschicht 7 aufgebracht . Jedoch besteht die Wärmedämmschicht 8 im Bereich des Einströmbereichs 333 aus einem ersten Wärmedämmschichtmaterial, hingegen besteht das Material der Wärmedämmschicht 9 im Gehäuse 366 des Beschaufelungsbereichs aus einem zweiten Wärmedämmschichtmaterial . Durch das unterschiedliche Material für die Wärmedämmschich- ten 8, 9 wird eine unterschiedliche Wärmedämmung erreicht, wodurch das Verformungsverhalten des Bereichs 333 und der Bereich des Gehäuses 366 eingestellt wird, insbesondere vergleichmäßigt wird. Eine höhere Wärmedämmung wird dort (333) eingestellt, wo höheren Temperaturen herrschen. Die Dicke und/oder die Porosität der Wärmedämmschichten 8 , 9 kann gleich sein.
Ebenso kann natürlich auf den Wärmedämmschichten 8, 9 eine Erosionsschutzschicht 13 angeordnet sein.
Figur 14 zeigt ein Bauteil 1, 300, 303, bei dem in verschiedenen Gehäusen 335, 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 Wärmedämm- Schicht 9 des Gehäuses des Beschaufelungsbereichs, wodurch im Einströmbereich 333 eine höhere Wärmedämmung erzielt wird als durch die Wärmedämmschicht 9 im Gehäuse 366 des Beschaufelungsbereichs . Die Dicke und das Material der Wärmedämmschichten 8, 9 kann ebenfalls unterschiedlich sein.
Somit wird bspw. durch die Porosität die Wärmedämmung einer Wärmedämmschicht 7 unterschiedlich eingestellt, wodurch das Verformungsverhalten von verschiedenen Bereichen/Gehäusen 333, 366 eines Bauteils 1 eingestellt werden kann.
Ebenso kann die oben beschriebene Wärmedämmschicht 7 in den von einem Dampferzeuger (bspw. Kessel) nachgeschalteten Rohrleitungen (z.B. Kanal 46, Fig. 15; Einströmbereich 351 Fig. 8) zum Transport des überhitzten Dampfes oder anderer Heißdampf führender Leitungen und Armaturen, wie z.B.- Bypassleitungen, Bypassventile oder Prozessdampfleitungen eines Kraftwerkes jeweils an deren Innenseiten aufgebracht werden.
Eine weitere vorteilhafte Anwendung ist die Beschichtung mit der Wärmedämmschicht 7 von dampfführenden Komponenten in Dampferzeugern (Kesseln) an der Seite, die dem jeweils heißeren Medium (Rauchgas oder überhitzter Dampf) ausgesetzt ist. Beispiele für derartige Komponenten sind Sammler oder Abschnitte eines Durchlaufkesseis, die nicht der Aufheizung
von Dampf dienen sollen bzw. die aus anderen Gründen vor dem Angriff heißer Medien geschützt werden sollen.
Weiterhin lässt sich durch die Wärmedämmschicht 7 auf der Außenseite eines Kessels, insbesondere eines Durchlaufkesseis, insbesondere eines Benson-Boilers, eine Isolierwirkung erzielen, die eine Reduzierung des Brennstoffverbrauchs zur Folge hat.
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, nämlich ein Ventilgehäuse 34 eines Ventils 31, in das durch einen Einstrδmkanal 46 ein heißer Dampf einströmt.
Der Einströmkanal 46 bewirkt eine mechanische Schwächung des Venti1gehäuses 34. Das Ventil 31 besteht beispielsweise aus einem topfförmigen Gehäuse 34 und einem Deckel oder Gehäuse 37. Innerhalb des Gehäuseteils 34 ist ein Ventilkolben, bestehend aus einem Ventilkegel 40 und einer Spindel 43 vorhanden. Infolge Bauteil-Kriechens kommt es zu einem ungleichförmigen axialen Verformungsverhalten des Gehäuses 40 und des Deckels 37. Das Ventilgehäuse 34 würde sich, wie gestrichelt angedeutet, im Bereich des Kanals 46 axial stärker ausdehnen, so dass es zu einer Verkippung des Deckels 37 mit der Spindel 43
kommt. Dadurch sitzt der Ventilkegel 34 nicht mehr richtig auf, so dass die Dichtheit des Ventils 31 reduziert wird. Durch die Aufbringung einer Wärmedämmschicht 7 auf eine Innenseite 49 des Gehäuses 34 wird eine Vergleichmäßigung des Verformungsverhaltens erreicht, so dass sich beide Enden 52, 55 des Gehäuses 34 und des Deckels 37 gleichmäßig ausdehnen.
Insgesamt dient das Aufbringen der Wärmedämmschicht dazu, das Verformungsverhalten zu kontrollieren und damit die 7 Dichtheit des Ventils 31 zu gewährleisten.
Figur 16 zeigt einen Stator 58, beispielsweise ein Gehäuse 335, 366, 367 einer Turbine 300, 303 und ein rotierendes Bau- teil 61 (Rotor) , insbesondere eine Turbinenschaufel 120, 130, 342, 354.
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.
Bei einem großen Rotor beträgt das radiale Spiel bei den dort verwendeten Einsatztemperaturen von 600K 3,0 bis 4,5 mm.
Bei kleineren Dampfturbinen, die Einsatztemperaturen von 50OK aufweisen, beträgt der radiale Spalt 2,0 bis 2,5 mm. In beiden Fällen kann durch eine Temperaturunterschiedsabsenkung von 50K eine Reduzierung dieses Spalts von 0,3 bis 0,5 bzw. bis 0,8 mm erreicht werden.
Dadurch kann weniger Dampf zwischen Gehäuse 58 und Turbinenschaufel 61 vorbeiströmen, so dass sich der Wirkungsgrad wieder erhöht .
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 Gehäuses 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.
Die Wärmedämmschicht 7 kann auch auf dem Rotor 61, also beispielsweise den Turbinenschaufeln 342, 354, 357 aufgebracht sein, um denselben Effekt zu erzielen. Das Abstands-Zeit-Diagramm zeigt, dass ein kleinerer Abstand d7 (d7 < di < ds) bei Raumtemperatur RT vorhanden ist, der nicht zum Anstreifen von Stator 58 und Rotor 61 führt.
Die Temperaturunterschiede und damit einhergehende Spaltän- derungen sind bedingt durch instationäre Zustände (Starten, Lastwechsel, Abfahren) der Dampfturbine 300, 303, wohingegen im stationären Betrieb keine Probleme mit Änderungen radialer Abstände bestehen.
Figur 18 zeigt den Einfluss der Aufbringung einer Wärmedämmschicht auf ein wiederauf earbeitetes Bauteil .
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 Schä- digung des Bauteils 1 ist mit dem Bezugszeichen 22 gekennzeichnet. Nach dem Servicezeitpunkt ts würde die Schädigungskurve ohne eine Wiederaufarbeitung anhand der gestrichelten Linie 25 weiter verlaufen. Die restliche Betriebsdauer wäre dadurch relativ kurz. Durch die Aufbringung einer Wärmedämmschicht 7 auf das vorgeschädigte oder mikrostrukturell veränderte Bauteil 1 wird die Einsatzdauer des Bauteils 1 erheblich verlängert. Durch die Wärmedämmschicht 7 werden der Wärmeeintrag und die Schädigung von Bauteilen verringert, so dass der Lebensdauerverlauf an- hand der Kurve 28 weiter verläuft. Dieser Verlauf der Kurve ist gegenüber dem Kurvenverlauf 25 deutlich abgeflacht, so dass ein solches beschichtetes Bauteil 1 mindestens noch mal so lang eingesetzt werden kann. Nicht in jedem Fall muss die Lebensdauer des Bauteils, das inspiziert worden ist, verlängert werden, sondern es kann auch allein beabsichtigt, sein, durch das erstmalige oder wiederholte Aufbringen der Wärmedämmschicht 7 das Verformungsverhalten von Gehäuseteilen zu kontrollieren und zu ver- gleichmäßigen wodurch der Wirkungsgrad wie oben beschrieben durch die Einstellung der Radialspalte zwischen Rotor und Ge-
häuse sowie des Axialspaltes zwischen Rotor und Gehäuse erhöht wird.
Daher kann die Wärmedämmschicht 7 vorteilhafterweise auch auf nicht zu reparierende Bauteile 1 oder Gehäuseteile aufge- bracht werden.