WO2014108199A1 - Verfahren zur herstellung von gasturbinen und verfahren zum betreiben von gasturbinenanlagen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von gasturbinen und verfahren zum betreiben von gasturbinenanlagen Download PDF

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WO2014108199A1
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Axel Kaiser
Werner Stamm
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F05D2300/514—Porosity

Definitions

  • the invention relates to a method for the production of gas turbines, which are designed to be flexible and methods for operating gas turbines.
  • Gas turbines can be operated during power generation in base load operation or in particular in peak load operation.
  • the object is achieved by a method for producing gas turbines according to claim 1 and a method according to claim 33.
  • the metallic adhesion promoter ⁇ layer and the ceramic layer are changed to it
  • a two-layer ceramic thermal barrier coating (13) is removed from the first turbine blades and / or
  • a single-layer thermal barrier coating ⁇ 1 '' is applied as a second ceramic thermal barrier coating on the second or new second turbine blades - in which the single-layer ceramic thermal barrier coating ⁇ 1 '') is produced with a porosity of 18% ⁇ 4%,
  • a thinner ceramic thermal barrier coating (7) replaces the first ceramic thermal barrier layer with a thicker ceramic thermal barrier coating (7 ', 13') as a second ceramic thermal barrier coating of the second or new two ⁇ th turbine blades
  • a thicker ceramic thermal barrier coating as the first Kerami ⁇ specific heat-insulating layer is replaced by a thinner Kerami ⁇ specific thermal insulation layer as a second ceramic thermal barrier layer of the second or the new second turbine blades, wherein the difference in thickness is at least -50 ⁇
  • the two-layer thermal barrier coating (13 ') with a lowermost ceramic layer ⁇ !' '') is produced with a porosity of 12% ⁇ 4% and with an outer ceramic layer (10 ') with a porosity of 18% ⁇ 4%,
  • the lower layer ⁇ ! '' ') of the two-layer thermal barrier coating (13) is made thinner, in particular at least 20% thinner than the upper layer (10'),
  • the lower layer ⁇ ! ''' has a thickness of 75ym the two-layer thermal barrier coating (13) to 150ym, more in particular, the total thickness of the two-layer Wär ⁇ medämm harsh (13) is 500ym to 800ym
  • Zirconium oxide is used for the ceramic thermal barrier coating (7 ', 7' ', 13') or the ceramic layers ⁇ ! '' ', 10'), and the monoclinic fraction of the powder to be sprayed under o,
  • the lower layer ⁇ 1 '' ') is sprayed without polymer and the upper layer (10') is sprayed with polymer
  • the average pore diameter (Dio) of the upper ceramic layer (10 ') is generated larger as the average pore diameter (d 7 ) of the lower ceramic layer ⁇ ! '''),
  • Ni nickel
  • the single-layer metallic protective layer contains the following elements
  • the single-layer metallic protective layer having the following composition (in% by weight):
  • Chromium content of the substrate and the chromium content of the outer metallic protective layer Chromium content of the substrate and the chromium content of the outer metallic protective layer
  • the metallic protective layers comprise an alloy MCrAlX
  • the outer protective layer comprises tantalum (Ta) or tantalum (Ta) and iron (Fe),
  • the lower NiCoCrAlY layer has the following composition ⁇ (% in wt .-):
  • the upper NiCoCrAlY layer has the following composition (in% by weight):
  • Figure 4 shows a pore distribution in a ceramic
  • FIG. 5 shows 8 exemplary embodiments of the invention
  • Figure 10 is a gas turbine. The description is only an exemplary embodiment of the invention ⁇ .
  • An interval of maintenance of gas turbines 100 ( Figure 6) is determined by detecting operating hours and starts, which are dependent on the mode of operation and certain factors. Maintenance must be carried out after reaching the hourly or start limit. If maintenance is required depending on the field of application of the gas turbine, or if the use requires an overhaul or another use beforehand, then the configuration of the gas turbine 100 is changed. Definition of terms:
  • First gas turbine has 1st turbine blade with 1st metallic protective layer.
  • Second gas turbine has turbine blades with metallic protective coating
  • First gas turbine has 1st turbine blade with 1st thermal insulation ⁇ layer.
  • Second gas turbine has turbine blades with ceramic thermal barrier coatings
  • a single-layer metallic protective layer, especially with the composition NiCoCrAlX is suitable for a "Daily Starter".
  • the change in the layer always means a change in the chemical composition, especially because a lower and upper metallic protective layer differ significantly in their composition, ie. at least one alloying element has an at least 15% Various ⁇ NEN portion.
  • Figure 5 shows a substrate 4 having a single-layer metalli ⁇ rule protective layer 16 is removed, and is changed for the production of second turbine acting ⁇ feln or new second turbine blades in its layer thickness 16 'of a first turbine blade.
  • the alloy of the original metallic protective layer 16 may be altered.
  • Figure 6 it is shown that a two-layer metallic protective layer 22 ', 22''from the first turbine blades is removed and a single-layer metal as a new second protective layer is applied ⁇ 22nd
  • the layer thickness of the single-layer metallic protective layer 22 may preferably correspond to that of the two metallic protective layers 22 ', 22 ". At least one alloy of one of the two metallic protective layers 22 ', 22 "may also correspond to the alloy of the single-layer layer 22 or may be entirely different from one another.
  • the layer thickness can change.
  • FIG. 8 shows that a single-layer metallic protective layer 16 is removed from a substrate 4 of first turbine blades and a two-layer metallic new protective second layer 24 ', 24 "is applied.
  • the layer thickness of the two-layer metallic protective layer 24 ', 24 " may preferably correspond to that of the original single-layer metallic protective layer 16.
  • the two alloys are the two-ply
  • the variation of the metallic protective layers according to FIGS. 5, 6, 7 and / or 8 can be varied with the variation of the ceramic protective layers according to FIGS. 1, 2 and 3.
  • a preferred metallic single-layer protective layer comprises:
  • composition having the following composition (in% by weight):
  • the single layer metallic protective layer comprises: 29% - 31% nickel (Ni),
  • a two-layer MCrAlX layer 24 ', 24'' is suitable for long-term operation (base loader).
  • a two-layer metallic protective layer 24 ', 24 "based on the NiCoCrAlX alloys it is preferable to use a tantalum or tantalum / iron-containing outer metallic protective layer.
  • An advantageous composition for the outer protective layer results from (in% by weight)
  • Ni NiCoCrAlX layer
  • the lower NiCoCrAlY layer has the following composition (in% by weight):
  • the turbine blades for the second gas turbine may be at the origin (same substrate) the first turbine blades of the first gas turbine or other gas turbines already in use, refurbished accordingly, and re-coating second turbine blades
  • the gas turbine 100 has a two-layer ceramic thermal barrier coating on the turbine blades 120, 130, to apply a single-layer TBC so that it can then be used in peak load mode (FIG. 2).
  • a ceramic layer is used with a uniform porosity.
  • the ceramic thermal barrier coating on the turbine blades 120, 130 preferential ⁇ as a high porosity of 18% ⁇ 4%.
  • Each ceramic sprayed layer is applied in coating layers.
  • Two-ply means, however, that a second layer differs from a first, lower layer due to porosity and / or microstructure and / or chemical composition.
  • the lower layer used is preferably a ceramic layer 7 with a porosity of 12% ⁇ 4%, which preferably has a layer thickness of 75 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • a porosity of 18% ⁇ 4% is sprayed or is present as outer ceramic layer 10.
  • the difference in porosity is at least 2%, especially at least 4%. Variations in the porosity in the production are known. Within a batch, i. of a blade set, there are no fluctuations.
  • a ceramic layer is also preferably 7 having a porosity of 12% ⁇ 4%, the preference ⁇ a layer thickness of 75ym having up 150ym.
  • a porosity of 18% ⁇ 4% is sprayed or is present as outer ceramic layer 10.
  • a ceramic layer is also preferably 7 having a porosity of 18% ⁇ 4%, the preference ⁇ a layer thickness of up to 75ym having 150ym.
  • coarse grains may be used in the spraying and polymer use or smaller grains may be used, wherein roughly means at least 20% larger average particle diameter.
  • a two-layer ceramic layer 7, 10 can be manufactured with Various ⁇ NEN Spraying: the lower layer 7 is without polymer and the upper layer 10 is injected ⁇ ver with polymer.
  • the same powder is used, so also a same particle size distribution.
  • Zirconium oxide (ZrÜ 2) for the ceramic layers of the thermal barrier ⁇ layers preferably has a monoclinic fraction of ⁇ 3%, in particular -S 1.5%. Corresponding portions then has a ceramic layer or layer 7, 7 ', 10, 13 (FIGS. 1-3) on the turbine blade 120, 130.
  • the minimum proportion of the monoclinic phase is at least 1%, in particular 0.5%, in order not to increase the cost of the powder too much.
  • FIG. 9 shows a perspective view of a rotor blade or guide vane 130 of a turbomachine that extends along a longitudinal axis 121.
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for electricity generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 to each other, a securing region 400, an adjoining blade or vane platform 403 and a blade 406 and a blade tip 415.
  • the vane 130 As a guide vane 130, the vane 130 having at its blade tip 415 have a further platform (not Darge ⁇ asserted).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is, for example, as a hammerhead out staltet ⁇ . Other designs as fir tree or Schissebwschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has for a medium which flows past the scene ⁇ felblatt 406 on a leading edge 409 and a trailing edge 412th
  • conventional blades 120, 130 in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130, for example, massive metallic materials, in particular superalloys, are used.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.
  • the blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • Such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt.
  • These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common parlance, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the whole workpiece be ⁇ is made of a single crystal.
  • a columnar grain structure columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common parlance, referred to as directionally solidified
  • a monocrystalline structure ie the whole workpiece be ⁇ is made of a single crystal.
  • directionally solidified microstructures refers both to single crystals which have no grain boundaries or at most small-angle grain boundaries, and to stem crystal structures which are likely to be found in longitudinal grooves. grain boundaries, but have no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. B. (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co),
  • Nickel (Ni) is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • the density is preferably 95% of the theoretical
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0, 6Y-0, 7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10A1-0, 4Y-1 are also preferably used , 5Re.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr0 2 , Y2Ü3-Zr02, ie it is not, partially ⁇ or fully stabilized by yttria
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • Suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • Other coating methods are conceivable, for example atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD.
  • APS atmospheric plasma spraying
  • LPPS LPPS
  • VPS VPS
  • CVD chemical vapor deposition
  • the heat insulation layer may have ⁇ porous, micro- or macro-cracked compatible grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the
  • Refurbishment means that components 120, 130 may have to be freed from protective layers after use (eg by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. Thereafter, a ⁇ As the coating of the component 120, 130, after entry set of the component 120, the 130th
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still have film cooling holes 418 (indicated by dashed lines).
  • FIG. 10 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has a rotatably mounted about a rotational axis 102 ⁇ rotor 103 having a shaft 101, which is also referred to as the turbine rotor.
  • an intake housing 104 a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings .
  • a row 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
  • air 135 is sucked by the compressor 105 through the intake housing and ver ⁇ seals.
  • the 105 ⁇ be compressed air provided at the turbine end of the compressor is supplied to the burners 107, where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120.
  • the working medium 113 expands on the rotor blades 120 in a pulse-transmitting manner, so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine connected to it ,
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the highest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • the components in particular for the turbine ⁇ blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110 are For example, iron-, nickel- or cobalt-based superalloys used.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.
  • the blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium.
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of Zr02, Y203-Zr02, ie it is not, partially or completely stabilized by Ytt ⁇ riumoxid and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the guide blade 130 has a guide blade root facing the inner housing 138 of the turbine 108 (not shown here) and a guide blade foot opposite
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.

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Abstract

Durch die Verwendung verschiedener keramischer Schichten können verschiedene Konfigurationen von Gasturbinen hergestellt werden, die dann optimiert sind für ein jeweiliges Einsatzgebiet von Grundlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb.

Description

Verfahren zur Herstellung von Gasturbinen und Verfahren zum Betreiben von Gasturbinenanlagen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gasturbinen, die flexibel ausgelegt werden und Verfahren zum Betreiben von Gasturbinen.
Gasturbinen können bei der Stromerzeugung im Grundlastbetrieb oder insbesondere im Spitzenlastbetrieb betrieben werden.
Die Anforderungen an die jeweiligen Bedingungen sind unterschiedlich . Eine optimierte Konfiguration der Gasturbine, die beide An¬ forderungen erfüllt, würde immer einen Kompromiss darstellen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung dieses Problem zu lösen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Gasturbinen gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 33.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön¬ nen, um weitere Vorteile zu erzielen:
Diese weiteren Vorteile werden erreicht, in dem - für die zweite Gasturbine nur die metallische Haftvermitt¬ lerschicht verändert wird
- für die zweite Gasturbine die metallische Haftvermittler¬ schicht und die keramische Schicht darauf verändert werden
- eine zweilagige keramische Wärmedämmschicht (13) von den ersten Turbinenschaufeln entfernt wird und/oder
eine einlagige Wärmedämmschicht {1 ' ' ) als zweite keramische Wärmedämmschicht auf die zweiten oder neuen zweiten Turbinenschaufeln aufgebracht wird - bei dem die einlagige keramische Wärmedämmschicht {1 ' ' ) mit einer Porosität von 18% ± 4% erzeugt wird,
- bei dem eine einlagige Wärmedämmschicht (7) von den ersten Turbinenschaufeln entfernt wird und/oder
eine zweilagige Wärmedämmschicht (13') als zweite keramische Wärmedämmschicht auf die zweiten oder neuen zweiten Turbinenschaufeln aufgebracht wird,
insbesondere eine nur zweilagige Wärmedämmschicht (13')
- bei dem die Porosität der zweiten keramischen Wärmedämmschicht (7', 7'', 13') der zweiten oder der neuen zweiten Turbinenschaufeln gegenüber der Porosität der Wärmedämmschicht der ersten Turbinenschaufeln erhöht wird,
- bei dem die Porosität der zweiten keramischen Wärmedämmschicht (7', 7'', 13) der zweiten oder der neuen zweiten Turbinenschaufeln gegenüber der Porosität der Wärmedämmschicht der ersten Turbinenschaufeln erniedrigt wird
- bei dem eine dünnere keramische Wärmedämmschicht (7) als erste keramische Wärmedämmschicht ersetzt wird durch eine dickere keramische Wärmedämmschicht (7', 13') als zweite keramische Wärmedämmschicht der zweiten oder der neuen zwei¬ ten Turbinenschaufeln,
wobei der Unterschied in der Dicke mindestens +50μη beträgt -
- eine dickere keramische Wärmedämmschicht als erste kerami¬ sche Wärmedämmschicht ersetzt wird durch eine dünnere kerami¬ sche Wärmedämmschicht als zweite keramische Wärmedämmschicht der zweiten oder der neuen zweiten Turbinenschaufeln, wobei der Unterschied in der Dicke mindestens -50μη beträgt,
- die zweilagige Wärmedämmschicht (13') mit einer untersten keramischen Lage {!''') mit einer Porosität von 12% ± 4% und mit einer äußeren keramischen Lage (10') mit einer Porosität von 18% ± 4% erzeugt wird,
wobei der absolute Unterschied in der Porosität der kerami¬ schen Lagen {!''', 10') mindestens 2%,
insbesondere 4% beträgt,
ganz insbesondere maximal 4% beträgt,
- die zweilagige Wärmedämmschicht (13) mit einer untersten keramischen Lage {!''') mit einer Porosität von 18% ± 4% und mit einer äußeren keramischen Lage (10') mit einer gleichen Porosität von 18% ± 4% erzeugt wird,
- eine zweilagige Wärmedämmschicht (13') mit einer untersten keramischen Lage {!''') mit einer Porosität von 18% ± 4% und mit einer äußeren keramischen Lage (10') mit einer Porosität von 25% ± 4% erzeugt wird,
wobei der absolute Unterschied in der Porosität der kerami¬ schen Schichten {!''', 10') mindestens 2%,
insbesondere 4% beträgt,
ganz insbesondere maximal 4% beträgt,
- die untere Lage {!''') der zweilagigen Wärmedämmschicht (13) dünner, insbesondere mindestens 20% dünner ausgeführt ist als die obere Lage (10'),
insbesondere bei dem die untere Lage {!''') der zweilagigen Wärmedämmschicht (13) eine Dicke von 75ym bis 150ym aufweist, ganz insbesondere die Gesamtschichtdicke der zweilagigen Wär¬ medämmschicht (13) 500ym bis 800ym beträgt
- für die untere keramische Lage {!''') teilstabilisiertes Zirkonoxid und
für die obere keramische Lage (10')
teilstabilisiertes Zirkonoxid verwendet wird
- Zirkonoxid für die keramische Wärmedämmschicht (7', 7'', 13') oder die keramischen Lagen {!''', 10') verwendet wird, und der monokline Anteil des zu verspritzenden Pulvers unter o ,
insbesondere unter 1,5% liegt,
ganz insbesondere mindestens 0,3% beträgt,
- der tetragonale Anteil in Zirkonoxid den größten Anteil aufweist,
insbesondere mindestens 60%,
ganz insbesondere mindestens 75%,
- durch eine Wärmebehandlung der monokline Anteil des Zirkon- oxids, insbesondere des zu verspritzendes Pulver um mindes¬ tens 50% reduziert wird,
insbesondere unter die Nachweisgrenze,
- die untere Lage {!''') ohne Polymer verspritzt wird und die obere Lage (10') mit Polymer verspritzt wird,
- der mittlere Porendurchmesser ( dio ) der oberen keramischen Lage (10') größer erzeugt wird als der mittlere Porendurchmesser (d7) der unteren keramischen Lage {!'''),
ganz insbesondere um mindestens 20μιη,
- das gleiche Pulver mit gleicher Zusammensetzung und glei- chen Korngrößenverteilung verwendet wird,
- für die untere keramische Lage {!''') ein anderes Material verwendet wird als für die obere keramische Lage (10')/ insbesondere Zirkonoxid für die untere Lage {!'''),
ganz insbesondere ein Pyrochlor für die obere Lage (10')/ - eine einlagige metallische Schicht durch eine zweilagige metallische Schicht ersetzt wird,
- eine zweilagige metallische Schicht durch eine einlagige metallische Schicht ersetzt wird, ,
- die chemische Zusammensetzung der metallischen Schutz- schicht verändert wird, aber nicht die Lagigkeit der metalli¬ schen Schutzschicht
- die einlagige metallische Schutzschicht aufweist
(in Gew. -%) :
29% - 31% Nickel (Ni) ,
27% - 29% Chrom (Cr) ,
7% - 8% Aluminium (AI),
0,5% - 0,7% Yttrium (Y) ,
0,3% - 0,7% Silizium (Si) ,
kein Rhenium (Re) ,
Rest Kobalt (Co) ,
- die einlagige metallische Schutzschicht folgende Elemente enthält
(Angaben in Gew.-%) :
24% - 26% Kobalt (Co),
16% - 18% Chrom (Cr)
9% - 12% Aluminium (AI)
0,1% - 0,7% Yttrium (Y) und/oder
zumindest ein äquivalentes Metall aus der Gruppe umfassend Scandium und die Elemente der Seltenen Erden,
optional 1,0% bis 2,0% Rhenium (Re)
Nickel,
insbesondere Rest Nickel,
- die einlagige metallische Schutzschicht folgende Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%):
Kobalt (Co) : 24% - 26%,
Chrom (Cr) : 12% - 14%,
Aluminium (AI ) : 10, 0% - 12, 0 % ,
Yttrium (Y) : 0,2% - 0,4% ,
insbesondere 0,3%,
Nickel ,
k3 mj. -LZZ^ j.9. c3.TZ1 < n
- der Chromgehalt bei einer zweilagigen metallischen Schutz- schicht für die untere metallische Schutzschicht zwischen dem
Chromgehalt des Substrats und dem Chromgehalt der äußeren metallischen Schutzschicht liegt,
insbesondere bei dem die metallischen Schutzschichten eine Legierung MCrAlX aufweisen,
- bei einer zweilagigen NiCoCrAlY-Schutzschicht die äußere Schutzschicht Tantal (Ta) oder Tantal (Ta) und Eisen (Fe) aufweist,
- die untere NiCoCrAlY-Schicht folgende Zusammensetzung auf¬ weist (in Gew.-%):
Kobalt (Co) : 24% - 26%,
Chrom (Cr) : 12% - 14%,
Aluminium (AI ) : 10,0% - 12,0%,
Yttrium (Y) : 0,2% - 0,4% , nsk)€5 om -t ^5 clä.ZLZS. i)65st€szit
bei dem die obere NiCoCrAlY-Schicht folgende Zusammensetzung aufweist (in Gew . -% ) :
Kobalt (Co) : 24% - 26%,
Chrom (Cr) : 23% - 25%,
Aluminium (AI ) : 9,5% - 11, 5% ,
Yttrium (Y) : 0,2% - 0,4%,
Figure imgf000006_0001
ZLZ χζι ί Ίζζ n- * Es zeigen:
Figur 1 - 3 Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 4 eine Porenverteilung in einer keramischer
Schicht,
Figur 5 8 Ausführungsbeispiele der Erfindung,
Figur 9 eine Turbinenschaufel und
Figur 10 eine Gasturbine. Die Beschreibung stellt nur ein Ausführungsbeispiel der Er¬ findung dar.
Ein Intervall der Wartung von Gasturbinen 100 (Fig. 6) wird bestimmt durch Erfassung der Betriebsstunden und Starts, die abhängig von der Betriebsweise und bestimmten Faktoren sind. Die Wartung ist jeweils nach Erreichen des Stunden- oder Startlimits durchzuführen. Ist nun je nach Einsatzgebiet der Gasturbine eine Wartung notwendig oder verlangt der Einsatz vorab eine Überholung bzw. einen anderen Einsatz, so wird die Konfiguration der Gasturbine 100 geändert. Begriffsdefinitionen:
Erste Gasturbine hat 1. Turbinenschaufel mit 1. metallischer Schutzschicht .
Zweite Gasturbine hat Turbinenschaufeln mit metallischer Schutzschicht
a) bei der die 1. Turbinenschaufeln (= zweite Turbinenschau¬ fel) und/oder
b) neue unverbrauchte Turbinenschaufeln (= neue zweite Turbi¬ nenschaufeln)
verwendet werden
und jeweils eine 2. metallische Schutzschicht deutlich unter¬ scheidbar von der 1. metallischen Schutzschicht aufweist. Ebenso gilt neben der Änderung der metallischen Schutzschicht die Begriffsdefinition, wenn zusätzlich die Wärmedämmschicht verändert wird.
Erste Gasturbine hat 1. Turbinenschaufel mit 1. Wärmedämm¬ schicht .
Zweite Gasturbine hat Turbinenschaufeln mit keramischen Wärmedämmschichten
a) bei denen die 1. Turbinenschaufeln (= zweite Turbinenschaufel) und/oder
b) neue unverbrauchte Turbinenschaufeln (= neue zweite Turbi¬ nenschaufeln)
verwendet werden
und jeweils eine 2. Wärmedämmschicht deutlich unterscheidbar von der 1. Wärmedämmschicht aufweisen.
Eine einlagige metallische Schutzschicht, insbesondere mit der Zusammensetzung NiCoCrAlX eignet sich für ein „Daily Starter" .
Die Veränderung der Lagigkeit bedeutet immer eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung, insbesondere schon deshalb, weil sich eine untere und obere metallische Schutzschicht in ihrer Zusammensetzung deutlich unterscheiden, d h. mindestens ein Legierungselement hat einen um mindestens 15% verschiede¬ nen Anteil.
Figur 5 zeigt ein Substrat 4 mit einer einlagigen metalli¬ schen Schutzschicht 16 einer ersten Turbinenschaufel, die entfernt wird und zur Herstellung von zweiten Turbinenschau¬ feln oder neuen zweiten Turbinenschaufeln in ihrer Schichtdicke 16' verändert wird.
Darüber hinaus kann, muss aber nicht, auch die Legierung der ursprünglichen metallischen Schutzschicht 16 verändert werden . In Figur 6 ist dargestellt, dass eine zweilagige metallische Schutzschicht 22', 22'' von ersten Turbinenschaufeln entfernt wird und eine einlagige metallische als neue zweite Schutz¬ schicht 22 aufgebracht wird.
Die Schichtdicke der einlagigen metallischen Schutzschicht 22 kann vorzugsweise der der zwei metallischen Schutzschichten 22', 22'' entsprechen. Auch zumindest eine Legierung einer der beiden metallischen Schutzschichten 22', 22' ' kann der Legierung der einlagigen Schicht 22 entsprechen oder gänzlich voneinander verschieden sein .
In Figur 7 ist dargestellt, dass eine einlagige metallische Schutzschicht 16 von einem Substrat 4 von ersten Turbinenschaufeln entfernt wird und ebenfalls durch eine einlagige metallische als neue zweite Schutzschicht 16''' ersetzt wird, wobei sich zumindest die chemische Zusammensetzung der Legie¬ rung, wie oben beschrieben, deutlich verändert hat.
Insbesondere kann sich auch die Schichtdicke ändern.
In Figur 8 ist dargestellt, dass eine einlagige metallische Schutzschicht 16 von einem Substrat 4 von ersten Turbinenschaufeln entfernt wird und eine zweilagige metallische als neue zweite Schutzschicht 24', 24'' aufgebracht wird.
Die Schichtdicke der zweilagigen metallischen Schutzschicht 24', 24'' kann vorzugsweise der der ursprünglichen einlagigen metallischen Schutzschicht 16 entsprechen.
Vorzugsweise sind die beiden Legierung der zweilagigen
Schichten 24', 24'' verschieden von der der einlagigen ur- sprünglichen metallischen Schutzschicht 16. Dies muss aber nicht sein, d.h. zumindest eine Legierung der zweilagigen Schutzschicht 24', 24'' kann der Legierung der einlagigen Schutzschicht 16 entsprechen. Die Variation der metallischen Schutzschichten gemäß der Figuren 5, 6, 7 und/oder 8 kann variiert werden mit der Variation der keramischen Schutzschichten gemäß der Figuren 1, 2 und 3.
Eine bevorzugte metallische einlagige Schutzschicht weist auf :
(in Gew.-%)
24% - 26% Kobalt,
16% - 18% Chrom,
9% - 11% Aluminium,
0,11% - 0,7% Yttrium
sowie optional 1,0% - 2,0% Rhenium und
Rest Nickel auf
oder
bei dem die einlagige metallische Schutzschicht
folgende Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%):
Kobalt (Co) : 24% - 26%,
Chrom (Cr) : 12% - 14%,
Aluminium (AI) : 10, 0% - 12,0%,
Yttrium (Y) : 0,2% - 0,4% ,
—L m < C' < in.cj- -r* d.(3- c5iTJI < < "t^ In. "t- oder
bei dem die einlagige metallische Schutzschicht aufweist: 29% - 31% Nickel (Ni) ,
27% - 29% Chrom (Cr) ,
7% - 8% Aluminium (AI),
0,5% - 0,7% Yttrium (Y) ,
0,3% - 0,7% Silizium (Si) ,
kein Rhenium (Re) ,
Rest Kobalt (Co) . Eine zweilagige MCrAlX-Schicht 24', 24'' eignet sich für den Langbetrieb (base loader) . Eine zweilagige metallische Schutzschicht 24', 24'' weist eine untere metallische Schutzschicht auf, insbesondere aus einer Legierung des Typs NiCoCrAlX, deren Chromgehalt vorzugsweise zwischen dem des Substrats und dem Chromgehalt der äußeren metallischen Schutzschicht liegt, wobei dann die
Unterschiede im Gehalt an Chrom (Cr) mindestens absolut gese¬ hen 2% betragen.
Für eine zweilagige metallische Schutzschicht 24', 24'' auf der Basis der NiCoCrAlX-Legierungen bietet sich vorzugsweise eine Tantal- oder Tantal/Eisenhaltige äußere metallische Schutzschicht an.
Ein vorteilhafte Zusammensetzung für die äußere Schutzschicht ergibt sich aus (in Gew.-%)
25% Kobalt (Co) ,
24% Chrom (Cr) ,
10,5% Aluminium (AI),
0,3% Yttrium (Y) ,
Rest Nickel (Ni)
sowie
vorzugsweise für eine untere Schicht
25% Kobalt (Co) ,
13% Chrom (Cr) ,
11% Aluminium (AI),
0,3% Yttrium (Y) ,
Rest Nickel (Ni) für die äußere NiCoCrAlX-Schicht (X=Y) .
Vorzugsweise ergibt sich folgende Kombination:
bei dem die untere NiCoCrAlY-Schicht folgende Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%) :
Kobalt (Co) : 24% - 26%,
Chrom (Cr) : 12% - 14%,
Aluminium (AI ) : 10, 0 % - 12, 0 % ,
Yttrium (Y) : 0,2% - 0,4% ,
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bei dem die obere INIiCöCJ-ΓΑ.1Y ScInicInt fo1gende Zusammensetzung au fwe i s t (in Gew . -% ) :
Kobalt (Co) : 24% - 26%,
Chrom (Cr) : 23 % - 2 5 % ,
Aluminium (AI ) : 9, 5 % - 11, 5% ,
Yttrium (Y) : 0,2% - 0,4%,
insbesondere 0,3%,
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ln sk) son CL^ES J-T ^5 d3..i 9.u. s t *5 t€5 In. t · Je nach Betriebsweise wird eine einlagige Schicht 16 durch eine zweilagige Schicht 24', 24'' auf der wieder aufgearbei¬ teten Schaufel aufgebracht oder eine zweilagige Schicht wird durch eine einlagige metallische Schutzschicht ersetzt. War vorher in dieser ersten Gasturbine eine einlagige Wärme¬ dämmschicht wie oben beschrieben im Betrieb vorhanden, so wird für den erneuten Einsatz im Grundlastbetrieb eine zwei¬ lagige (Fig. 3), eine dickere (Fig. 1) oder porösere kerami¬ sche Wärmedämmschicht für die Turbinenschaufeln 120, 130 ver- wendet.
Die Turbinenschaufeln für die zweite Gasturbine können im Ursprung (dasselbe Substrat) die ersten Turbinenschaufeln der ersten Gasturbine oder anderer Gasturbinen sein, die bereits im Einsatz waren, entsprechend aufgearbeitet wurden (Refur- bishment) und durch eine Wiederbeschichtung zweite Turbinenschaufeln ergeben oder
neue zweite Turbinenschaufeln sein, bei denen neu hergestellte (neu gegossene) , noch nicht verwendete Turbinenschau- fein
anders als die ersten Turbinenschaufeln der ersten Gasturbine beschichtet werden.
Ebenso ist es möglich, wenn die Gasturbine 100 im Grundlast- betrieb eine zweilagige keramische Wärmedämmschicht auf den Turbinenschaufeln 120, 130 aufgewiesen hat, eine einlagige TBC aufzubringen, so dass sie dann im Spitzenlastbetrieb (daily Starter) eingesetzt werden kann (Fig. 2) . Für den Spitzenlastbetrieb wird vorzugsweise nur eine ein¬ lagige keramische Schicht mit einer einheitlichen Porosität verwendet. Für den Spitzenlastbetrieb weist die keramische Wärmedämmschicht auf den Turbinenschaufeln 120, 130 vorzugs¬ weise eine hohe Porosität von 18% ± 4% auf.
Im Grundlastbetrieb (base loader) wird jedoch eine zweilagige Wärmedämmschicht 13 eingesetzt (Fig. 3).
Als Ausgangspulver für die keramischen Schichten 7', 7'',
1' ' ' , 10', 13' wird vorzugsweise agglomeriertes, gesintertes
Pulver verwendet. Jede keramische gespritzte Schicht wird in Beschichtungslagen aufgebracht. Zweilagigkeit bedeutet aber, dass sich eine zweite Lage durch Porosität und/oder Mikrostruktur und/oder chemische Zusammensetzung von einer ersten, untenliegenden Lage unterscheidet.
Als untere Lage wird vorzugsweise eine keramische Lage 7 mit einer Porosität von 12% ± 4% verwendet, die vorzugsweise eine Schichtdicke von 75ym bis 150ym aufweist.
Darüber wird als äußere keramische Lage 10 eine Porosität mit 18% ± 4% gespritzt bzw. ist vorhanden.
Der Unterschied in der Porosität beträgt jedoch mindestens 2%, insbesondere mindestens 4%. Schwankungen in der Porosität bei der Herstellung sind bekannt. Innerhalb einer Charge, d.h. eines Schaufelsatzes, sind keine Schwankungen zu ver- zeichnen.
Als untere Lage wird ebenso vorzugsweise eine keramische Lage 7 mit einer Porosität von 12% ± 4% verwendet, die vorzugs¬ weise eine Schichtdicke von 75ym bis 150ym aufweist.
Darüber wird als äußere keramische Lage 10 eine Porosität mit 18% ± 4% gespritzt bzw. ist vorhanden.
Der Unterschied in der Porosität beträgt jedoch mindestens 2%, insbesondere mindestens 4%. Schwankungen in der Porosität bei der Herstellung sind bekannt. Innerhalb einer Charge, d.h. eines Schaufelsatzes, sind keine Schwankungen zu ver¬ zeichnen . Als untere Lage wird ebenso vorzugsweise eine keramische Lage 7 mit einer Porosität von 18% ± 4% verwendet, die vorzugs¬ weise eine Schichtdicke von 75ym bis 150ym aufweist.
Darüber wird als äußere keramische Lage 10 eine Porosität mit 25% ± 4% gespritzt bzw. ist vorhanden.
Der Unterschied in der Porosität beträgt jedoch mindestens
2%, insbesondere mindestens 4%. Schwankungen in der Porosität bei der Herstellung sind bekannt. Innerhalb einer Charge, d.h. eines Schaufelsatzes, sind keine Schwankungen zu ver¬ zeichnen .
Um Porositäten in keramischen Schichten oder keramischen Lagen (Figuren 1 - 3) zu erzeugen, können beim Spritzen grobe Körner verwendet werden und Verwendung von Polymeren oder kleinere Körner mit Polymer verwendet werden, wobei grob einen mindestens 20% größeren mittleren Teilchendurchmesser bedeutet .
Eine zweilagige keramische Schicht 7, 10 kann mit verschiede¬ nen Spritzverfahren hergestellt werden: die untere Lage 7 wird ohne Polymer und die obere Lage 10 wird mit Polymer ver¬ spritzt .
Dadurch ergeben sich in der oberen Lage 10 größere Poren, d.h. der mittlere Porendurchmesser dio steigt gegenüber dem mittleren Porendurchmesser d7 der unteren Lage 7 (Fig. 4) an. Dies ist nicht zwangsläufig so. Eine höhere Porosität wird oft nur durch eine höhere Anzahl Poren der gleichen Porengröße erzielt.
Vorzugsweise wird das gleiche Pulver dabei verwendet, also auch eine gleiche Korngrößenverteilung.
Zirkonoxid (ZrÜ2) für die keramischen Lagen der Wärmedämm¬ schichten weist vorzugsweise einen monoklinen Anteil von < 3%, insbesondere -S 1,5% aufweist. Dementsprechende Anteile weist dann eine keramische Lage oder Schicht 7, 7', 10, 13 (Figuren 1 - 3) auf der Turbinenschaufel 120, 130 auf. Der Minimumanteil der monoklinen Phase beträgt mindestens 1%, insbesondere 0,5%, um die Kosten des Pulvers nicht zu stark zu erhöhen.
Durch die Veränderung der Konfiguration der ersten Wärmedämm- schicht 7', 7'', 13' wird quasi eine andere, zweite Gastur¬ bine hergestellt, die optimiert ist auf ihr Einsatzgebiet.
Die Figur 9 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschau- fei 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampf- turbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 auf¬ einander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufel¬ spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge¬ stellt) . Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) .
Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausge¬ staltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwal- benschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schau¬ felblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab¬ strömkante 412 auf. Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas¬ sive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen wer- den als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück be¬ steht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbil¬ den, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Rieh- tung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) .
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 AI bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zu- mindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) ,
Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) ) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI.
Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen
Dichte .
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Vorzugsweise weist die SchichtZusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10A1-0, 4Y-1, 5Re .
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y2Ü3-Zr02, d.h. sie ist nicht, teil¬ weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid
und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt. Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme¬ dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör¬ ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die
MCrAlX-Schicht .
Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschich- ten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie¬ derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Ein- satz des Bauteils 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeu- tet) auf.
Die Figur 10 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt .
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotations¬ achse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufel¬ ringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und ver¬ dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be¬ reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge- führt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 ent- spannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unter- liegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch be- lastet.
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin ( SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) .
Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinen¬ schaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superle- gierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI. Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y203-Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Ytt¬ riumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht darge- stellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden
Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren
zur Herstellung einer zweiten Gasturbine,
bei dem ausgehend von einer ersten Gasturbine von den ers¬ ten Turbinenschaufeln der ersten Gasturbine zumindest eine erste metallische Schutzschicht (16, 22', 22 ' ' ) entfernt wird und
eine neue zweite metallische Schutzschicht (16', 16''', 22, 24', 24'') zur Herstellung zweiter Turbinenschaufeln (7) auf die entschichteten ersten Turbinenschaufeln aufgebracht wird,
und/oder
auf neue zweite Turbinenschaufeln,
die erstmalig neu hergestellt wurden,
die neue zweite metallische Schutzschicht (16', 16''', 22, 24', 24'') aufgebracht wird,
die (16', 16''', 22, 24', 24'') sich von der ersten metallischen Schutzschicht (16, 22, 22'') deutlich unterschei¬ det,
wobei Unterscheidung zumindest bedeutet:
die Schichtdicke (16') ist unterschiedlich,
wobei der Unterschied in der reduzierten und vergrößerten
Schichtdicke mindestens 50μη beträgt,
und/oder
die Legierung der zweiten metallischen Schutzschicht
(16''') ist unterschiedlich,
wobei der relative Unterschied in zumindest einem Legie¬ rungselement mindestens 15% beträgt
und/oder
die die Lagigkeit der metallischen Schutzschicht ist unter¬ schiedlich,
insbesondere die Ein- oder Zweilagigkeit der metallischen Schutzschicht (22, 24', 24''),
und wobei die neuen zweiten und/oder die zweiten Turbinenschaufeln in die erste Gasturbine zur Herstellung der zweiten Gasturbine eingebaut werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem ausgehend von einer ersten Gasturbine von den ers- ten Turbinenschaufeln der ersten Gasturbine zumindest eine erste keramische Wärmedämmschicht (7, 13) entfernt wird und eine neue zweite keramische Wärmedämmschicht (7', 7'', 13') zur Herstellung zweiter Turbinenschaufeln (7) auf die entschichteten ersten Turbinenschaufeln aufgebracht wird, und/oder auf neue zweite Turbinenschaufeln,
die neu hergestellt wurden,
die neue zweite keramische Wärmedämmschicht (7', 7'', 13') aufgebracht wird,
die (7', 7'', 13') sich von der ersten keramischen Wärme- dämmschicht (7, 13) deutlich unterscheidet,
wobei Unterscheidung zumindest bedeutet:
die Schichtdicke ist unterschiedlich,
wobei der Unterschied in der reduzierten und vergrößerten Schichtdicke mindestens 50μη beträgt,
und/oder
die Porosität ist unterschiedlich,
wobei der absolute Unterschied in der verkleinerten oder vergrößerten Porosität mindestens 2% beträgt
und/oder
die die Lagigkeit ist unterschiedlich,
insbesondere die Ein- oder Zweilagigkeit der keramischen Wärmedämmschicht (7', 7'', 13')/
und wobei die neuen zweiten und/oder die zweiten Turbinenschaufeln in die erste Gasturbine zur Herstellung der zwei- ten Gasturbine eingebaut werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem für die zweite Gasturbine nur die metallische Haft- vermittlerschicht verändert wird.
4. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem für die zweite Gasturbine die metallische Haftver¬ mittlerschicht und die keramische Schicht darauf verändert werden .
5. Verfahren nach Anspruch 4,
bei dem eine zweilagige keramische Wärmedämmschicht (13) von den ersten Turbinenschaufeln entfernt wird und/oder eine einlagige Wärmedämmschicht {1 ' ' ) als zweite keramische Wärmedämmschicht auf die zweiten oder neuen zweiten Turbi¬ nenschaufeln aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
bei dem die einlagige keramische Wärmedämmschicht {1 ' ' ) mit einer Porosität von 18% ± 4% erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4,
bei dem eine einlagige Wärmedämmschicht (7) von den ersten Turbinenschaufeln entfernt wird und/oder
eine zweilagige Wärmedämmschicht (13') als zweite kerami¬ sche Wärmedämmschicht auf die zweiten oder neuen zweiten Turbinenschaufeln aufgebracht wird,
insbesondere eine nur zweilagige Wärmedämmschicht (13') .
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4, 5, 6 oder 7,
bei dem die Porosität der zweiten keramischen Wärmedämmschicht (7', 7'', 13') der zweiten oder der neuen zweiten Turbinenschaufeln gegenüber der Porosität der Wärmedämmschicht der ersten Turbinenschaufeln erhöht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4, 5, oder 7,
bei dem die Porosität der zweiten keramischen Wärmedämmschicht (7', 7'', 13) der zweiten oder der neuen zweiten Turbinenschaufeln gegenüber der Porosität der Wärmedämmschicht der ersten Turbinenschaufeln erniedrigt wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8,
bei dem eine dünnere keramische Wärmedämmschicht (7) als erste keramische Wärmedämmschicht ersetzt wird durch eine dickere keramische Wärmedämmschicht (7', 13') als zweite keramische Wärmedämmschicht der zweiten oder der neuen zweiten Turbinenschaufeln,
wobei der Unterschied in der Dicke mindestens +50μη be¬ trägt .
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9,
bei dem eine dickere keramische Wärmedämmschicht als erste keramische Wärmedämmschicht ersetzt wird durch eine dünnere keramische Wärmedämmschicht als zweite keramische Wärme- dämmschicht der zweiten oder der neuen zweiten Turbinenschaufeln,
wobei der Unterschied in der Dicke mindestens 50μη beträgt.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11,
bei dem die zweilagige Wärmedämmschicht (13') mit einer untersten keramischen Lage {!''') mit einer Porosität von 12% ± 4% und
mit einer äußeren keramischen Lage (10') mit einer Porosität von 18% ± 4% erzeugt wird,
wobei der absolute Unterschied in der Porosität der kerami¬ schen Lagen {!''', 10') mindestens 2%,
insbesondere 4% beträgt,
ganz insbesondere maximal 4% beträgt.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11,
bei dem die zweilagige Wärmedämmschicht (13) mit einer untersten keramischen Lage {!''') mit einer Porosität von 18% ± 4% und
mit einer äußeren keramischen Lage (10') mit einer gleichen Porosität von 18% ± 4% erzeugt wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11,
bei dem eine zweilagige Wärmedämmschicht (13') mit einer untersten keramischen Lage {!''') mit einer Porosität von 18% ± 4% und
mit einer äußeren keramischen Lage (10') mit einer Porosität von 25% ± 4% erzeugt wird,
wobei der absolute Unterschied in der Porosität der kerami¬ schen Schichten {!''', 10') mindestens 2%,
insbesondere 4% beträgt,
ganz insbesondere maximal 4% beträgt.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 14,
bei dem die untere Lage {!''') der zweilagigen Wärmedämm¬ schicht (13) dünner, insbesondere mindestens 20% dünner ausgeführt ist als die obere Lage (10'),
insbesondere bei dem die untere Lage {!''') der zweilagigen Wärmedämmschicht (13) eine Dicke von 75ym bis 150ym auf¬ weist,
ganz insbesondere die Gesamtschichtdicke der zweilagigen Wärmedämmschicht (13) 500ym bis 800ym beträgt.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 15,
bei dem für die untere keramische Lage {!''') teilstabili¬ siertes Zirkonoxid und
für die obere keramische Lage (10')
teilstabilisiertes Zirkonoxid verwendet wird.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 4 bis 16,
bei dem Zirkonoxid für die keramische Wärmedämmschicht (7', 7'', 13') oder die keramischen Lagen {!''', 10') verwendet wird,
und der monokline Anteil des zu verspritzenden Pulvers unter 3%,
insbesondere unter 1,5% liegt,
ganz insbesondere mindestens 0,3% beträgt.
18. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 16 oder 17,
bei dem der tetragonale Anteil in Zirkonoxid den größten Anteil aufweist,
insbesondere mindestens 60%,
ganz insbesondere mindestens 75%.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18,
bei dem durch eine Wärmebehandlung der monokline Anteil des Zirkonoxids, insbesondere des zu verspritzendes Pulver um mindestens 50% reduziert wird,
insbesondere unter die Nachweisgrenze.
20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7
19,
bei dem die untere Lage ( Ί ' ' ) ohne Polymer verspritzt und die obere Lage (10') mit Polymer verspritzt wird.
21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 20,
bei dem der mittlere Porendurchmesser ( di o ) der oberen keramischen Lage (10') größer erzeugt wird
als der mittlere Porendurchmesser (d7) der unteren keramischen Lage {!'''),
ganz insbesondere um mindestens 20μιη.
22. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 21,
bei dem das gleiche Pulver mit gleicher Zusammensetzung und gleichen Korngrößenverteilung verwendet wird.
23. Verfahren nach Anspruch 7 bis 21,
bei dem für die untere keramische Lage {!''') ein anderes Material verwendet wird als für die obere keramische Lage (10' ) ,
insbesondere Zirkonoxid für die untere Lage {!'''), ganz insbesondere ein Pyrochlor für die obere Lage (10') .
24. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23,
bei dem eine einlagige metallische Schicht (16) als erste metallische Schutzschicht durch eine zweilagige metallische Schicht (24', 24'') als neue zweite metallische Schutz¬ schicht ersetzt wird.
25. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23,
bei dem eine zweilagige metallische Schicht (22', 22'') als erste metallische Schutzschicht durch eine einlagige metal¬ lische Schicht (22) als neue zweite metallische Schutz¬ schicht ersetzt wird.
26. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 25,
bei dem die chemische Zusammensetzung der neuen zweiten metallischen Schutzschicht (16''') verändert wird,
insbesondere aber nicht die Lagigkeit der metallischen Schutzschicht .
27. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26,
bei dem die einlagige metallische Schutzschicht (22, 16',
16''') als neue zweite metallische Schutzschicht aufweist
(in Gew . -% ) :
29% - 31% Nickel (Ni) ,
27% - 29% Chrom (Cr) ,
7% - 8% Aluminium (AI),
0,5% - 0,7% Yttrium (Y) ,
0,3% - 0,7% Silizium (Si) ,
kein Rhenium (Re) ,
Rest Kobalt (Co) .
28. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26,
bei dem die einlagige metallische Schutzschicht (22, 16', 16''') als neue zweite metallische Schutzschicht folgende Elemente enthält
(Angaben in Gew.-%) :
24% - 26% Kobalt (Co),
16% - 18% Chrom (Cr)
9% - 12% Aluminium (AI)
0,1% - 0,7% Yttrium (Y) und/oder
zumindest ein äquivalentes Metall aus der Gruppe umfassend Scandium und die Elemente der Seltenen Erden,
optional 1,0% bis 2,0% Rhenium (Re)
Nickel,
insbesondere Rest Nickel.
29. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26,
bei dem die einlagige metallische Schutzschicht (22, 16',
16''') als neue zweite metallische Schutzschicht
folgende Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%):
Kobalt (Co) : 24% - 26%,
Chrom (Cr) : 12% - 14%,
Aluminium (AI) : 10,0% - 12,0%,
Yttrium (Y) : 0,2% - 0,4% ,
insbesondere 0,3%,
30. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26,
bei dem der Chromgehalt bei einer zweilagigen metallischen Schutzschicht (24', 24'') als neue zweite metallische Schutzschicht
für die untere metallische Schutzschicht (24') zwischen dem Chromgehalt des Substrats und dem Chromgehalt der äußeren metallischen Schutzschicht (24'') liegt,
insbesondere bei dem die metallischen Schutzschichten eine Legierung MCrAlX aufweisen.
31. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26,
bei dem bei einer zweilagigen NiCoCrAlY-Schutzschicht (24' 24'') die äußere Schutzschicht (24'') Tantal (Ta) oder Tan tal (Ta) und Eisen (Fe) aufweist.
32. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26,
bei dem als zweite metallische Schutzschicht die untere NiCoCrAlY-Schicht (24') folgende Zusammensetzung aufweist (in Gew . -% ) :
Kobalt (Co) : 24% - 26%,
Chrom (Cr) : 12% - 14%,
Aluminium (AI) : 10,0% - 12,0%,
Yttrium (Y) : 0,2% - 0,4% ,
INJ l _-1
in t)€5 o ri οΙζ5 -C dcinr3.u -l€5st€5Int
bei dem die obere NiCoCrAlY-Schicht (24'') folgende Zusam¬ mensetzung aufweist (in Gew . -% ) :
Kobalt (Co) : 24% - 26%,
Chrom (Cr) : 23% - 25%,
Aluminium (AI) : 9,5% - 11,5%,
Yttrium (Y) : 0,2% - 0,4%,
N l c k61
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n * t.n t. ·
33. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanlage, bei der die Art von metallischen und optional von kerami- sehen Schichten von Turbinenschaufeln der Gasturbine (100) verändert wird,
insbesondere gemäß Ansprüchen 1 bis 32.
34. Verfahren nach Anspruch 33,
bei dem tägliche Starts der Gasturbine erfolgen,
insbesondere bei der die Gasturbine nach Anspruch 25, 27, 28 oder 29 hergestellt wurde.
35. Verfahren nach Anspruch 33,
bei dem die Gasturbine mehrere Tage kontinuierlich im Be¬ trieb ist,
insbesondere bei der die Gasturbine nach 24, 30, 31 oder 32 hergestellt wurde.
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