WO2005056985A1 - Verwendung einer wärmedämmschicht für ein gehäuse einer dampfturbine und eine dampfturbine - Google Patents

Verwendung einer wärmedämmschicht für ein gehäuse einer dampfturbine und eine dampfturbine Download PDF

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WO2005056985A1
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Friedhelm Schmitz
Kai Wieghardt
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    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/90—Coating; Surface treatment

Definitions

  • thermal barrier coating for a housing of a steam turbine and a steam turbine
  • the invention relates to the use of a thermal barrier coating according to claim 1 or 2 and a steam turbine according to claim 29.
  • Thermal insulation layers which are applied to components, are known from the field of gas turbines, as they are e.g. are described in EP 1 029 115 or WO 00/25005.
  • the thermal barrier coating is applied in the colder area of a steam inflow area.
  • GB 1 556 274 discloses a turbine disk with a thermal barrier coating in order to reduce the heat input into the thinner areas of the turbine disk.
  • US 4, 405,284 discloses a two-layer ceramic outer layer to improve the abrasion behavior.
  • the patent specification 723 476 discloses a housing which is made in two parts and has an outer ceramic layer which is made thick.
  • the housing parts of one housing are arranged one above the other, but not axially next to one another.
  • Thermal insulation layers allow components to be used at higher temperatures than the base material alone or extend the service life.
  • Known base materials enable operating temperatures of a maximum of 1000 ° C - 1100 ° C, whereas a coating with a thermal insulation layer enables operating temperatures of up to 1350 ° C in gas turbines.
  • the radial and axial clearances between the rotor and stator are essential for the efficiency of a steam turbine.
  • the deformation of the steam turbine housing is to position the guide vanes in relation to the rotor blades attached to the shaft.
  • These housing deformations contain thermal components (from heat input) and viscoplastic components (from component creep or relaxation).
  • impermissible viscoplastic deformations adversely affect their function (e.g. valve tightness).
  • the object of the invention is to overcome the problems mentioned.
  • the object is achieved by the use of a thermal barrier coating for a housing for a steam turbine according to claim 1 or 2.
  • the object is further solved 'by a steam turbine according to claim 29, having a thermal barrier coating with locally differing parameters (materials, porosity, thickness). Local means regions of the surfaces of one or more components of a turbine that are spatially delimited from one another.
  • the thermal barrier coating does not necessarily only serve that
  • the controlled influencing of the deformation behavior in the case of a radial gap between the turbine rotor and the turbine stator, that is to say the turbine blade and a housing, has an advantageous effect by minimizing this radial gap. Minimizing the radial gap leads to an increase in the efficiency of the turbine.
  • the controlled deformation behavior advantageously allows axial gaps in a steam turbine, in particular between the rotor and the housing, to be set and minimized in a controlled manner.
  • an integral temperature of the housing is lower than the temperature of the shaft due to the application of the thermal barrier coating, so that the radial gap between the rotor and stator, i.e. between the blade tip and the housing or between the guide blade tip and the shaft, during operation (higher temperatures than room temperature) is smaller than during assembly (room temperature).
  • a reduction in the transient thermal deformation of housings and their adaptation to the deformation behavior of the mostly thermally inert turbine shaft also brings about a reduction in the radial play to be provided. Applying a thermal barrier coating also reduces viscous creep deformation and the component can be used for longer.
  • the thermal barrier coating can advantageously be used for newly manufactured, used (i.e. no repair is necessary) and remanufactured components.
  • FIG. 5 1, 2, 3, 4 possible arrangements of a thermal insulation layer of a component
  • FIG. 5 6 a gradient of the porosity within the thermal insulation layer of a component
  • 7, 9 the influence of a temperature difference on a component
  • Figure 8 is a steam turbine
  • FIG. 18 shows the influence of a thermal barrier coating on the service life of a reprocessed component.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a component 1 for use in the invention.
  • Component 1 is a component or housing, in particular a housing 335 of an inflow region 333 of a turbine (gas,
  • the heat insulation layer 7 is in particular a ceramic layer made, for example, of zirconium oxide (partially stabilized, fully stabilized by yttrium oxide) and / or magnesium oxide) and / or titanium oxide, and is for example thicker than 0.1 mm. So thermal insulation layers 7, which consist 100% of either zirconium oxide or titanium oxide, can be used.
  • the ceramic layer can be applied by means of known coating methods such as atmospheric plasma spraying (APS), vacuum plasma spraying (VPS), low pressure plasma spraying (LPPS), and by chemical or physical coating methods (CVD, PVD).
  • FIG. 2 shows a further embodiment of component 1 for the use according to the invention.
  • At least one intermediate protective layer 10 is arranged between the substrate 4 and the heat insulation layer 7.
  • the intermediate protective layer 10 serves to protect against corrosion and / or oxidation of the substrate 4 and / or for better connection of the thermal insulation layer to the substrate 4. This is particularly the case when the thermal insulation layer consists of ceramic and the substrate 4 consists of a metal.
  • the intermediate protective layer 10 for protecting a substrate 4 against corrosion and oxidation at a high temperature essentially has, for example, the following elements (details of the proportions in percent by weight): 11.5 to 20.0 wt% chromium, 0.3 to 1.5 wt % Silicon, 0.0 to 1.0 wt% aluminum, 0.0 to 0.7 wt% yttrium and / or at least one equivalent metal from the group comprising scandium and the rare earth elements, remainder iron, cobalt and / or Nickel and manufacturing-related impurities;
  • the metallic intermediate protective layer 10 consists of 12.5 to 14.0 wt% chromium, 0.5 to 1.0 wt% silicon, 0.1 to 0.5 wt% aluminum, 0.0 to 0.7 wt% yttrium and / or at least one equivalent metal from the group comprising scandium and the rare earth elements, remainder iron and / or cobalt and / or nickel as well as production-related impurities. It is preferred if the rest is only iron
  • the composition of the intermediate protective layer 7 based on iron shows particularly good properties, so that the protective layer 7 is excellently suitable for application to ferritic substrates 4.
  • the thermal expansion coefficients of substrate 4 and intermediate protective layer 10 can be matched to one another very well or even be the same, so that there is no thermally caused stress build-up between substrate 4 and intermediate protective layer 10 (thermal mismatch). match), which could cause the intermediate contactor layer 10 to flake off.
  • the substrate 4 is then a ferritic base alloy, a steel or a nickel or cobalt-based super alloy, in particular a 1% CrMoV steel or a 10 to 12 percent chromium steel.
  • ferritic substrates 4 of the component 1 consist of a
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of component 1 for the use according to the invention.
  • An erosion protection layer 13 now forms the outer surface on the heat insulation layer 7. It consists in particular of a metal or a metal alloy and protects the component 1 against erosion and / or wear, as is the case in particular in steam turbines 300, 303 (FIG. 8) which have scaling in the superheated steam area, where mean flow velocities of about 50m / s (ie 20 - 100m / s), and pressures of up to 400 bar occur.
  • the heat insulation layer 7 has a certain open and / or closed porosity.
  • the wear / erosion protection layer 13 preferably has a higher density and consists of alloys based on iron, chromium, nickel and / or cobalt or MCrAlX or, for example, NiCr 80/20 or with admixtures of boron (B) and silicon (Si) NiCrSiB or NiAl (for example Ni: 95%, AI 5%).
  • a metallic erosion protection layer 13 can be used in steam turbines 300, 303, since the operating temperatures in steam turbines 300, 303
  • Steam inflow range 33 is a maximum of 800 ° C or 850 ° C. For such temperature ranges, there are enough metallic layers that have a sufficiently large necessary erosion protection over the period of use of the component 1.
  • Metallic erosion protection layers 13 in gas turbines on a ceramic thermal barrier coating 7 are not possible there everywhere, since metallic erosion protection layers 13 as the outer layer cannot withstand the maximum individual temperatures of up to 1350 ° C. Ceramic erosion protection layers 13 are also conceivable.
  • chromium carbide Cr 3 C 2
  • WC-CrC-Ni a mixture of tungsten carbide, chromium carbide and nickel
  • chromium carbide with the addition of nickel Cr 3 C 2 -Ni
  • Cr 3 C 2 -Ni nickel
  • Cr 3 C 2 -NiCr nickel chromium carbide with the addition of nickel
  • Cr 3 C 2 -NiCr nickel chromium carbide with a Portion of 83 wt% chromium carbide and 17 wt% nickel as well as a mixture of chromium carbide and nickel chromium (Cr 3 C 2 -NiCr) for example with a proportion of 75 wt% chromium carbide and 25 wt% nickel chromium as well as yttrium stabilized zirconium oxide for example with a weight proportion of 80 wt% zirconium oxide and 20 wt% yttrium oxide.
  • an intermediate protective layer 10 can also be present (FIG. 4).
  • FIG. 5 shows a heat insulation layer 7 with a gradient of the porosity. Pores 16 are present in the thermal barrier coating 7. In.
  • the density p of the thermal insulation layer 7 increases in the direction of an outer surface (direction of arrow).
  • FIGS. 7a, b show the influence of the thermal barrier coating 7 on the thermally induced deformation behavior of the component 1.
  • FIG. 7a shows a component without a thermal barrier coating. Two different temperatures prevail on two opposite sides of the substrate 4, a higher temperature T max and a lower temperature T m i n, whereby a radial temperature difference dT is given (4).
  • the substrate 4 extends in the area of higher temperature T max due to thermal expansion significantly higher than in the region of the smaller temperature T m i n. This different expansion causes an undesirable deformation of a housing.
  • a thermal insulation layer 7 is present on the substrate 4, the substrate 4 and the thermal insulation layer 7 together being, for example, just as thick as the substrate 4 in FIG. 7a.
  • the steam turbine has a high-pressure sub-turbine 300 and a medium-pressure sub-turbine 303, each with an inner casing 312 and an outer casing 315 surrounding it.
  • the medium pressure turbine section 303 is designed with two passages. It is also possible for the medium-pressure turbine section 303 to be single-flow.
  • a bearing 318 is arranged along the axis of rotation 306 between the high-pressure sub-turbine 300 and the medium-pressure sub-turbine 303, the turbine shaft 309 having a bearing region 321 in the bearing 318.
  • the turbine shaft 309 is supported on a further bearing 324 next to the high-pressure sub-turbine 300.
  • the high-pressure turbine section 300 has a shaft seal 345.
  • the turbine shaft 309 is sealed off from the outer housing 315 of the medium-pressure partial turbine 303 by two further shaft seals 345.
  • the turbine shaft 309 in the high-pressure sub-turbine 300 has the high-pressure rotor blades 354, 357.
  • the medium-pressure partial turbine 303 has a central steam inflow region 333 with the inner housing 335 and the outer housing 334.
  • the turbine shaft 309 Associated with the steam inflow region 333, the turbine shaft 309 has a radially symmetrical shaft shield 363, a cover plate, on the one hand for dividing the steam flow into the two flows of the medium-pressure turbine section 303 and for preventing direct contact of the hot steam with the turbine shaft 309.
  • the turbine shaft 309 has a second region in housings 366, 367 of the blading regions with the medium-pressure rotor blades 354, 342 in the medium-pressure turbine part 303.
  • the hot steam flowing through the second blading area flows from the medium-pressure sub-turbine 303 from an outflow connection 369 to a low-pressure sub-turbine, not shown, which is connected downstream in terms of flow technology.
  • the turbine shaft 309 is composed of two sub-turbine shafts 309a and 309b, which are firmly connected to one another in the region of the bearing 318.
  • the steam inflow region 333 of any steam turbine type has a heat insulation layer 7 and / or an erosion protection layer 13.
  • the controlled deformation behavior by applying a thermal barrier coating can in particular increase the efficiency of a steam turbine 300, 303. This is done, for example, by minimizing the radial gap (radial, i.e. perpendicular to axis 306) between the rotor and stator parts (housing) (Fig. 16, 17). An axial gap 378 (parallel to axis 306) can also be minimized by the controlled deformation behavior of the blading of the rotor and housing.
  • thermal barrier coating 7 only refer to components 1 of a steam turbine 300, 303 by way of example.
  • FIG. 9 shows the effect of locally different temperatures on the axial expansion behavior of a component.
  • FIG. 9a shows a component 1 which expands (dl) due to an increase in temperature (dT).
  • the thermal linear expansion dl is indicated by dashed lines.
  • a mounting, storage or fixation of the component 1 allows this expansion.
  • FIG. 9b also shows a component 1 that expands due to an increase in temperature.
  • the temperatures in different areas of the component 1 are different.
  • the temperature T 333 is greater than the temperature T 366 of the subsequent blading region (housing 366) and larger than in a further, subsequent housing 367 (T 3S7 ).
  • T 3S7 a further, subsequent housing 367
  • the reference numeral 333 g ieic_ ⁇ the thermal expansion of the inflow region 333, if all the areas or housing 333, 366, 367, a uniform increase in temperature would experience.
  • the temperature in the inflow region 333 is higher than in the surrounding housings 366 and 367, the inflow region 333 expands more than is indicated by the dashed lines 333 '.
  • the inflow region 333 Since the inflow region 333 is arranged between the housing 366 and a further housing 367, the inflow region 333 cannot expand freely, so that there is an uneven deformation behavior. By applying the thermal barrier coating 7, the deformation behavior should be controlled and / or evened out.
  • FIG. 10 shows an enlarged representation of a region 333 of the steam turbine 300, 303.
  • the steam turbine 300, 303 in the vicinity of the inflow region 333 consists of an outer housing 334, at which temperatures, for example between 250 ° C. to 350 ° C., are present and one Inner housing 335, at which temperatures for example from 450 ° to 620 ° C, but also up to 800 ° C. prevail, so that there are, for example, temperature differences greater than 200 ° C.
  • the heat insulation layer 7 is applied to the inner housing 335 of the steam inflow region 333 on the inside 336. For example, no thermal insulation layer 7 is applied to the outside 337.
  • the application of a thermal insulation layer 7 reduces the heat input into the inner housing 335, so that the thermal expansion behavior of the housing 335 of the inflow region 333 and the overall deformation behavior of the housings 335, 366, 367 are influenced. As a result, the entire deformation behavior of the inner housing 334 or of the outer housing 335 can be set in a controlled manner and evened out.
  • the deformation behavior of a housing or of housings among one another can be adjusted by varying the thickness of the thermal insulation layer 7 (FIG. 12) and / or by applying different materials at different locations on the surface of the housing, see for example inner housing 335 in FIG. 13. Likewise, the porosity can be different at different locations on the inner housing 335 (FIG. 14).
  • the heat insulation layer 7 can be locally limited, for example only applied in the inner housing 335 in the region of the inflow region 333. Likewise, the thermal barrier coating 7 can only be applied locally in the blading area 366 (FIG. 11).
  • FIG. 12 shows a further exemplary embodiment of using a thermal insulation layer 7.
  • the thickness of the heat insulation layer 7 is thicker in the inflow area 333, for example at least 50% thicker than in the housing 366 of the blading area of the steam turbine 300, 303.
  • the heat input and thus the thermal expansion and thus the deformation behavior of the inner housing 334, consisting of the inflow region 333 and the housing 366 of the blading region, are adjusted in a controlled manner and made uniform (over the axial length) by the thickness of the thermal insulation layer 7.
  • a different material can be present in the area of the inflow area 333 than in the housing 366 of the blading area.
  • FIG. 13 shows different materials of the thermal barrier coating 7 in different housings 335, 366 of the component 1.
  • a thermal barrier coating 7 is applied in the areas or the housings 335, 366.
  • the heat insulation layer 8 in the area of the inflow area 333 consists of a first heat insulation layer material
  • the material of the heat insulation layer 9 in the housing 366 of the blading area consists of a second heat insulation layer material.
  • the different material for the thermal insulation layers 8, 9 achieves a different thermal insulation, as a result of which the deformation behavior of the area 333 and the area of the housing 366 are adjusted, in particular made more uniform. Higher insulation is set (333) where higher temperatures prevail.
  • the thickness and / or the porosity of the thermal insulation layers 8, 9 can be the same.
  • an erosion protection layer 13 can of course be arranged on the thermal insulation layers 8, 9.
  • FIG. 14 shows a component 1, 300, 303 in which different porosities of 20 to 30% are present in different housings 335, 366.
  • the inflow region 333 with the heat insulation layer 8 has a higher porosity than the heat insulation layer 9 of the housing of the blading region, as a result of which a higher thermal insulation is achieved in the inflow region 333 than through the heat insulation layer 9 in the housing 366 of the blading region.
  • the thickness and the material of the thermal insulation layers 8, 9 can also be different.
  • the porosity sets the heat insulation of a heat insulation layer 7 differently, as a result of which the deformation behavior of different areas / housings 333, 366 of a component 1 can be set.
  • thermal insulation layer 7 described above can be used in the pipelines connected downstream from a steam generator (for example a boiler) (for example duct 46, FIG. 15; inflow region 351, FIG. 8) for transporting the superheated steam or other superheated steam-carrying lines and fittings, such as, for example, Bypass lines, bypass valves or process steam lines of a power plant are applied to the inside of each.
  • a steam generator for example a boiler
  • duct 46, FIG. 15 for example duct 46, FIG. 15; inflow region 351, FIG. 8
  • the thermal insulation layer 7 described above can be used in the pipelines connected downstream from a steam generator (for example a boiler) (for example duct 46, FIG. 15; inflow region 351, FIG. 8) for transporting the superheated steam or other superheated steam-carrying lines and fittings, such as, for example, Bypass lines, bypass valves or process steam lines of a power plant are applied to the inside of each.
  • a steam generator for example a boiler
  • thermal barrier coating 7 of steam-carrying components in steam generators on the side, which is exposed to the hotter medium (flue gas or superheated steam).
  • hotter medium flue gas or superheated steam.
  • collectors or sections of a once-through boiler that are not heated should serve from steam or should be protected from the attack of hot media for other reasons.
  • the insulating layer 7 on the outside of a boiler in particular a continuous boiler, in particular a Benson boiler, can achieve an insulating effect which results in a reduction in fuel consumption.
  • An erosion protection layer 13 can also be present on the heat insulation layers 8, 9.
  • the measures according to FIGS. 11, 12 and 13 set the axial play between the rotor and the stator (housing), since the thermal expansion is adjusted despite different temperatures or thermal expansion coefficients (dl 333 «dl 366 ) • The temperature differences also exist in the stationary one Condition of the turbine.
  • FIG. 15 shows a further application example for the use of a heat insulation layer 7, namely a valve housing 34 of a valve 31, into which a hot steam flows through an inflow channel 46.
  • the inflow channel 46 mechanically weakens the valve housing 34.
  • the valve 31 consists, for example, of a pot-shaped housing 34 and a cover or housing 37. Inside the housing part 34 there is a valve piston consisting of a valve cone 40 and a spindle 43. As a result of component creep, there is a non-uniform axial deformation behavior of the housing 40 and the cover 37. As indicated by dashed lines, the valve housing 34 would expand axially more in the region of the channel 46, so that the cover 37 tilts with the spindle 43 comes. As a result, the valve cone 34 is no longer seated correctly, so that the tightness of the valve 31 is reduced. By applying a thermal barrier coating 7 to an inside 49 of the housing 34, the deformation behavior is evened out, so that both ends 52, 55 of the housing 34 and the cover 37 expand uniformly.
  • the application of the thermal barrier coating serves to control the deformation behavior and thus to ensure the tightness of the valve 31.
  • FIG. 16 shows a stator 58, for example a housing 335, 366, 367 of a turbine 300, 303 and a rotating component 61 (rotor), in particular a turbine blade 120, 130, 342, 354.
  • a stator 58 for example a housing 335, 366, 367 of a turbine 300, 303 and a rotating component 61 (rotor), in particular a turbine blade 120, 130, 342, 354.
  • the temperature-time diagram T (t) for the stator 58 and the rotor 61 shows, for example, when the turbine 300, 303 is shut down, that the temperature T of the stator 58 drops faster than the temperature of the rotor 61.
  • the housing 58 shrinks more than the rotor 61 so that the housing 58 approaches the rotor. Therefore, there must be a corresponding distance d between the stator 58 and the rotor 61 in the cold state in order to prevent the rotor 61 from rubbing against the housing 58 in this operating phase.
  • the radial gap is 2.0 to 2.5 mm. In both cases, a reduction in this gap of 0.3 to 0.5 or to 0.8 mm can be achieved by reducing the temperature difference by 50K. As a result, less steam can flow past between the housing 58 and the turbine blade 61, so that the efficiency increases again.
  • a thermal insulation layer 7 is applied to the stator (non-rotating component) 58.
  • the thermal barrier coating 7 causes a greater thermal inertia of the stator 58 or the housing 335, which heats up more or faster.
  • the temperature-time diagram again shows the time course of the temperatures T of the stator 58 and the rotor 61. Due to the thermal barrier coating 7 on the stator 58, the temperature of the stator 58 does not rise so quickly and the difference between the two curves is less.
  • the thermal barrier coating 7 can also be applied to the rotor 61, for example the turbine blades 342, 354, 357, in order to achieve the same effect.
  • the distance-time diagram shows that there is a smaller distance d7 (d7 ⁇ di ⁇ ds) at room temperature RT, which does not lead to the stator 58 and rotor 61 touching.
  • FIG. 18 shows the influence of the application of a thermal barrier coating on a reworked component.
  • Refurbishment means that components that were in use may be repaired, i.e. that they are freed from corrosion and oxidation products, and cracks may be detected and repaired, for example, by filling with solder.
  • Each component 1 has a certain lifespan until it is 100% damaged.
  • the component for example a turbine blade or an inner housing 334
  • a certain percentage of the damage has been achieved.
  • the time course of the damage to component 1 is identified by reference numeral 22.
  • the damage curve would continue without a reprocessing using the dashed line 25.
  • the remaining operating time would be relatively short.
  • This course of the curve is significantly flattened compared to the curve course 25, so that such a coated component 1 can be used at least as long.
  • the lifespan of the component that has been inspected does not always have to be extended, but it can also be the sole intention to control and even out the deformation behavior of housing parts by the first or repeated application of the thermal insulation layer 7, thereby reducing the efficiency as described above by setting the radial gaps between the rotor and gear housing and the axial gap between the rotor and housing is increased.
  • the thermal insulation layer 7 can therefore advantageously also be applied to components 1 or housing parts that are not to be repaired.

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Wärmdämmschicht (7) für ein Gehäuse einer Dampfturbine, um das Verformungsverhalten unterschiedlicher Bauteile aufgrund unterschiedlicher Erwärmungen der Bauteile zu vergleichmäßigen.

Description

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.

Claims

Patentansprüche
1. Verwendung einer Wärmedämmschicht (7) für eine Dampfturbine (300, 303) , die aus einem oder mehreren Gehäusen (34, 37, 334, 335, 366, 367) besteht, zur zumindest teilweisen oder ganzen Anpassung eines unterschiedlichen thermischen Verformungsverhaltens des oder der Gehäuse (34, 37, 334, 335, 366, 367) untereinan- der, insbesondere zwischen Raumtemperatur und Betriebstemperatur, und wobei das Gehäuse (34, 37, 334, 335, 366, 367) einer Temperaturdifferenz , insbesondere von mindestens 200°C, gegeben durch eine höhere Temperatur auf der einen Seite (336) des Gehäuses (34, 37, 334, 335, 366, 367) und einer niedrigeren Temperatur auf der anderen Seite (337) des Gehäuses (34, 37, 334, 335, 366, 367), ausgesetzt ist, wobei die Wärmedämmschicht (7) auf der Seite (336) des Gehäuses (34, 37, 334, 335, 366, 367) mit der höheren Temperatur aufgebracht ist .
. Verwendung einer Wärmedämmschicht (7) für eine Dampfturbine (300, 303), die ein oder mehrere Gehäuse (366, 367) eines Beschaufelungsbereichs aufweist , zur Verringerung radialer Spiele in der Dampfturbine (300, 303) , wobei die Wärmedämmschicht (7) auf dem Gehäuse (366, 367) des Beschaufelungsbereichs vorhanden ist und/oder wobei die Wärmedämmschicht (7) auf einer Turbinenschaufel (342, 354, 357) vorhanden ist.
Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (7) für ein Gehäuse (34, 334, 335) verwendet wird, das an ein anderes Gehäuse (37, 366, 367) angrenzt, und dass das Verformungsverhalten des Gehäuses (34, 334, 335) gegenüber dem angrenzenden Gehäuse (37, 366, 367) an- gepasst, insbesondere vergleichmäßigt wird.
4. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (7) für ein Gehäuse (335) eines Dampfeinströmbereichs (333) einer Dampfturbine (300, 303) verwendet wird, das an zumindest ein Gehäuse (366, 367) eines Beschaufelungsbereichs angrenzt, und dass das Verformungsverhalten des Gehäuses (335) des Dampfeinströmbereichs (333) dem Verformungsverhalten des angrenzenden Gehäuses (366, 367) des Beschaufe- lungsbereichs angepasst wird.
. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (7) für zumindest ein Gehäuse (34, 37) eines Ventils (31) verwendet wird.
6. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (7) für ein Gehäuse (34, 37, 335, 366, 367) verwendet wird, das aus einem Substrat (4) und einer Wärmedämmschicht (7) besteht, und dass das Substrat (4) aus einer eisen-, nickel- oder kobaltbasierten Legierung besteht.
7. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 bis 6, die (7) zumindest teilweise, insbesondere ganz aus Zirkonoxid (Zrθ2) besteht.
8. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 bis 7, die (7) zumindest teilweise, insbesondere ganz aus Titanoxid (Ti02) besteht.
. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 2, 7 oder 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (7) für ein Gehäuse (34, 37, 335, 366, 367) verwendet wird, wobei unterhalb der Wärmedämmschicht (7) des Gehäuses (34, 37, 335, 366, 367) eine Zwischenschutzschicht (10), insbesondere eine MCrAlX-Schicht, vorhanden ist, wobei M für zumindest ein Element der Gruppe Nickel, Kobalt und/oder insbesondere Eisen steht sowie X Yttrium und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden ist.
10. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die höhere Temperatur mindestens 450°C, insbesondere bis zu 800 °C beträgt.
11. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Zwischenschutzschicht (10) ein Material bestehend aus 11,5 wt% - 20 wt%, insbesondere 12,5 wt% - 14 wt% Chrom, 0,3 wt% - 1,5 wt%, insbesondere 0,5 wt% - 1 wt% Silizium, 0,0 wt% - 1,0 wt%, insbesondere 0,1 wt% - 0,5 wt% Aluminium sowie Rest Eisen verwendet wird.
2. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 2, 7, 8, 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet , dass die Wärmedämmschicht (7) für ein Gehäuse (34, 37, 335, 366, 367) verwendet wird, und dass auf der Wärmedämmschicht (7) eine Erosionsschutzschicht (13) , insbesondere eine metallische Erosionsschutzschicht (13) vorhanden ist.
13. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, dass als Erosionsschutzschicht (13) eine eisen-, nickel-, chrom- oder kobaltbasierte Legierung, insbesondere NiCr 80/20, verwendet wird.
14. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Erosionsschutzschicht (13) verwendet wird, die eine geringere Porosität als die Wärmedämmschicht (7) aufweist .
15. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 2, 7, 8 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmedämmschicht (7) verwendet wird, die porös ist.
6., Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 2, 7, 8, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmedämmschicht (7) verwendet wird, die einen Gradienten in der Porosität aufweist .
17. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmedämmschicht (7) verwendet wird, deren Porosität in einem äußeren Bereich der Wärmedämmschicht (7) am größten ist.
18. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmedämmschicht (7) verwendet wird, deren Porosität im äußeren Bereich der Wärmedämmschicht (7) am kleinsten ist.
19. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmedämmschicht (7) verwendet wird, deren Dicke lokal (335, 366, 367) verschieden ist.
0. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmedämmschicht (7) verwendet wird, deren Material lokal (335, 366, 367) verschieden ist.
21. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 19, oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedäramschicht (7) nur lokal in bestimmten Bereichen der Oberflächen von Gehäusen (34, 37, 334, 335, 366, 367) eines Ventils (31) oder Turbine (300, 303) aufgebracht wird.
22. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (7) nur im Dampfeinströmbereich (333) der Dampfturbine (300, 303) verwendet wird.
23. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, 19, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (7) im Einströmbereich (333) und im Gehäuse (366) des Beschaufelungsbereichs der Dampfturbine (300, 303) verwendet wird.
4. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (7) nur lokal im Gehäuse (366) des Beschaufelungsbereichs verwendet wird.
25. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Wärmedämmschicht (7) im Gehäuse (335) des Einströmbereich (333) größer ist als im Gehäuse (366) des Beschaufelungsbereichs.
26. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (7) bei wieder aufzuarbeitenden Gehäusen (34 ,37, 335, 366, 367) verwendet wird.
27. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (7) für ein Ventil (31) oder Gehäuse (334, 335, 366, 367) verwendet wird, ohne dass die maximale Arbeitstemperatur in der Dampfturbine (300, 303) erhöht wird.
8. Verwendung einer Wärmedämmschicht nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 21, 23, 26 oder 27 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verwendung der Wärmedämmschicht (7) das gesamte Verformungsverhalten von verschiedenen Gehäusen (34 ,37, 334, 335, 366, 367) eingestellt wird, indem die Porosität oder die Dicke oder das Material der Wärmedämmschicht (7) lokal variiert werden.
29. Dampfturbine (300, 303), die zumindest zwei Gehäuse (335, 366, 367) aufweist, von denen zumindest ein Gehäuse (335, 366, 367) eine Wärmedämmschicht (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (7, 8, 9) in zumindest zwei Gehäusen (335, 366, 367) vorhanden ist, die insbesondere in axialer Richtung aneinander angrenzen, wobei in den Gehäusen (335, 366, 367) eine unterschiedliche Wärmedämmwirkung der Wärmedämmschicht (7, 8, 9) vorhanden ist, insbesondere dadurch dass die Wärmedämmschicht (7, 8, 9) verschiedene Materialien und/oder verschiedene Dicken und/oder verschiedene Porositäten in den zumindest zwei Gehäusen (335, 366, 367) aufweist.
30. Dampfturbine nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (7) im Gehäuse (335) des Einströmbereich (333) angeordnet ist.
1. Dampfturbine nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (7) im Betrieb Temperaturen bis maximal 800°C, insbesondere bis 650°C. ausgesetzt ist.
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