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CN104704200B - 用于制造第二燃气轮机的方法以及用于运行燃气轮机设施的方法 - Google Patents

用于制造第二燃气轮机的方法以及用于运行燃气轮机设施的方法 Download PDF

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CN104704200B CN201280076282.2A CN201280076282A CN104704200B CN 104704200 B CN104704200 B CN 104704200B CN 201280076282 A CN201280076282 A CN 201280076282A CN 104704200 B CN104704200 B CN 104704200B
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Abstract

通过应用不同的陶瓷层能够制造不同配置的燃气轮机，所述不同配置的燃气轮机于是对于基本负荷运行或峰值负荷运行的相应的使用领域是最佳的。

Description

用于制造第二燃气轮机的方法以及用于运行燃气轮机设施的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造灵活设计的燃气轮机的方法，一种燃气轮机和一种用于运行燃气轮机的方法。
背景技术
燃气轮机能够在基本负荷运行中或尤其在峰值负荷运行中在产生电流的情况下运行。
对于相应条件的要求是不同的。
燃气轮机的满足这两个要求的优化的配置总是表现为折衷的。
发明内容
因此，本发明的目的是，解决这个问题。
所述目的通过用于制造第二燃气轮机的方法和用于运行燃气轮机设施的方法来实现。
该用于制造第二燃气轮机的方法，始于第一燃气轮机从所述第一燃气轮机的第一涡轮机叶片移除至少一个第一陶瓷的隔热层并且将用于制造第二涡轮机叶片的新的第二陶瓷的隔热层施加到移除层的所述第一涡轮机叶片上，和/或将新的第二陶瓷的隔热层施加到已经新制造的新的第二涡轮机叶片上，所述第二陶瓷的隔热层与所述第一陶瓷的隔热层显著不同，其中不同之处表示：覆层特性不同，其中将双覆层的陶瓷的隔热层从所述第一涡轮机叶片移除和将单覆层的隔热层作为第二陶瓷的隔热层施加到所述新的第二涡轮机叶片或所述第二涡轮机叶片上，或者其中将单覆层的隔热层从所述第一涡轮机叶片移除和将双覆层的隔热层作为第二陶瓷的隔热层施加到所述新的第二涡轮机叶片或所述第二涡轮机叶片上。
在该用于运行燃气轮机设施的方法中，改变燃气轮机的涡轮机叶片的陶瓷的层的类型。
在实施例中列出其他有利的措施，所述措施能够彼此任意地组合以便实现其他的优点。
附图说明
附图示出：
图1-3示出本发明的实施例，
图4示出陶瓷层的孔分布，
图5示出涡轮机叶片以及
图6示出燃气轮机。
具体实施方式
说明书仅描述本发明的实施例。
燃气轮机100(图6)的维护的间隔通过检测运行小时和启动来确定，所述启动和运行小时与特定因素和运行方式相关。维护总是能够在达到小时或启动限制之后执行。
如果现在根据燃气轮机的使用领域维护是必需的或使用事先要求翻修或其他的使用，那么改变燃气轮机100的配置。
术语定义：
第一燃气轮机具有带有第一隔热层的第一涡轮机叶片。第二燃气轮机具有带有陶瓷隔热层的涡轮机叶片。其中应用
a)第一涡轮机叶片(＝第二涡轮机叶片)和/或
b)新的未使用的涡轮机叶片(＝新的第二涡轮机叶片)，
并且分别具有与第一隔热层显著不同的第二隔热层。
如果事先在该第一燃气轮机中在运行中存在如上描述的单覆层的隔热层，那么为了在基本负荷运行中重新使用而为涡轮机叶片120、130应用双覆层的(图3)、较厚(图1)或多孔的陶瓷隔热层.
用于第二燃气轮机的涡轮机叶片能够在初始时(相同的基底)是第一燃气轮机的或另外的燃气轮机的第一涡轮机叶片，所述另外的燃气轮机已经被使用、被相应地翻新(再处理)并且通过再覆层得到第二涡轮机叶片或者是新的第二涡轮机叶片，其中新制造的(新铸造的)、尚未应用的涡轮机叶片与第一燃气轮机的第一涡轮机叶片不同地覆层。
同样可行的是，燃气轮机100在基本负荷运行中在涡轮机叶片120、130上的双覆层的陶瓷隔热层表现出：施加单覆层的TBC(热障涂层)，使得其于是能够使用在峰值负荷运行(每日启动)中(图2)。
对于峰值负荷运行，优选仅应用具有一致的孔隙率的单覆层的陶瓷层。对于峰值负荷运行，涡轮机叶片120、130上的陶瓷隔热层优选具有18％±4％的高的孔隙率。
然而在基本负荷运行(基本载荷base loader)中，使用双覆层的隔热层13(图3)。
优选将凝聚的、烧结的粉末用作为用于陶瓷层7’、7”、7”’、10’、13’的初始粉末。
每个陶瓷的喷射的层以涂覆覆层施加。但是双覆层表示：第二覆层通过孔隙率和/或微结构和/或化学组成与其下的第一覆层进行区分。
优选将孔隙率为12％±4％的陶瓷覆层7用作下覆层，所述陶瓷覆层优选具有75μm至150μm的层厚度。在其上存在作为靠外的陶瓷覆层10配设或存在25％±4％的孔隙率。然而，孔隙率的差异为至少2％、尤其至少4％。制造时的孔隙率的波动是已知的。在一批之内、即在叶片组之内不能够记录波动。
为了在陶瓷层或陶瓷覆层(图1-3)中产生孔隙率，在喷射时能够应用粗的颗粒并且应用聚合物或应用具有聚合物的较小的颗粒，其中粗的表示至少大20％的平均微粒直径。
双覆层的陶瓷层7、10能够借助不同的喷射方法制造：下覆层7不用聚合物喷射并且上覆层10用聚合物喷射。
由此在上覆层10中得到较大的孔、即平均的孔直径d10相对于下覆层7(图4)的平均孔直径d7提高。这因此不是强制的。较高的孔隙率通常仅通过相同孔大小的较高数量的孔来实现。优选地，在此应用相同的粉末，即还有相同的粒度分布。
隔热层的陶瓷覆层的氧化锆(ZrO2)优选具有≤3％、尤其≤1.5％的单斜晶系份额。于是，涡轮机叶片120、130上的陶瓷覆层或层7、7’、10、13(图1-3)具有于此相应的份额。
单斜晶系相的最小份额为最小1％、尤其0.5％，以便不过强地提高粉末的成本。
通过改变第一隔热层7’、7”、13’的配置，在一定程度上制造另外的第二燃气轮机，所述第二燃气轮机对其使用领域进行优化。
图5在立体图中示出流体机械的沿着纵轴线121延伸的转子叶片120或导向叶片130。
所述流体机械可以是飞机的或用于发电的发电厂的燃气轮机、蒸汽轮机或压缩机。
叶片120、130沿着纵轴线121相继具有：固定区域400、邻接于所述固定区域的叶片平台403以及叶身406和叶片顶端415。作为导向叶片130，叶片130可以在其叶片顶端415处具有另一平台(没有示出)。
在固定区域400中形成有用于将转子叶片120、130固定在轴或盘(没有示出)上的叶片根部183。叶片根部183例如构成为T形头。作为枞树状根部或燕尾形根部的其它设计方案是可行的。
叶片120、130对于流过叶身406的介质具有入流棱边409和出流棱边412。
在传统叶片120、130中，在叶片120、130的所有区域400、403、406中使用例如实心的金属材料、尤其是超合金。例如由EP 1 204 776 B1、EP1 306 454、EP 1 319 729 A1、WO 99/67435或WO 00/44949已知这样的超合金。在这种情况下，叶片120、130可以通过铸造法，也可以借助定向凝固、通过锻造法、通过铣削法或其组合来制造。
将带有一个或多个单晶结构的工件用作机器的在运行中承受高的机械的、热的和/或化学的负荷的构件。这种单晶工件的制造例如通过由熔融物的定向凝固来进行。在此，这涉及一种铸造法，其中液态金属合金凝固为单晶结构、即单晶工件，或者定向凝固。在这种情况下，枝状晶体沿热流定向，并且形成柱形结晶的晶粒结构(柱形地，这就是说在工件的整个长度上分布的晶粒，并且在此根据一般的语言习惯称为定向凝固)，或者形成单晶结构，这就是说整个工件由唯一的晶体构成。在这些方法中，必须避免过渡成球形的(多晶的)凝固，因为通过非定向的生长不可避免地构成横向和纵向晶界，所述横向和纵向晶界使定向凝固的或单晶的构件的良好特性不起作用。
如果通常提到定向凝固组织，则是指不具有晶界或最多具有小角度晶界的单晶和确实具有沿纵向方向分布的晶界但不具有横向晶界的柱形结晶结构。第二种所提到的晶体结构也称为定向凝固组织(directionallysolidified structures)。由US-PS 6,024,792和EP 0 892 090 A1已知这样的方法。
叶片120、130同样能够具有抗腐蚀或抗氧化的覆层，例如(MCrAlX；M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)的组中的至少一种元素，X是活性元素并且代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素或铪(Hf))。这样的合金从EP 0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412 397B1或者EP 1 306 454 A1中已知。密度优选是理论密度的95％。在(作为中间层或最外层的)MCrAlX层上形成保护性氧化铝层(TGO＝thermalgrown oxide layer(热生长氧化层))。
优选地，具有Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si或者Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y的层组成。除了这些钴基的保护覆层之外，优选也使用镍基的保护层如Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re或者Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re或者Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1.5Re。
在MCrAlX上还可以存在隔热层，隔热层优选是最外层并例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2组成，即，不将隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定化，或将隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁部分稳定化或完全稳定化。隔热层覆盖整个MCrAlX层。通过例如电子束汽化(EB-PVD)的适当的覆层方法在隔热层中产生柱形结晶。其它覆层方法也是可以考虑的，例如大气等离子喷涂(APS)、LPPS(低压等离子喷涂)、VPS(真空等离子喷涂)或CVD(化学气相沉积)。隔热层可以为了更好的温度突变稳定性具有多孔的、有微观裂缝或宏观裂缝的晶粒。因此，隔热层优选是比MCrAlX层更多孔的。
再翻新(Refurbishment)意味着在使用构件120、130之后，必要时必须将保护层从构件120、130上去除(例如通过喷砂)。接着，移除腐蚀层和/或氧化层及腐蚀产物和/或氧化产物。必要时，还修复在构件120、130中的裂缝。然后，进行构件120、130的再覆层以及构件120、130的重新使用。
叶片120、130可以实施成空心的或实心的。如果要冷却叶片120、130，则所述叶片为空心的并且必要时还具有薄膜冷却孔418(由虚线表示)。
图6示例性地示出燃气轮机100的纵向部分剖面图。燃气轮机100在内部具有带有轴101的、可围绕旋转轴线102转动地安装的转子103，该转子也称为涡轮机转子。沿着转子103依次为进气壳体104、压缩机105、带有多个同轴设置的燃烧器107的尤其为环形燃烧室的例如环面状的燃烧室110、涡轮机108和排气壳体109。环形燃烧室110与例如环形的热气体通道111连通。在那里例如四个相继连接的涡轮级112形成涡轮机108。
每个涡轮级112例如由两个叶片环形成。沿工质113的流动方向观察，在热气体通道111中，由转子叶片120形成的排125跟随导向叶片排115。
在此，导向叶片130固定在定子143的内壳体138上，然而，该排125的转子叶片120例如借助涡轮盘133安装在转子103上。发电机或者做功机械(没有示出)耦接于转子103。
在燃气轮机100工作期间，由压缩机105通过进气壳体104将空气135吸入并且压缩。在压缩机105的涡轮侧端部处提供的压缩空气被引至燃烧器107并且在那里与燃料混合。然后混合物在燃烧室110中燃烧，从而形成工质113。工质113从那里起沿着热气体通道111流过导向叶片130和转子叶片120。工质113在转子叶片120处以传递动量的方式膨胀，使得转子叶片120驱动转子103，并且该转子驱动耦接在其上的做功机械。
暴露于热工质113的构件在燃气轮机100工作期间承受热负荷。除了为环形燃烧室110加衬的热屏蔽元件之外，沿工质113的流动方向观察的第一涡轮机级112的导向叶片130和转子叶片120承受最高的热负荷。为了经受住那里存在的温度，可借助于冷却剂来冷却第一涡轮机级的导向叶片和转子叶片。同样，构件的基底可以具有定向结构，这就是说它们是单晶的(SX结构)或仅具有纵向定向的晶粒(DS结构)。
例如，铁基、镍基或钴基的超合金用作尤其是用作涡轮叶片120、130的构件的材料和燃烧室110的构件的材料。例如由EP 1 204 776 B1、EP 1306 454、EP 1 319 729 A1、WO 99/67435或WO 00/44949已知这样的超合金。
叶片120、130同样能够具有抗腐蚀的覆层(MCrAlX；M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)的组中的至少一种元素，X是活性元素并且代表钇(Y)和/或硅、钪(Sc)和/或至少一种稀土元素或铪)。这样的合金从EP 0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412 397 B1或者EP 1 306 454 A1中已知。
在MCrAlX上还可以存在隔热层，并且例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2组成，即，不将隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定化或将隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁部分稳定化或完全稳定化。通过例如电子束汽化(EB-PVD)的适当的覆层方法在隔热层中产生柱形结晶。
导向叶片130具有朝向涡轮机108的内壳体138的导向叶片根部(这里没有示出)和与导向叶片根部相对置的导向叶片顶部。导向叶片顶部朝向转子103并固定在定子143的固定环140处。

Claims (19)

1.一种用于制造第二燃气轮机的方法，其中始于第一燃气轮机从所述第一燃气轮机的第一涡轮机叶片移除至少一个第一陶瓷的隔热层(7，13)并且将用于制造第二涡轮机叶片的新的第二陶瓷的隔热层施加到移除了所述第一陶瓷的隔热层的所述第一涡轮机叶片上，和/或将新的第二陶瓷的隔热层施加到已经新制造的新的第二涡轮机叶片上，所述新的第二陶瓷的隔热层与所述第一陶瓷的隔热层(7，13)显著不同，其中不同之处表示：
覆层特性不同，
其中将双覆层的陶瓷的隔热层从所述第一涡轮机叶片移除和将单覆层的隔热层(7”)作为第二陶瓷的隔热层施加到所述新的第二涡轮机叶片或所述第一涡轮机叶片上，或者
其中将单覆层的隔热层从所述第一涡轮机叶片移除和将双覆层的陶瓷的隔热层(13’)作为第二陶瓷的隔热层施加到所述新的第二涡轮机叶片或所述第一涡轮机叶片上。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中所述单覆层的隔热层(7”)以18％±4％的孔隙率产生。
3.根据权利要求1所述的方法，
其中相对于所述第一涡轮机叶片的隔热层的孔隙率提高所述新的第二涡轮机叶片或所述第二涡轮机叶片的所述新的第二陶瓷的隔热层的孔隙率。
4.根据权利要求1所述的方法，
其中相对于所述第一涡轮机叶片的隔热层的孔隙率降低所述新的第二涡轮机叶片或所述第二涡轮机叶片的所述新的第二陶瓷的隔热层的孔隙率。
5.根据权利要求1所述的方法，
其中通作为所述新的第二涡轮机叶片或所述第二涡轮机叶片的新的第二陶瓷的隔热层的更厚的陶瓷的隔热层取代作为第一陶瓷的隔热层的更薄的陶瓷的隔热层，其中厚度的差异至少为+50μm。
6.根据权利要求1所述的方法，
其中通作为所述新的第二涡轮机叶片或所述第二涡轮机叶片的新的第二陶瓷的隔热层的更薄的陶瓷的隔热层取代作为第一陶瓷的隔热层的更厚的陶瓷的隔热层，其中厚度的差异至少为-50μm。
7.根据权利要求1所述的方法，
其中产生双覆层的陶瓷的隔热层(13’)，该双覆层的陶瓷的隔热层具有孔隙率为12％±4％的最下方的陶瓷的覆层(7”’)和孔隙率为25％±4％的靠外的陶瓷的覆层(10’)，其中所述最下方的陶瓷的覆层(7”’)与靠外的陶瓷的覆层(10’)的孔隙率的绝对差为至少2％。
8.根据权利要求1所述的方法，
其中所述双覆层的陶瓷的隔热层(13’)的下覆层比上覆层更薄地构成。
9.根据权利要求1所述的方法，
其中为陶瓷的隔热层的下覆层应用部分稳定化的氧化锆，和
为陶瓷的隔热层的上覆层应用稳定化的氧化锆。
10.根据权利要求1所述的方法，
其中将氧化锆用于所述新的第二陶瓷的隔热层或陶瓷的覆层(7”’，10’)，
并且要喷射的粉末的单斜晶系份额低于3％。
11.根据权利要求9所述的方法，
其中氧化锆中的正方晶系份额具有至少为60％的最大的份额。
12.根据权利要求10所述的方法，
其中通过热处理将氧化锆的单斜晶系份额降低。
13.根据权利要求8所述的方法，
其中不用聚合物喷射所述下覆层并且用聚合物喷射所述上覆层。
14.根据权利要求1所述的方法，
其中产生比陶瓷的隔热层的下覆层的平均孔直径(d7)更大的陶瓷的隔热层的上覆层的平均孔直径(d10)。
15.根据权利要求1所述的方法，
其中应用具有相同组分和相同粒度分布的相同的粉末用于制造所述双覆层的陶瓷的隔热层(13’)的上覆层和下覆层。
16.根据权利要求1所述的方法，
其中为陶瓷的隔热层的下覆层应用与用于陶瓷的隔热层的上覆层的材料不同的材料。
17.一种用于运行燃气轮机设施的方法，其中改变燃气轮机(100)的涡轮机叶片的陶瓷的层的类型，其中所述燃气轮机根据权利要求1制造。
18.根据权利要求17所述的方法，其中进行所述燃气轮机的日常启动，其中所述燃气轮机根据权利要求2、3、4、5、6、10、11或12来制造。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述燃气轮机多日连续地运行，其中所述燃气轮机根据权利要求3至16中任一项制造。
CN201280076282.2A 2012-10-05 2012-10-05 用于制造第二燃气轮机的方法以及用于运行燃气轮机设施的方法 Active CN104704200B (zh)

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