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1、10申请公布号CN104220698A43申请公布日20141217CN104220698A21申请号201280072005422申请日2012121812161760920120328EPF01D5/00200601F01D5/28200601C23C4/00200601C23C28/0020060171申请人西门子公司地址德国慕尼黑72发明人维尔纳施塔姆帕特里克布灵尔梅尔廷格罗斯霍伊泽尔安德烈亚斯帕尔迪特马尔赖尔曼米夏埃尔林德勒74专利代理机构北京集佳知识产权代理有限公司11227代理人张春水丁永凡54发明名称用于制造和重新整修燃气轮机中的陶瓷隔热层的方法以及相关的燃气轮机57摘要通过在。
2、涡轮叶片上使用不同的陶瓷隔热层7，13能够制造或重新整修燃气轮机的不同的构造，所述构造因此对于基本负荷运行的或峰值负荷运行的相应的使用领域而言是最优化的。喷射的隔热层7，13中的差异可通过粉末的不同的材料组分、例如氧化锆，通过层10的不同数量，通过不同的层厚度和/或通过不同的孔隙度得出。30优先权数据85PCT国际申请进入国家阶段日2014092886PCT国际申请的申请数据PCT/EP2012/0758882012121887PCT国际申请的公布数据WO2013/143631DE2013100351INTCL权利要求书4页说明书5页附图3页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利。
3、要求书4页说明书5页附图3页10申请公布号CN104220698ACN104220698A1/4页21一种用于制造第二燃气轮机的方法，其中基于第一燃气轮机，从所述第一燃气轮机的第一涡轮叶片上移除至少一个第一陶瓷隔热层7，13，并且将用于制造第二涡轮叶片7的新的第二陶瓷隔热层7，7”，13施加到已将覆层移除的所述第一涡轮叶片上，和/或将新的第二陶瓷隔热层7，7”，13施加到新制造的新的第二涡轮叶片上，所述新的第二陶瓷隔热层7，7”，13与所述第一陶瓷隔热层7，13具有明显差异，其中差异至少表示层厚度是不同的，其中减小的和增大的层厚度的差异至少为50M，和/或孔隙度是不同的，其中减小的或增大的孔隙。
4、度的绝对差异至少为2，和/或层性质是不同的，尤其是所述陶瓷隔热层7，7”，13的单层性质或双层性质，并且其中将所述新的第二涡轮叶片和/或所述第二涡轮叶片安装到所述第二燃气轮机中。2根据权利要求1所述的方法，其中将双层的陶瓷隔热层13从所述第一涡轮叶片上移除和/或将单层的隔热层7”作为第二陶瓷隔热层施加到所述第二涡轮叶片或所述新的第二涡轮叶片上。3根据权利要求2所述的方法，其中制造具有184的孔隙度的所述单层的陶瓷隔热层7”。4根据权利要求1所述的方法，其中将单层的隔热层7从所述第一涡轮叶片上移除和/或将双层的隔热层13、尤其是仅双层的隔热层13作为第二陶瓷隔热层施加到所述第二涡轮叶片或所述新的。
5、第二涡轮叶片上。5根据权利要求1、2、3或4中一项或多项所述的方法，其中所述第二涡轮叶片的或所述新的第二涡轮叶片的所述第二陶瓷隔热层7，7”，13的孔隙度相对于所述第一涡轮叶片的隔热层的孔隙度增大。6根据权利要求1、2、3或4中一项或多项所述的方法，其中所述第二涡轮叶片的或所述新的第二涡轮叶片的所述第二陶瓷隔热层7，7”，13的孔隙度相对于所述第一涡轮叶片的隔热层的孔隙度减小。7根据权利要求1至5中一项或多项所述的方法，其中将作为第一陶瓷隔热层的较薄的陶瓷隔热层7由作为所述第二涡轮叶片的或所述新的第二涡轮叶片的第二陶瓷隔热层的较厚的陶瓷隔热层7，13替换，其中厚度的差异至少为50M。8根据权利。
6、要求1至6中一项或多项所述的方法，其中将作为第一陶瓷隔热层的较厚的陶瓷隔热层由作为所述第二涡轮叶片的或所述新的第二涡轮叶片的第二陶瓷隔热层的较薄的陶瓷隔热层替换，其中厚度的差异至少为50M。9根据权利要求4至8中一项或多项所述的方法，其中制造所述双层的隔热层13，所述双层的隔热层具有孔隙度为124的最下部的陶瓷层片7”和孔隙度为184的外部的陶瓷层片10，权利要求书CN104220698A2/4页3其中所述陶瓷层片7”，10的孔隙度的绝对差异至少为2、尤其为4、更尤其至多为4。10根据权利要求4至8中一项或多项所述的方法，其中制造所述双层的隔热层13，所述双层的隔热层具有孔隙度为184的最下部。
7、的陶瓷层片7”和孔隙度同样为184的外部的陶瓷层片10。11根据权利要求4至8中一项或多项所述的方法，其中制造双层的隔热层13，所述双层的隔热层具有孔隙度为184的最下部的陶瓷层片7”和孔隙度为254的外部的陶瓷层片10，其中所述陶瓷层片7”，10的孔隙度的绝对差异至少为2、尤其为4、更尤其至多为4。12根据权利要求4至11中一项或多项所述的方法，其中所述双层的隔热层13的下部的层片7”与上部的层片10相比实施成是较薄的，尤其是薄至少20，尤其地，其中所述双层的隔热层13的所述下部的层片7”具有75M至150M的厚度，更尤其地，所述双层的隔热层13的总层厚度为500M至800M。13根据权利要。
8、求4至12中一项或多项所述的方法，其中为下部的陶瓷层片7”使用部分稳定的氧化锆并且为上部的陶瓷层片10使用部分稳定的氧化锆。14根据上述权利要求中一项或多项所述的方法，其中为陶瓷的隔热层7，7”，13或陶瓷层片7”，10使用氧化锆，并且要喷射的粉末的单斜晶的份额低于3、尤其低于15、更尤其至少为03。15根据权利要求13或14中一项或两项所述的方法，其中氧化锆中的四方晶的份额具有最大的份额，尤其至少为60、更尤其至少为75。16根据权利要求14或15所述的方法，其中通过热处理将氧化锆的单斜晶的份额，尤其待喷射的粉末的单斜晶的份额减小至少50，尤其减小到探测极限之下。17根据权利要求4至16中一。
9、项或多项所述的方法，其中在不具有聚合物的情况下喷射所述下部的层片7”并且在具有聚合物的情况下喷射所述上部的层片10。18根据权利要求4至17中一项或多项所述的方法，其中将所述上部的陶瓷层片10的平均孔直径D10与所述下部的陶瓷层片7”的平均孔直径D7相比制造得更大，更尤其大至少20M。19根据权利要求4至18中一项或多项所述的方法，其中使用具有相同的组分和相同的粒度分布的相同的粉末。20根据权利要求4至18所述的方法，其中为所述下部的陶瓷层片7”使用与用于所述上部的陶瓷层片10的材料不同的材料，尤其是为所述下部的层片7”使用氧化锆，更尤其是为所述上部的层片10”使用烧绿石。21一种具有涡轮叶片。
10、120，130的燃气轮机100，权利要求书CN104220698A3/4页4其中单层的陶瓷隔热层7”具有184的孔隙度。22一种具有涡轮叶片120，130的燃气轮机100，所述燃气轮机具有双层的隔热层13，其中所述双层的隔热层具有孔隙度为124的最下部的陶瓷层片7”和孔隙度为184的外部的陶瓷层片10，其中所述陶瓷层7”，10的孔隙度的绝对差异至少为2、尤其为4、更尤其至多为4。23一种具有涡轮叶片120，130的燃气轮机100，所述燃气轮机具有双层的隔热层13，所述双层的隔热层对于最下部的陶瓷层片具有184的孔隙度并且对于外部的陶瓷层片具有254的孔隙度，其中所述陶瓷层7”，10的孔隙度的绝。
11、对差异至少为2、尤其为4、更尤其至多为4。24一种具有涡轮叶片120，130的燃气轮机100，所述燃气轮机具有双层的隔热层13，所述双层的隔热层对于最下部的陶瓷层片具有184的孔隙度并且对于外部的陶瓷层片10具有184的相同的孔隙度。25一种具有涡轮叶片120，130的燃气轮机100，其中所述陶瓷层7，7”，13的或所述陶瓷层片7”，10的氧化锆具有小于3、尤其是小于15的单斜晶的份额，其中最小份额至少为1、尤其至少为05。26根据权利要求22、23、24或25所述的燃气轮机，其中所述下部的陶瓷层片7”具有部分稳定的氧化锆并且所述外部的陶瓷层片10具有部分稳定的氧化锆。27根据权利要求22、2。
12、3、24或25所述的燃气轮机，其中所述陶瓷层13的所述外部的层片10具有钙钛矿结构或烧绿石结构，并且尤其所述下部的陶瓷层片具有氧化锆。28根据权利要求22、23、24或25或根据权利要求26或27中一项或两项所述的燃气轮机，其中通过要喷射的粉末的粒度来设定所述最下部的陶瓷层片7”的孔隙度，并且通过具有聚合物的粒度较小的要喷射的粉末的颗粒来设定所述外部的陶瓷层片10的孔隙度。29根据权利要求22、23、24或25中一项或多项或根据权利要求26至28中一项或多项所述的燃气轮机，其中所述上部的陶瓷层片10的平均孔直径D10与所述下部的陶瓷层片7”的平均孔直径相比更大，更尤其大至少20M。30一种用于。
13、运行燃气轮机设备的方法，其中尤其根据权利要求1至20改变涡轮机100的涡轮叶片的陶瓷层的类型。31根据权利要求30所述的方法，其中进行所述燃气轮机的每日启动，尤其地，其中所述燃气轮机根据权利要求2、3、5、6、7、8、14、15或16制成。权利要求书CN104220698A4/4页532根据权利要求30所述的方法，其中多日持续运行所述燃气轮机，尤其地，其中所述燃气轮机根据权利要求4或5至20制成。33一种用于运行燃气轮机设备的方法，其中使用根据权利要求21、22、23、24或25所述的燃气轮机。权利要求书CN104220698A1/5页6用于制造和重新整修燃气轮机中的陶瓷隔热层的方法以及相关的。
14、燃气轮机技术领域0001本发明涉及一种用于制造柔性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0002燃气轮机能够在产生电流时在基本负荷运行中或尤其在峰值负荷运行中运行。0003对各种条件的要求是不同的。0004燃气轮机的满足两个要求的最优构造始终为折衷方案。发明内容0005因此，本发明的目的是解决所述问题。0006所述目的通过根据权利要求1所述的用于制造燃气轮机的方法、根据权利要求21、22、23、24或25所述的燃气轮机和根据权利要求30或33所述的方法来实现。0007在从属权利要求中列举了其他有利的措施，所述措施能够任意地彼此组合，以便实现其他优点。附图说明0。
15、008附图示出0009图13示出本发明的实施例，0010图4示出陶瓷层的孔分布，0011图5示出涡轮叶片并且0012图6示出燃气轮机。具体实施方式0013说明书仅描述本发明的实施例。0014燃气轮机100图6的维护间隔通过测定取决于运行方式和特定的因素的运行工作小时和启动来确定。分别在达到小时极限或启动极限之后可执行维护。0015现在，如果根据燃气轮机的使用领域维护是必需的，或者如果使用事先需要修复或其他使用，那么改变燃气轮机100的构造。0016术语定义0017第一燃气轮机具有带有第一隔热层的第一涡轮叶片。0018第二燃气轮机具有带有陶瓷隔热层的涡轮叶片，0019A其中第一涡轮叶片第二涡轮叶。
16、片和/或0020B新的未用过的涡轮叶片新的第二涡轮叶片被使用0021并且分别具有明显不同于第一隔热层的第二隔热层。说明书CN104220698A2/5页70022如果之前在所述第一燃气轮机中如在上文中描述的那样在运行中存在单层的隔热层，那么为了重新在基本负荷运行中使用，将双层的图3、更厚的图1或更多孔的陶瓷隔热层用于涡轮叶片120、130。0023用于第二燃气轮机的涡轮叶片能够在初始时同一基底是第一燃气轮机的或其他燃气轮机的第一涡轮叶片，所述第一涡轮叶片已经被使用、被相应地整修REFURBISHMENT、并且通过再覆层得到第二涡轮叶片，或者用于第二燃气轮机的涡轮叶片能够是新的第二涡轮叶片，其中。
17、新制造的新铸造的、还没有使用的涡轮叶片不同于第一燃气轮机的第一涡轮叶片被覆层。0024当燃气轮机100在基本负荷运行中就已经在涡轮叶片120、130上具有双层的陶瓷隔热层时，同样可能的是要施加单层的TBC，使得所述燃气轮机随后能够用在峰值负荷运行中每日启动装置，DAILYSTARTER图2。0025对于峰值负荷运行，优选仅使用具有一致的孔隙度的单层的陶瓷层。对于峰值负荷运行，涡轮叶片120、130上的陶瓷隔热层优选具有184的高的孔隙度。0026然而，在基本负荷运行中基本负载，BASELOADER使用双层的隔热层13图3。0027作为用于陶瓷层7、7”、7”、10、13的初始粉末优选使用结块的。
18、烧结的粉末。0028每个喷射的陶瓷层以覆层的方式施加。但是，双层表示第二层片在孔隙度和/或微结构和/或化学组成方面不同于位于下部的第一层片。0029作为下部的层片优选使用具有124的孔隙度的陶瓷层片7，所述陶瓷层片优选具有75M至150M的层厚度。此外，作为外部的陶瓷层片10喷射或存在具有184的孔隙度。然而，孔隙度的差异至少为2，尤其为4。在制造时孔隙度的波动是已知的。在负载CHARGE之内，即在叶片组之内不可记录波动。0030作为下部的层片同样优选使用具有124的孔隙度的陶瓷层片7，所述陶瓷层片优选具有75M至150M的层厚度。此外，作为外部的陶瓷层片10喷射或存在具有184的孔隙度。然而。
19、，孔隙度的差异至少为2，尤其为4。在制造时孔隙度的波动是已知的。在负载CHARGE之内，即在叶片组之内不可记录波动。0031作为下部的层片同样优选使用具有184的孔隙度的陶瓷层片7，所述陶瓷层片优选具有75M至150M的层厚度。此外，作为外部的陶瓷层片10喷射或存在具有254的孔隙度。然而，孔隙度的差异至少为2，尤其至少4。在制造时孔隙度的波动是已知的。在负载CHARGE之内，即在叶片组之内不可记录波动。0032为了在陶瓷层或陶瓷层片图1至3中产生孔隙度，在喷射时能够使用粗的晶粒，并且使用聚合物或使用具有聚合物的小的晶粒，其中粗的表示至少大20的平均微粒直径。0033双层的陶瓷层7、10能够借。
20、助不同的喷射方法制造下部的层片7在没有聚合物的情况下喷射并且上部的层片10在存在聚合物的情况下喷射。0034由此，在上部的层片10中得到较大的孔，这就是说，平均孔直径D10相对于下部的层片7的平均孔直径D7图4增大。这不是强制性的。较大的孔隙度通常仅通过孔大小相同的更多数量的孔实现。优选地，在此使用相同的粉末，即相同的粒度分布。0035用于隔热层的陶瓷层片的氧化锆ZRO2优选具有3、尤其15的单斜晶的份额。因此，涡轮叶片120、130上的陶瓷层片或层7、7、10、13图1至3具有与之相应说明书CN104220698A3/5页8的份额。0036单斜晶相的最小份额为至少1、尤其05，以便不会大程度。
21、地提高粉末的成本。0037通过改变第一隔热层7、7”、13的构造，在一定程度上制成另外的第二燃气轮机，所述第二燃气轮机对于其使用领域是优化的。0038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。0039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，也可以是蒸汽轮机或压缩机。0040叶片120、130沿着纵轴线121相继具有固定区域400、邻接于固定区域的叶片平台403以及叶身406和叶梢415。作为导向叶片130，叶片130可以在其叶梢415处具有另一平台没有示出。0041在固定区域400中形成有用于将转子叶片120、130固定在轴或盘上的叶片根部。
22、183没有示出。叶片根部183例如构成为锤头形。作为圣诞树形根部或燕尾形根部的其他设计方案是可行的。0042叶片120、130对于流过叶身406的介质具有迎流棱边409和出流棱边412。0043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EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949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。0044将带有一个或多个单晶结构的工件用作机器。
23、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，这涉及一种浇注法，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，并且形成柱状晶体的晶粒结构柱状地，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。0045如果一般性地提到定向凝固组织，则是指不具有晶界或最。
24、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状晶体结构。第二种所提到的晶体结构也称为定向凝固组织DIRECTIONALLYSOLIDIEDSTRUCTURES。由USPS6,024,792和EP0892090A1已知这样的方法。0046叶片120、130同样能够具有抗腐蚀或抗氧化的覆层，例如MCRALXM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EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或者EP1306454A1中已知。密度优选地是理论密度的95。在作为中间层。
25、或最外层的MCRALX层上形成保护性氧化铝层TGOTHERMALGROWNOXIDELAYER热生长氧化层。0047优选地，层组成具有CO30NI28CR8AL06Y07SI或者说明书CN104220698A4/5页9CO28NI24CR10AL06Y。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NI10CR12AL06Y3RE或者NI12CO21CR11AL04Y2RE或者NI25CO17CR10AL04Y15RE。0048在MCRALX上还可以有隔热层，隔热层优选是最外层并例如由ZRO2、Y2O3ZRO2组成，即，隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。。
26、隔热层覆盖整个MCRALX层。通过例如电子束气相淀积EBPVD的适当的覆层方法在隔热层中产生柱状晶粒。其他覆层方法也是可以考虑的，例如大气等离子喷射APS、LPPS低压等离子喷射、VPS真空等离子喷射或CVD化学气相沉积。隔热层可以具有多孔的、有微观裂缝或宏观裂缝的晶粒，用于更好地耐热冲击。因此，隔热层优选地比MCRALX层更为多孔。0049再整修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，去除腐蚀层和/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。
27、覆层以及构件120、130的重新使用。0050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。0051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。
28、。0052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。0053在此，导向叶片130固定在定子143的内壳体138上，相对地，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。0054在燃气轮机100工作期间，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。接着，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。
29、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。0055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。除了加衬于环形燃烧室110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。0056例如，铁基、镍基或钴基超合金用作构件的材料，尤其是用作涡轮叶片。
30、120、130和燃烧室110的构件的材料。例如由EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949已知这样的超合金。0057叶片120、130同样能够具有抗腐蚀的覆层MCRALXM是铁FE、钴CO、镍NI说明书CN104220698A5/5页10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HF。这样的合金从EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或者EP1306454A1中已知。0058在MCRALX上还可以有隔热层，并且所述隔热层优选由ZRO2、Y2O3ZRO2组成，即，所述隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。通过例如电子束气相淀积EBPVD的适当的覆层方法在隔热层中产生柱状晶粒。0059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，以及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。说明书CN104220698A101/3页11图1图2图3图4说明书附图CN104220698A112/3页12图5说明书附图CN104220698A123/3页13图6说明书附图CN104220698A13。