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DE4242099A1 - Vorrichtung, insbesondere Gasturbineneinrichtung, mit einer Beschichtung von Einrichtungsteilen - Google Patents

Vorrichtung, insbesondere Gasturbineneinrichtung, mit einer Beschichtung von Einrichtungsteilen

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DE4242099A1
DE4242099A1 DE4242099A DE4242099A DE4242099A1 DE 4242099 A1 DE4242099 A1 DE 4242099A1 DE 4242099 A DE4242099 A DE 4242099A DE 4242099 A DE4242099 A DE 4242099A DE 4242099 A1 DE4242099 A1 DE 4242099A1
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Germany
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gas
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Withdrawn
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DE4242099A
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Klaus Geese
Endre Reich
Franz Josef Dr Rohr
Manfred Dr Wetzko
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ABB Patent GmbH
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ABB Patent GmbH
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Publication date
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung,- insbeson­ dere eine Gasturbineneinrichtung, mit einer Beschichtung von Einrichtungsteilen.
Der Konzeption von Gasturbinensystemen liegt ein Anforde­ rungskomplex zugrunde, der sich einerseits aus dem Streben nach höheren Wirkungsgraden und andererseits aus zunehmend strengeren Umweltschutzvorschriften ergibt. Selbstverständ­ lich sind alle technischen Maßnahmen, die getroffen werden, um solchen Anforderungen zu genügen, außerdem unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit zu betrachten. Die Erfindung wird zwar hauptsächlich anhand eines Gasturbinensystems er­ läutert, läßt sich jedoch auch für andere Einrichtungen, wie z. B. Flugtriebwerke, Turbolader, Auspuffkrümmer oder Auspuffleitungen anwenden.
Eine Wirkungsgradverbesserung läßt sich bei Gasturbinen durch Erhöhung der Gaseintrittstemperatur erzielen. Mit einer solchen Temperaturerhöhung werden aber auch Einflüsse durch Hochtemperaturkorrosion verstärkt. In der Literatur, und so z. B. auch in der DE 35 43 802 ist deshalb eine kera­ mische Schutzbeschichtung von Gasturbinenteilen, insbeson­ dere von Gasturbinenschaufeln, vorgeschlagen worden. Es handelt sich dabei um eine Schutzbeschichtung, die chemi­ sche Angriffe an der metallischen Oberfläche von Bauelemen­ ten verringert und/oder durch Wärmedämmwirkung die Tempera­ tur im Oberflächenbereich des Bauelements absenkt. Als Schutzschicht mit Wärmedämmwirkung wurde z. B. eine Schicht aus Zirkoniumoxid vorgeschlagen, das mit Yttriumoxid stabi­ lisiert ist. Da eine solche Schicht nicht zufriedendstel­ lend direkt auf dem Schaufelmetall haftet, wurde außerdem als Haftzwischenschicht eine Legierung mit der Zusammenset­ zung MCrAlY vorgeschlagen, wobei als Metall M insbesondere Nickel geeignet ist.
Weiterhin ist aus der DE 35 39 029 ein Mischoxidsystem mit Perowskitstruktur als Hochtemperaturkorrosionsschutzschicht bekannt.
Es sind auch eine Reihe von- Einzelmaßnahmen bekannt, um den Ausstoß einer bestimmten Schadstoffart zu verringern. So wird z. B. in VGB Kraftwerkstechnik 71 (1991) Heft 3, Seite 192 bis 199 erwähnt, daß die Bildung von thermischen Stickoxiden durch die Flammentemperatur und die Verweilzeit bestimmt wird. Als technische Mittel zur NOx-Reduktion durch Verringerung der Flammentemperatur sind dort eine Wasser- oder Wasserdampfeindüsung beschrieben. Eine Verrin­ gerung der Verweilzeit kann durch Vergrößerung der Brenner­ zahl und damit einer Flächenverbrennung erreicht werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zur NOx-Verminde­ rung eine nichtkatalytische Reduktion im Abgasstrom durch Zusatz von Ammoniak oder Harnstoff oder stickstoffhaltigen Kohlenwasserstoffen bei Temperaturen von 800° bis 1100°C herbeizuführen.
Die genannten Zusatzstoffe wirken schon bei Temperaturen von 300° bis 450°C, wenn man eine selektive katalytische Reduktion unter Verwendung von Waben- oder Plattenkatalysa­ toren herbei führt.
Durch Einsatz eines Oxidationskatalysators, ebenfalls ty­ pisch als Waben- oder Plattenkatalysator, kann auch eine Verminderung des Kohlenmonoxidanteils und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgas erreicht werden.
Nachteilig ist, daß eine Anzahl von ganz unterschiedlichen Maßnahmen getroffen werden muß, um dem gesamten Anforde­ rungskomplex entsprechen zu können. Insbesondere ist eine Nachschaltung von Einrichtungen zur Abgasbehandlung aufwen­ dig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, in der eine einfachere Maßnahme oder Maßnah­ menkombination getroffen ist, um den eingangs genannten An­ forderungskomplex, nämlich Korrosionsschutz und Schadstoff­ verringerung zu entsprechen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung, insbeson­ dere Gasturbineneinrichtung, mit einer Beschichtung auf Einrichtungsteilen, die mit Brenngas oder Abgas in Kontakt treten, wobei
  • - Einrichtungsteile, die sich in einer ersten betriebs­ mäßigen Gastemperaturzone oberhalb von 600°C befin­ den, mit einer Beschichtung erster Art versehen sind, die außer einer Hochtemperatur-Korrosionsschutzwir­ kung auch eine Wirkung als Oxidationskatalysator auf­ weist und
  • - Einrichtungsteile, die sich in einer zweiten be­ triebsmäßigen Gastemperaturzone in einem Bereich von 350° bis 600°C befinden, mit einer Beschichtung zwei­ ter Art versehen sind, die außer einer Hochtempera­ tur-Korrosionsschutzwirkung auch eine Wirkung als Re­ duktionskatalysator aufweist.
Mit der Erfindung werden einheitliche Maßnahmen zur Erfül­ lung der Anforderungen vorgeschlagen, nämlich ausschließ­ lich Beschichtungen von Einrichtungsteilen einer Vorrich­ tung, insbesondere einer Gasturbine, um sowohl einen Schutz hinsichtlich Hochtemperaturkorrosion als auch eine Verrin­ gerung eines Schadstoffausstoßes zu erreichen.
Sowohl die erforderlichen Beschichtungsmaterialien als auch die Verfahren zur Herstellung dieser Beschichtungsmateria­ lien sowie Verfahren zum Aufbringen der Schichten auf me­ tallische Teile sind aus dem Stand der Technik bekannt, so daß wenige Hinweise zu Ausführungsmöglichkeiten genügen.
Erfindungswesentlich ist, daß Beschichtungen gewählt wer­ den, die eine kombinierte Schutz- und Katalysatorfunktion haben und daß in der Vorrichtung Schichten mit unterschied­ lichen katalytischen Eigenschaften eingesetzt werden.
Die grundsätzlichen Anforderungen an solche Schichten, näm­ lich hoher Ausdehnungskoeffizient, chemische Stabilität gegenüber einer Gasturbinenatmosphäre und hohe Thermo­ schockbeständigkeit sind selbstverständlich zu beachten.
Als Schutzschicht mit der Wirkung eines Oxidationskatalysa­ tors sind z. B. Mischoxide mit Perowskit- oder Spinellstruk­ tur auf LaMn-Basis geeignet, beispielsweise eines der nach­ stehenden Werkstoffsysteme:
La0,84Sr0,16MnO3 + (2,5 Gew.% Cr2O3+2,5 Gew.% Bi2O3) (1)
La0,84Ba0,16MnO3 (2)
La0,84Sr0,16MnO3 (3)
La0,8Ba0,2Mn2Cu0,4O3 (4)
Ein solcher Oxidationskatalysator bewirkt eine Nachverbren­ nung von CO und C-H-Verbindungen in der Temperaturzone oberhalb von 600°C.
Als Schutzschicht mit der Wirkung eines Reduktionskatalysa­ tors ist ein Mischoxid mit Perowskit- oder Spinellstruktur auf LaFeCu-Basis geeignet, beispielsweise eines der nachstehenden Werkstoffsysteme:
La0,84Sr0,16Cu0,6Cr1,6O3 (5)
La0,84Ba0,16Cu0,6Cr1,6O3 (6)
La0,8Fe2,0Cu0,3O3 (7)
Ein solcher Reduktionskatalysator bewirkt eine Reduktion von NOx zu N2 in einem Temperaturbereich von etwa 350° bis 600°C, vorzugsweise bis 500°C.
Dieser Vorgang kann noch unterstützt werden durch Zugabe eines Reduktionsmittels, z. B. NH3 oder NH3-Bildner, wie Harnstoff, in das Gasturbinensystem und zwar in einem Über­ gangsbereich zwischen den beiden Temperaturzonen.
Die Beschichtungsmaterialien können durch thermische Spritzverfahren, beispielsweise durch Plasma- oder Flamm­ spritzen, aufgebracht werden.
Je nach Anforderungen, gewählten Materialien und deren Ei­ genschaften kann die katalytisch wirksame Schicht als al­ leinige Schicht direkt auf metallische Flächen aufgebracht werden oder auf eine ein- oder mehrschichtige Wärmedämm- und Korrosionsschutzschicht. Praktisch erprobte Schicht­ dicken für die einzelnen Schichten liegen bei etwa 100 µm bis etwa 700 µm.
Soweit Turbinenschaufeln beschichtet werden sollen, kann ein Teil der Schaufeln mit oxydationskatalytischer Wirkung und ein Teil mit reduktionskatalytischer Wirkung beschichtet werden, je nachdem welchem Betriebstemperaturbereich die je­ weilige Schaufelreihe zuzuordnen ist.
Neben Turbinenschaufeln sind zur Beschichtung auch die In­ nenwände des Turbinengehäuses sowie des Brennerraums und/oder von Komponenten zur Gasführung geeignet.
Es versteht sich, daß für die Wahl geeigneter Werkstoffe neben den bereits genannten Anforderungen auch noch weitere Kriterien von Bedeutung sein können, z. B. auch in Abhängig­ keit von der Art des Brennstoffs für den Gasturbinenbe­ trieb. So kann z. B. eine Stabilität gegenüber SO2 von Be­ deutung sein. Es ist in diesem Zusammenhang darauf hinzu­ weisen, daß mit dem Werkstoffsystem (1) schon eine Lang­ zeiterfahrung vorliegt, nämlich aus der Verwendung als Kathodenschicht auf Hochtemperaturbrennstoffzellen. Dort hat sich dieses Werkstoffsystem auch bei Verunreinigungen des Brenngases durch Schwefel bewährt. In einem dreimonati­ gen Versuch mit den Werkstoffsystemen (3), (4) und (7) bei 800°C in einer SO2-Atmosphäre hat sich auch bei diesen Ka­ talysatoren keine Sulfatbildung gezeigt.
Ein weiterer Gesichtspunkt, der bei der Ausführung der Er­ findung eine Rolle spielen kann, ist die aus strömungstech­ nischen Gründen bestehende Forderung nach glatter Oberflä­ che von Turbinenschaufeln und Leitschaufeln, die der Wahl einer katalytisch hochwirksamen rauhen Oberfläche entgegen­ stehen. Es müssen also optimal, nicht unbedingt maximal wirkende Oberflächengestaltungen gewählt werden. Dies ist möglich, da innerhalb einer Gasturbineneinrichtung insge­ samt große Flächen zur Verfügung stehen, die mit heißen Verbrennungsgasen in Berührung kommen und somit als Kataly­ satorflächen genutzt werden können und die andererseits oh­ nehin eine Schutzbeschichtung erfordern.
Für das Werkstoffsystem (1) wurde u. a. auch die Hochtempe­ raturbeständigkeit bis 1200°C in Langzeittest erprobt. Aus den Testergebnissen kann eine mehrjährige Betriebs zeit bei 1000°C und auch eine Thermozyklisierbarkeit gefolgert wer­ den.

Claims (8)

1. Vorrichtung, insbesondere Gasturbineneinrichtung, mit einer Beschichtung auf Einrichtungsteilen, die mit Brenngas oder Abgas in Kontakt treten, wobei
  • - Einrichtungsteile, die sich in einer ersten betriebs­ mäßigen Gastemperaturzone oberhalb von 600°C befin­ den, mit einer Beschichtung erster Art versehen sind, die außer einer Hochtemperatur-Korrosionsschutzwir­ kung auch eine Wirkung als Oxidationskatalysator aufweist und
  • - Einrichtungsteile, die sich in einer zweiten be­ triebsmäßigen Gastemperaturzone in einem Bereich von 350° bis 600°C befinden, mit einer Beschichtung zwei­ ter Art versehen sind, die außer einer Hochtempera­ tur-Korrosionsschutzwirkung auch eine Wirkung als Re­ duktionskatalysator aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die beschichteten Einrichtungsteile Komponenten eines Gasturbinensystems oder eines Flugtriebwerks oder ei­ nes Turboladers oder von Auspuffeinrichtungen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beschichteten Einrichtungsteile aus­ gewählt sind aus Brennerraum, Schaufeln, Turbinengehäuse und Komponenten zur Gasführung.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Beschichtung erster Art Mischoxide mit Perowskit- oder Spinellstruktur auf LaMn-Basis verwendet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Beschichtung erster Art ausgewählt ist aus ei­ nem der nachstehenden Werkstoffsysteme La0,84Sr0,16MnO3 + (2,5 Gew.% Cr2O3+2,5 Gew.% Bi2O3)
La0,84Ba0,16MnO3
La0,84Sr0,16MnO3
La0,8Ba0,2Mn2Cu0,4O3.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Beschichtung der zwei­ ten Art Mischoxide mit Perowskit- oder Spinellstruktur auf LaCu-Basis verwendet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß für eine Beschichtung der zweiten Art eines der nachstehenden Werkstoffsysteme gewählt ist: La0,84Sr0,16Cu0,6Cr1,6O3
La0,84Ba0,16Cu0,6Cr1,6O3
La0,8Fe2,0Cu0,3O3.
8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Gasturbineneinrichtung in einem Bereich des Übergangs von der ersten zur zweiten Temperaturzone ein Reduktionsmittel, wie NH3 oder ein NH3-Bildner zugeführt ist.
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