绝热层在汽轮机汽缸上的应用和汽轮机

摘要

本发明涉及将一个绝热层(7)应用在一个汽轮机的一个汽缸上，来均衡不同结构部件由于升温情况不同而产生的变形特性。

说明书

技术领域

本发明涉及权利要求1或2所述的一个绝热层的应用和一种权利要求29所述的汽轮机。

背景技术

涂敷在结构部件上的绝热层在燃气轮机领域较为常见，例如EP 1 029115或WO 00/25005中就有对绝热层的描述。

DE 195 35 227 A1公布了一种设置在一个汽轮机中的绝热层，通过这种绝热层可以将具有不良机械性能但价格并不很昂贵的材料用在涂有绝热层的基材上。所述绝热层涂敷在进汽区的低温区上。

GB 1 556 274公布了一种具有一个绝热层的涡轮叶轮盘，该绝热层用于降低涡轮叶轮盘的较薄区域上的热输入。

US 4,405,284公布了一种用于改善磨损性能的双层陶瓷外层。

US 5,645,399公布了在一个燃气轮机中局部涂敷绝热层的方法，其目的在于缩小轴向间隙。

专利文献723 476中公布了一种实施为两部分的、具有一个较厚陶瓷外层的汽缸。该汽缸的汽缸部件为纵向堆叠布置，而非轴向并排布置。

涂敷绝热层后，结构部件可以在比其母材所允许的温度更高的温度条件下使用，或其使用寿命可以得到延长。

使用已知母材所能实现的最高工作温度为1000℃-1100℃，而具有一个绝热层的涂层在燃气轮机中所能实现的工作温度最高可以达到1350℃。

与燃气轮机相比，汽轮机中的结构部件的工作温度明显低很多，但流体的压力和密度比燃气轮机高，流体类型也有所不同，因而汽轮机对材料有着不同的要求。

影响汽轮机效率的一个重要因素是转子和定子之间的径向间隙和轴向间隙。汽轮机汽缸的变形对此有着很大影响，其中，汽轮机汽缸的一个作用是将导向叶片定位在固定在涡轮轴上的动叶片的对面。这里所说的汽缸变形既有热方面的原因(由于热输入)，也有粘塑性方面的原因(由于部件蠕变或弛豫)。

其他的汽轮机部件(例如阀体)上出现不允许的粘塑性变形时，会对这些部件的功能(例如阀的紧密性)产生不利影响。

发明内容

本发明的目的是消除上述疑难问题。

这个目的通过根据权利要求1或2所述的、在汽轮机汽缸上使用一个绝热层而达成。

这个目的还通过一种权利要求29所述的具有一个绝热层的汽轮机而达成，所述绝热层具有局部不同的参数(材料、孔隙度、厚度)。这里所说的“局部”指的是一个汽轮机的一个或多个结构部件的不同表面区域。

所述绝热层不一定只用于提高工作温度的范围，它也可以通过下列方法目的明确地对变形特性产生积极影响：

a)降低一个汽缸部件相对于另一个汽缸部件的累积稳定温度(integralestationre Temperatur)，

b)在不稳定状态(启动、停机、负荷变换)下将结构部件和温度变化强烈的蒸汽相隔离，

c)减小汽缸的粘塑性变形程度，高温环境下材料的蠕变阻力减小和结构部件上的温差所引起的热应力都会导致出现这种粘塑性变形。

从属权利要求所涉及的是本发明的结构部件的其他有利实施方案。

从属权利要求中所列举的措施可以以有利的方式结合起来。

有利的方案是，通过对涡轮转子和涡轮定子，即，涡轮叶片和一个汽缸之间的一个径向间隙最小化，使变形特性的控制影响具有利效果。

通过最小化所述径向间隙可以提高汽轮机的效率。

同样有利的方案是，通过控制变形特性来对汽轮机中的轴向间隙，特别是转子和汽缸之间的轴向间隙，进行有控制的调节，并将其最小化。

特别有利的方案是，通过在汽缸上涂敷绝热层而使得汽缸的一个累积温度(integrale Temperatur)小于涡轮轴的温度，这样，汽轮机工作时(大于室温)转子和定子之间的径向间隙，也就是动叶片顶端和汽缸或导向叶片顶端和涡轮轴之间的径向间隙就比装配时(室温)的小。通过减小汽缸的不稳定热变形程度和使汽缸适应多数情况下具有更大热惰性的涡轮轴的变形特性，同样可以缩小之后所出现的径向间隙。通过涂敷绝热层还可以减小粘性蠕变的程度，从而使结构部件获得更长的使用寿命。

所述绝热层既可以用在新制成的结构部件上，也可以用在使用过的(即无需维修的)和重新加工过的结构部件上。

附图说明

下面借助附图对实施例进行说明，其中：

图1、2、3、4为一个结构部件的一个绝热层的布置方案；

图5、6为一个结构部件的绝热层内部的孔隙梯度；

图7、9为温差对一个结构部件的影响；

图8为一个汽轮机；

图10、11、12、13、14、15、16、17为一个绝热层的其他使用实施例；

图18为一个绝热层对一个接受过重新加工的结构部件的使用寿命的影响。

具体实施方式

图1显示的是一个根据本发明使用了一个绝热层的结构部件1的一个第一实施例。结构部件1是一个结构部件或一个汽缸，特别是一个涡轮机(燃气、蒸汽)的一个入流区333的一个汽缸335，特别是一个汽轮机300、303(图8)的一个汽缸，其由一基材4(例如支承结构)和一涂敷在该基材上的绝热层7构成。

绝热层7特别是一个例如由氧化锆(借助氧化钇和/或氧化镁达到部分稳定和完全稳定)和/或氧化钛制成的陶瓷层，其厚度例如大于0.1mm。这样就可以使用完全由氧化锆或氧化钛制成的绝热层7。所述陶瓷层可以使用已知的涂层工艺，例如大气等离子喷涂(APS)、真空等离子喷涂(VPS)、低压等离子喷涂(LPPS)，和化学或物理涂层方法(CVD、PVD)来进行涂敷。

图2显示的是根据本发明使用了一个绝热层的结构部件1的另一个实施方案。基材4和绝热层7之间布置了至少一个中间保护层10。中间保护层10用于防止基材4受到腐蚀和/或发生氧化，以及/或者用于使绝热层更好地与基材4相结合。这个作用特别体现在当所述绝热层由陶瓷制成、而所述基材4由一金属制成时。

用于防止基材4在高温下受到腐蚀和发生氧化的中间保护层10例如主要含有下列元素，其含量按重量百分比分别为：

11.5％至20.0％的铬，

0.3％至1.5％的硅，

0.0％至1.0％的铝，

0.0％至0.7％的钇和/或至少一等量的、选自钪和稀土元素的金属，

其余部分为铁、钴和/或镍以及生产过程中出现的杂质；

金属质的中间保护层10特别由下列元素构成，其含量按重量百分比分别为：

12.5％至14.0％的铬，

0.5％至1.0％的硅，

0.1％至0.5％的铝，

0.0％至0.7％的钇和/或至少一等量的、选自钪和稀土元素的金属，

其余部分为铁和/或钴和/或镍以及生产过程中出现的杂质。

优选方案为，其余部分仅为铁。

中间保护层7的铁基成分组合显示出特别良好的特性，因而保护层7非常适合涂敷在铁氧体基材4上。其中，基材4和中间保护层10可以具有非常接近的、甚至于相同的热膨胀系数，从而使得基材4和中间保护层10之间不会出现热应力(热失配)，这种热应力的形成会引起中间保护层10的剥落。这一点特别重要，因为使用铁氧体材料时通常不进行用于达到扩散结合目的的热处理，保护层7主要或完全是在附着力的作用下粘附在基材4上。

基材4特别是铁氧基合金、钢或者镍或钴基超耐热合金，特别是1％CrMoV钢或10-12％铬钢。

结构部件1的其他有利铁氧体基材4有：

用于涡轮轴(309，图4)的1-2％Cr钢：例如30CrMoNiV5-11或23CrMoNiWV8-8，

用于汽缸(例如335，图4)的1-2％Cr钢：G17CrMoV5-10或G17CrMo9-10，

用于涡轮轴(309，图4)的10％Cr钢：X12CrMoWVNbN10-1-1，

用于汽缸(例如335，图4)的10％Cr钢：GX12CrMoWVNbN10-1-1或GX12CrMoVNbN9-1。

图3显示的是根据本发明使用了一个绝热层的结构部件1的另一个实施例。在这个实施例中，绝热层7上的一个抗侵蚀保护层13构成外表面。这个抗侵蚀保护层由一种金属或合金制成，可以防止结构部件1受到侵蚀和/或出现磨损，这种情况特别出现在其过热蒸汽区起氧化皮的汽轮机300、303(图8)中，过热蒸汽区中的平均流速大约为50m/s(即20-100m/s)，压力最高达400巴。

为使绝热层7获得尽可能有效的作用方式，绝热层7具有一定的开口孔隙度和/或封闭孔隙度。

所述的抗磨损/侵蚀保护层13优选具有一个较大的密度，由铁、铬、镍和/或钴基合金，或在MCrAlX、例如NiCr 80/20、添加硼(B)和硅(Si)而制成的NiCrSiB或NiAl(例如Ni：95％，Al：5％)基础上制成的合金制成。

汽轮机300、303上特别可以使用一种金属质的抗侵蚀保护层13，因为汽轮机300、303中的进汽区33的最高工作温度为800℃或850℃。针对这种温度范围存在足够多的金属涂层，它们可以在结构部件1的全部使用过程中为其提供必要且有效的抗侵蚀保护。

在燃气轮机中并不是到处都可以在一个陶瓷绝热层7上涂敷金属质的抗侵蚀保护层13，因为金属质的抗侵蚀保护层13作为外层无法承受最高可达1350℃的个别最高温度。

抗侵蚀保护层13同样可以实施为陶瓷质的抗侵蚀保护层13。

用于制作抗侵蚀保护层13的其他材料例如有：

-碳化铬(Cr₃C₂)，

-一种由碳化钨、碳化铬和镍构成的混合物(WC-CrC-Ni)，各成分含量按重量百分比例如分别为73％的碳化钨、20％的碳化铬和7％的镍，

-添加了镍的碳化铬(Cr₃C₂-Ni)，各成分含量按重量百分比例如分别为83％的碳化铬和17％的镍，

-一种由碳化铬和镍铬构成的混合物(Cr₃C₂-NiCr)，各成分含量按重量百分比例如分别为75％的碳化铬和25％的镍铬，

-钇稳定氧化锆，各成分含量按重量百分比例如分别为80％的氧化锆和20％的氧化钇。

在图3所示的实施例基础上，还可以再设置一个中间保护层10(图4)。

图5显示的是一个具有一个孔隙梯度的绝热层7。绝热层7中存在复数个孔隙16。绝热层7的密度ρ在朝一个外表面的方向上逐渐增大(箭头方向)。

这样，与外表面区域或绝热层7与抗侵蚀保护层13之间的接触面区域相比，在绝热层7靠近基材4或一个有可能存在的中间保护层10的一侧出现了一个优选为更大的孔隙度。

在图6中，绝热层7的密度ρ的梯度分布(箭头方向)与图5所示的相反。

图7a、b显示的是绝热层7对结构部件1的热变形特性的影响。

图7a显示的是一个不具有绝热层的结构部件。基材4相对的两侧上具有两个不同的温度，一个较高的温度T_max和一个较低的温度T_min，由此形成一个径向温差dT(4)。如虚线所示，基材4在该温差的影响下发生膨胀，在具有较高温度T_max的区域由于热膨胀的缘故，其膨胀程度比具有较低温度T_min的区域要大。这种膨胀程度呈现不同的现象引起一个汽缸非预期的变形。

与此不同的是，图7b所示的基材4上存在一个绝热层7，其中，基材4和绝热层7的总厚度与图7a所示的基材4的厚度例如正好相同。尽管外侧温度T_max与图7a所示的相同，但绝热层7将基材4表面上的最高温度以很大的比例降低到一个温度T′_max。其原因不仅在于基材4的表面与绝热层7带有较高温度的外表面之间存在一定的距离，还主要在于绝热层7的低热导率。绝热层7的内部存在一个比金属基材4中大很多的温度梯度。这样，温差dT(4，7)(＝T′_max-T_min)就比图7a所示的温差(dT(4)＝dT(7)+dT(4，7))小。由此，如虚线所示，基材4所发生的热膨胀在程度上小了很多，甚至与温度为T_min的表面所发生的热膨胀几乎没有差别，从而使得局部不同的膨胀程度至少均衡化。绝热层7的热膨胀系数通常比基材4的热膨胀系数小。图7b所示的基材4也可以与图7a所示的基材具有同样大小的厚度。

图8显示的是一个汽轮机300、303的实施例，该汽轮机具有一个沿一旋转轴306延伸的涡轮轴309。

所述汽轮机具有一个高压部分300和一个中压部分303，这两个部分分别具有一个内缸312和一个包围在该内缸外面的外缸315。中压部分303实施为双流式。中压部分303同样也可以实施为单流式。

沿高压部分300和中压部分303之间的旋转轴306上布置着一个轴承318，其中，涡轮轴309在轴承318上有一个轴承区321。涡轮轴309支承在位于高压部分300旁边的另一个轴承324上。高压部分300在该轴承324的区域内具有一个轴封装置345。位于中压部分303的外缸315的另一边的涡轮轴部分309由另外两个轴封装置345密封。

高压部分300的涡轮轴309在一个高压进汽区348和一个排汽区351之间具有高压转动叶片354、357。所述高压转动叶片354、357与图中未作详细显示的附属转动叶片一起构成一个第一叶片区(Beschaufelungsbereich)360。

中压部分303具有一个带有内缸335和外缸334的中部进汽区333。位于进汽区333内的涡轮轴309具有一个实施为一个盖板的径向对称轴保护装置363，这个盖板既可以将蒸汽流分成中压部分303的双流蒸汽，也可以防止过热蒸汽与涡轮轴309发生直接接触。中压部分303的涡轮轴309在带有中压转动叶片354、342的叶片区的汽缸366、367处有一个第二区域。流过所述第二叶片区的过热蒸汽从中压部分303的一个出口管369流向一个在流体技术中通常布置在下游的、图中未显示的低压部分。

涡轮轴309由两段涡轮轴309a和309b组成，其在轴承318的区域内固定连接在一起。

每种类型的汽轮机的进汽区333均特别具有一个绝热层7和/或抗侵蚀保护层13。

通过涂敷一个绝热层来使变形特性受到控制特别可以提高一个汽轮机300、303的效率。例如通过最小化转子部件和定子部件(汽缸)之间的径向间隙(“径向”指垂直于旋转轴306)就可以做到这一点(图16、17)。通过控制汽缸和转子的叶片的变形特性同样可以将一个轴向间隙378(平行于旋转轴306)最小化。

下面仅以一个汽轮机300、303的结构部件1为例对绝热层7的使用进行说明。

图9显示的是局部不同的温度对一个结构部件的轴向膨胀行为所产生的影响。

图9a显示的是一个由于温度升高(dT)而发生膨胀(dl)的结构部件1。图中虚线部分表示的就是这种热线膨胀dl。尽管出现这种膨胀现象，但仍然可以对结构部件1进行夹持、支承或固定处理。

图9b显示的同样是一个由于升温而发生膨胀的结构部件1。但所述结构部件1不同区段的温度各不相同。例如其中间区段，例如带有汽缸335的入流区333的温度T₃₃₃就比相邻的叶片区(汽缸366)和另一个相邻汽缸367的温度T₃₆₆、T₃₆₇高。带有参考符号333_gleich的虚线表示当所述结构部件的所有区段或汽缸333、366、367经历一次均匀升温时入流区333所发生的热膨胀。但由于入流区333的温度比其周围的汽缸366和367的温度高，因此，入流区333的膨胀程度也比虚线333′所示的程度大。入流区333布置在汽缸366和另一个汽缸367之间，这一点使得入流区333无法自由膨胀，从而导致出现不均衡的变形特性。通过涂敷绝热层7可以使这种变形特性得到控制和/或均衡。

图10显示的是汽轮机300、303的一个区段333放大的详图。汽轮机300、303在入流区333的周围具有一个温度例如为250℃到350℃的外缸334和一个温度例如为450℃到620℃、但也可能最高达800℃的内缸335，从而导致出现例如大于200℃的温差。绝热层7涂敷在入流区333的内缸335的内侧336。外侧337例如没有涂敷绝热层7。内缸335上的热输入由于涂敷了绝热层7而有所减小，从而使得入流区333的汽缸335的热变形特性和汽缸335、366、367的整体变形特性受到影响。由此可以达到有控制地调节和均衡内缸334或外缸335的整体变形特性的目的。可以通过改变绝热层7的厚度(图12)和/或通过在汽缸表面的不同位置涂敷不同材料(参见例如图13所示的内缸335)来调节一个或多个汽缸(图9b)的变形特性。所述内缸335的不同位置同样可以具有不同的孔隙度(图14)。绝热层7可以涂敷在局部区域，例如只涂敷在内缸335处于入流区333范围内的区域上。绝热层7同样也可以只涂敷在叶片区366的局部区域上(图11)。

在各种汽缸中，本申请所指的是在轴向上彼此邻接(335连着336)的汽缸，而非由两部分(上半部分和下半部分)构成的汽缸部件，例如DE-PS723476公布的在径向上分为两部分的分瓣汽缸。

图12显示的是一个绝热层7的另一个使用实施例。在这个实施例中，入流区333上的绝热层7比汽轮机300、303的叶片区的汽缸366上的绝热层厚，例如至少厚了50％。通过取用这样一个绝热层厚度，内缸334(由入流区333和叶片区的汽缸366构成)的热输入、热膨胀和变形特性均得到了有控制的调节，并(在轴向长度范围内)得到均衡。入流区333的区域内也可以使用一种与叶片区的汽缸366所使用的材料不同的材料。

图13显示的是结构部件1的不同汽缸335、366上所使用的不同绝热层7材料。区段或更准确地说是汽缸335、366上涂敷了一个绝热层7。但入流区333区域上的绝热层8由一种第一绝热层材料制成，而叶片区的汽缸366上的绝热层9则由一种第二绝热层材料制成。由于绝热层8、9分别采用了不同的材料，因而会出现不同的绝热效果，由此达到对区段333和汽缸366的变形特性进行调节，特别是均衡的目的。温度较高的区段333一般具有较高的绝热效果。绝热层8、9可以具有相同的厚度和/或孔隙度。绝热层8、9之上当然可以再布置一个抗侵蚀保护层13。

图14显示的是一个结构部件1、300、303，所述结构部件的不同汽缸335、366上存在从20％到30％不等的孔隙度。例如带有绝热层8的入流区333就具有比叶片区汽缸上的绝热层9更高的孔隙度，由此，入流区333上获得的绝热效果比通过绝热层9而在叶片区汽缸366上实现的绝热效果还要大。同样的，绝热层8、9也可以采用不同的厚度和材料。这样，例如通过调节孔隙度就可以使一个绝热层7具有不同的绝热效果，从而达到对一个结构部件1的不同区段/汽缸333、366进行调节的目的。

上述绝热层7同样可以涂敷在布置在一个蒸汽发生器(例如锅炉)下游的、用于输送过热蒸汽的管道(例如通道46，图15；入流区351，图8)的内侧或其他用于引导过热蒸汽的管路和配件(例如旁通管路、旁通阀或电站的工业用汽管路)的内侧。

绝热层7的另一种有利用途是将其涂敷在蒸汽发生器(锅炉)导汽部件与各种热介质(烟气或过热蒸汽)相接触的一侧上。所述部件例如是一个连续流锅炉上的锅筒或者并非用于加热蒸汽或出于其他原因而应防止其受到热介质侵蚀的部分。

此外，通过在一个锅炉，特别是一个连续流锅炉，特别是一个本生锅炉的外侧涂敷绝热层7可以取得一种可以降低燃料消耗的绝缘效果。

绝热层8、9之上同样还可以存在一个抗侵蚀保护层13。

通过采用图11、12和13所示的措施可以达到调节转子和定子(汽缸)之间的轴向间隙的目的，这是因为尽管存在不同的温度或热膨胀系数，但热膨胀程度却得到了均衡(dl₃₃₃≈dl₃₆₆)。当汽轮机处于稳定状态时，也存在温差。

图15显示的是一个绝热层7的另一个使用实施例，也就是一个阀31的阀体34，其中，一过热蒸汽通过一个进汽通道46流入所述阀体中。

进汽通道46引起阀体34的机械衰减。阀31由例如一个圆筒形汽缸34和一个阀盖或汽缸37构成。所述汽缸部件34内部有一个阀活塞，其由一个阀座40和一个阀杆43构成。部件蠕变导致汽缸40和阀盖37出现不均衡的轴向变形特性。如虚线所示，阀体34会在通道46的区域内发生较大程度的轴向膨胀，从而导致阀盖37连同阀杆43一起发生倾斜。这样，阀座40出现偏斜，致使阀31的紧密性减小。通过在汽缸34的一个内侧49上涂敷一个绝热层7可以使所述变形特性均衡化，从而达到令汽缸34和阀盖37的两端52、55均衡膨胀的目的。

涂敷绝热层7的作用基本在于对变形特性进行控制，并以此来保障阀31的紧密性。

图16显示的是一个定子58，例如一个汽轮机300、303的一个汽缸335、366、367，和一个转动部件61(转子)，特别是一个涡轮叶片120、130、342、354。

以定子58和转子61为说明对象的温度-时间曲线图T(t)表示，例如在汽轮机300、303停机时，定子58的温度T下降得比转子61的温度快。在此情况下，汽缸58的收缩程度也比转子61大，从而使得汽缸58逐渐向所述转子靠近。因此，低温状态下的定子58和转子61之间必须保持一个相应的间距d，来防止汽缸58在这个工作阶段中被转子61擦伤。

当一个转子体积较大，使用的工作温度为600K时，所述径向间隙为3.0到4.5mm。

在工作温度为500K的较小型汽轮机中，所述径向间隙为2.0到2.5mm。在所述的这两种情况中，通过使温差减小50K可以使所述间隙缩小0.3到0.5或0.8mm。

这样可以减少从汽缸58和涡轮叶片61之间流过的蒸汽量，从而达到提高汽轮机效率的目的。

图17所示的定子(非转动部件)58上涂敷了一个绝热层7。绝热层7使得定子58或升温幅度更大或升温速度更快的汽缸335具有更大的热惰性。温度—时间曲线图中显示的仍然是有关定子58和转子61的温度T的时间特性曲线。在定子58上涂敷绝热层7后，定子58的温度上升得已没有原来那样快，两条曲线之间的差别也变小了。即使在室温条件下，这种做法也能减小转子61和定子58之间的径向间隙d7，从而使得汽轮机300、303的效率由于汽轮机工作时的间隙较小而得到相应的提高。

将绝热层7涂敷在转子61，例如涡轮叶片342、354、357上可以取得同样的效果。

间距-时间图表示，在室温下会出现一个较小的、不会导致定子58和转子61被擦伤的间距d7(d7＜di＜ds)。

温差和随之出现的间隙变化是由汽轮机300、303的不稳定状态(启动、负荷变换、停机)引起的，而当汽轮机处于稳定运行时，则不会出现径向间距发生变化的问题。

图18显示的是涂敷一个绝热层对一个接受过重新加工的结构部件的影响。

重新加工(Refurbishment)指的是必要时对使用过的结构部件进行修理，也就是除去其上的腐蚀产物和氧化产物，必要时检测裂纹情况，例如通过充填焊料来对其进行修复。每个结构部件1在其被完全损坏之前均具有一定的使用寿命。当所述结构部件1，例如一个涡轮叶片或一个内缸334，在一个时间点t_s上经检查并接受了重新加工时，就达到了一定的损坏率。参考符号22表示的是有关结构部件1受损情况的时间特性曲线。过了维修时间点t_s之后，当所述结构部件没有接受重新加工时，受损曲线就会如虚线25所示的那样继续延伸。这会使该结构部件的剩余使用寿命变得相当短。通过在受到过损坏或发生过微结构变化的结构部件1上涂敷一个绝热层7，可以显著延长结构部件1的使用寿命。绝热层7降低了结构部件上的热输入，减小了结构部件的受损程度，因而，表示其使用寿命的曲线就会如曲线28所示的那样继续延伸。这条曲线的走向明显比曲线25的走向平缓，因此，涂敷了绝热层后的结构部件1至少还可以使用像之前的使用时间那么长的时间。

并非任何情况下都是为延长经检查后的结构部件的使用寿命，一次或多次涂敷绝热层7也可以只是为了对汽缸部件的变形特性进行控制和均衡，以达到如上文所述通过调节转子和汽缸之间的径向间隙及轴向间隙来提高汽轮机效率的目的。因此，绝热层7也可以有利地涂敷在不需要修理的结构部件1或汽缸部件上。