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WO2020043541A1 - Verfahren zum betrieb einer gasturbine - Google Patents

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Publication number
WO2020043541A1
WO2020043541A1 PCT/EP2019/072201 EP2019072201W WO2020043541A1 WO 2020043541 A1 WO2020043541 A1 WO 2020043541A1 EP 2019072201 W EP2019072201 W EP 2019072201W WO 2020043541 A1 WO2020043541 A1 WO 2020043541A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas turbine
rotor
housing
rotor blades
gap
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/072201
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Döhnert
Sarah GÄRTLEIN
Andreas Heilos
Francis Ladru
Thorsten Schulz
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2020043541A1 publication Critical patent/WO2020043541A1/de

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/12—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
    • F01D11/122—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with erodable or abradable material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
    • F01D11/22—Actively adjusting tip-clearance by mechanically actuating the stator or rotor components, e.g. moving shroud sections relative to the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/10—Particular cycles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/12—Testing on a test bench
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/11—Purpose of the control system to prolong engine life
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/20—Purpose of the control system to optimize the performance of a machine

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a gas turbine comprising a rotor with a plurality of rotor blades and a housing, wherein at least the tips of the rotor blades are coated with a hard material and an abradable layer is attached to the housing in the region of the rotor blades, and wherein between the Rotor and the housing a gap is formed.
  • the invention further relates to a control device for performing such methods and a gas turbine with such a control device.
  • the size of the column changes during operation of the gas turbine.
  • different heating or cooling speeds of the housing and blades especially in transient operation
  • deformation of the shaft bearings when heating ovality or uneven deformation of the housing when heating due to asymmetrical cooling air supply or asymmetrical housing design
  • uneven aging (creep) of the components etc.
  • the rotor blades are shortened as a result, so that larger gaps and thus greater losses occur in the subsequent full-load operation.
  • a system for predicting turbine friction is known from US Pat. No. 8,682,563 B2.
  • a method for minimizing an adjustable gap between a rotor blade and a housing of a turbine is known from WO 2014/016153 A1.
  • the gap between the rotor and the housing is to be minimized in a simple manner.
  • an output signal is sent to the runner
  • the structure-borne noise monitoring system assigned as a measure of the size of the gap and thus used for setting a minimum gap.
  • a grindable seal is attached to the turbine housing, which is also referred to as the abradable layer.
  • strip seals or layers for the rotor blades of gas turbines which are arranged on the inner wall of the turbine housing, are designed as honeycomb structure seals (also called “honeycomb seal”) or as porous, ceramic coatings.
  • honeycomb structure seals also called “honeycomb seal”
  • porous, ceramic coatings are designed as honeycomb structure seals (also called “honeycomb seal") or as porous, ceramic coatings.
  • cubic boron nitride is used as the hard material coating.
  • Such a coating device is shown, for example, in DE 44 36 186 C2.
  • the cubic boron nitride has only a limited service life of several hundred hours at the operating temperatures (> 1100 ° C) of a gas turbine.
  • the invention has for its object to enable a particularly gentle operation of the gas turbine for the coated tips of the rotor blade.
  • the object is achieved by a method for operating a gas turbine comprising a rotor with a plurality of rotor blades and a housing, wherein at least some of the rotor blades are coated with a hard material and a stripping layer is attached to the housing in the region of the rotor blades, and wherein between a gap is formed in the rotor and the housing, the gas turbine being:
  • the object is achieved according to the invention by a further method for operating a gas turbine comprising a rotor with a plurality of rotor blades and a housing, wherein at least the tips of the rotor blades are coated with a hard material and on the housing in the region of the rotor blades AbstreifSchicht is attached, and wherein a gap is formed between the rotor and the housing, wherein
  • the gas turbine is operated at full load until the gas turbine is completely warmed up, an optional gap optimization in which there is an axial offset of the rotor and / or the housing is switched on,
  • the gas turbine is relieved at part load and operated at least one hour at part load.
  • control device for carrying out the method or methods described above.
  • the object is finally achieved according to the invention by a gas turbine with such a control device.
  • the invention is based on the idea of deliberately provoking the rubbing, in particular establishing the rubbing in the first operating hours of the gas turbine as a standard.
  • the main advantage is that the coating, e.g. contains cubic bornite trit, is still intact and can therefore be rubbed into the abradable layer without shortening the tip of the blade. It is not mandatory for all rotor blades to be coated with hard material particles, but at least 10% of the rotor blades have a hard material coating per stage. In the case of the coated rotor blades, it is also sufficient if only the tips have the coating.
  • the rubbing occurs in particular in two operating states.
  • the invention aims to drive these two operating states selectively through different operating modes.
  • the gas turbine is started up as usual and operated for several minutes or hours (depending on the turbine type between 15 minutes and 100 hours) at full load.
  • the gas turbine is operated between 8 hours and 12 hours at full load. This ensures that the gas turbine is completely heated.
  • the gas turbine is not fired (ie in a so-called “turning gear” operating mode in which the gas turbine, for example an external electric motor or the generator is kept in rotation) at a frequency between 0.5 Hz and 5 Hz operated to induce natural convection, which cal temperature gradients and thus ultimately leads to grazing.
  • the second case or operating state relates to rubbing against a different position.
  • the gas turbine is relieved from a warmed-up full-load operation in accordance with independent method claim 4 and then relieved for one hour at part load, i.e. in particular with a load shedding of at least 10%, with activated gap optimization, if this is present, operated.
  • Relief from the fully warmed-up full-load operation is preferably carried out to a minimally achievable or permissible partial load for the gap optimization.
  • the first start of the gas turbine in both methods is preferably startup of the gas turbine.
  • commissioning operation is also understood after the rotor blades have been replaced as part of maintenance work.
  • the method or methods described above are preferably carried out within the first 200 operating hours. However, provoking the rubbing as early as possible is more efficient and advantageous, which is why the rubbing in accordance with the above-described method is specifically brought about within the first 100 operating hours.
  • the focus of both operating methods according to the invention is on the planned touching during commissioning.
  • the pre Part of this is that the blade tips no longer shorten and the hot gaps in operation are smaller. This results in lower gap losses and a higher efficiency of the gas turbine.
  • blade tip corrosion is reduced.
  • the protective layer of the rotor blade was damaged when it was touched, so that increased aging / damage (hot gas corrosion) was caused at these points.
  • the brushing takes place with an intact coating, this is no longer the case. Due to the hard material coating, which contains boron nitride in particular, the blade tips are protected when they are touched, thus ensuring a longer service life for the rotor blades.
  • FIG 3 shows the sequence of a second method according to the invention for provoking the grinding in.
  • the gas turbine 100 has a rotor 103 which is rotatably mounted about an axis of rotation 102 (axial direction).
  • a suction housing 104 Along the rotor 103, a suction housing 104, a compressor 105, an annular combustion chamber 106 with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and an exhaust gas housing 109 follow one another.
  • the annular combustion chamber 106 communicates with an annular hot gas channel 111.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each Turbine stage 112 is formed from two blade rings. Seen in the flow direction of a working medium 113, in the hot gas duct 111 a row of guide vanes 130 is followed by a row formed from rotor blades or rotor blades 120.
  • the tips of the blades 120 have a hard material coating made of cubic boron nitride.
  • the guide vanes 130 are fastened to the housing 138, whereas the rotor blades 120 are attached to the rotor 103.
  • a generator or egg machine (not shown) is coupled to the rotor 103.
  • the compressor 105 sucks air 135 through the suction housing 104 and seals it.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is led to the burners 107 and mixed there with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working medium 113 in the combustion chamber 106.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120.
  • the working medium 113 relaxes in a pulse-transmitting manner on the rotor blades 120, so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and the latter the working machine coupled to it Generator.
  • the rotor 103 is axially displaceable along the axis 102, but hydraulic gap optimization is not absolutely necessary for carrying out the method according to the invention, but rather has a supporting effect and is merely optional. Due to the taper of the rotor 103 and the housing 138 to one another, an axial displacement of the rotor 103 or the housing 138 reduces or increases the gap d between the rotor 103, in particular the rotor blade ends, and the housing 138. The axial displacement takes place hydraulically.
  • the housing 138 has a brushing layer in the contact area, which is not shown in more detail here.
  • a first operating method it is provided to control the gas turbine 100 in such a way that a targeted grazing of the rotor blades 120 is caused.
  • the procedure is shown in FIG 2. 2 shows a rotational frequency f of the turbine 100 over time t.
  • the gas turbine 100 is first started up. If a full load of 50 Hz is reached in this exemplary embodiment, the gas turbine 100 is operated between ti and t 2 for at least 15 minutes, but preferably for several hours, in particular between 8 and 12 hours, under full load.
  • the gas turbine 100 is shut down, while it continues to rotate in the "turning gear" operating mode without firing. It is important that the housing parts are still well warmed. This operating mode lasts, for example, 8 hours, but it can also last up to 24 hours.
  • the gas turbine 100 is started up again from t 3 until it has reached full load again at ts, where the brushing takes place at time t 4. It is not necessary to reach full load when starting up again, the decisive factor is primary a quick start, for example with an increase of 10% of the maximum output per minute.
  • the coating of the rotor blades 120 is still intact, so grinding marks are left in the abradable layer. This ensures that even if there is a later When the gap d between the rotor 103 and the housing 138 n is closed, the blade tips are not damaged at this point.
  • FIG. 3. 3 shows the development of the gas turbine load P over time t.
  • the aim here is to touch in a different position than in the operating procedure to force according to FIG 2.
  • the gas turbine 100 is started up (possibly at a variable speed) and operated at full load from ti until the gas turbine 100 is completely warmed up. Depending on the size, the gas turbine takes up to 10 hours to fully warm up. Then, between t 2 and t 4, the gas turbine 100 is quickly relieved at a maximum permissible rate or at least 30% of this rate. If the gas turbine 100 has a gap optimization, the gap optimization is activated during this maneuver. Under these conditions, the gas turbine 100 is operated for at least one hour from t 4 . Finally, the gas turbine can be run up to full load again and the hydraulic gap optimization can be switched off.
  • Both methods can be used in succession on the same gas turbine 100 during commissioning.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (100) umfassend einen Rotor (103) mit einer Vielzahl von Rotorschaufeln (120) und ein Gehäuse (138), wobei zumindest einige der Rotorschaufeln (120) mit einem Hartstoff beschichtet sind und am Gehäuse (138) im Bereich der Rotorschaufeln (120) eine AnstreifSchicht angebracht ist, und wobei zwischen dem Rotor (103) und dem Gehäuse (138) ein Spalt (n) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (100): - angefahren wird, - mindestens 15 Minuten bei Volllast betrieben wird, - abgefahren wird und mehrere Stunden ohne Feuerung bei einer niedrigen Frequenz in Rotation gehalten wird, und erneut hochgefahren wird. Hierdurch wird ein für die beschichteten Spitzen der Rotorschaufel (120) besonders schonender Betrieb der Gasturbine (100) ermöglicht, indem ein Anstreifen der Rotorschaufeln (120) gezielt mit noch intakter Beschichtung provoziert wird.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gas turbine umfassend einen Rotor mit einer Vielzahl von Rotor schaufeln und ein Gehäuse, wobei zumindest die Spitzen der Rotorschaufeln mit einem Hartstoff beschichtet sind und am Gehäuse im Bereich der Rotorschaufeln eine AnstreifSchicht angebracht ist, und wobei zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein Spalt ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung solcher Verfahren sowie eine Gasturbine mit einer derartigen Steuerungseinrich tung .
In jeder Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, gibt es im Strömungskanal zwischen den rotierenden Bauteilen (i.d.R. die Laufschaufeln des Rotors, nachstehend auch als Rotorschaufeln bezeichnet) und dem Gehäuse radiale Spalte. Durch diese Spal te kommt es zu Druckverlusten, welche den Wirkungsgrad des Prozesses verringern. Daher werden die Spalte beim Design der Gasturbine so klein wie möglich gewählt.
Während des Betriebs der Gasturbine verändert sich die Größe der Spalte. Die Ursachen dafür sind vielfältig, beispielswei se unterschiedliche Erwärmungs- oder Abkühlungsgeschwindig keit von Gehäuse und Schaufeln (insbesondere im transienten Betrieb) , Deformation der Wellenlagerung bei Erwärmung, Ova- lität bzw. ungleichmäßige Deformation des Gehäuses bei Erwär mung durch unsymmetrische Kühlluftzufuhr oder unsymmetrisches Gehäusedesign, ungleichmäßiges Altern (Kriechen) der Bautei le, etc. Dies führt dazu, dass es insbesondere beim transien ten Betrieb der Gasturbine zu einem Anstreifen der Rotor schaufeln am Gehäuse kommen kann. Die Rotorschaufeln verkür zen sich dadurch, so dass im folgenden Volllast-Betrieb per manent größere Spalte und somit größere Verluste entstehen. Aus der US 8,682,563 B2 ist z.B. ein System zum Vorhersagen des Turbinenreibens bekannt.
Um einen maximalen Gasturbinenwirkungsgrad zu gewährleisten, ist es von entscheidender Bedeutung, die Spalte zwischen den rotierenden und den statischen Bauteilen während des Betriebs möglichst klein zu halten. Bei einem konischen Strömungskanal ist eine Möglichkeit hierzu, nachdem transiente Phasen durch fahren sind, in welchen die Spalte an den Schaufelspitzen sich maximal verengen, den Rotor im stationären Hochlast- Betrieb z.B. mit einer Hydraulik axial zu verfahren. Wird der Rotor gegen die Strömungsrichtung verfahren, dann reduzieren sich die Spalte.
Aus der WO 2014/016153 Al ist ein Verfahren zur Minimierung eines einstellbaren Spalts zwischen einer Laufschaufel und einem Gehäuse einer Turbine bekannt. Durch Verschiebung von Läufer und Gehäuse gegeneinander soll der Spalt zwischen dem Läufer und dem Gehäuse auf einfache Art und Weise minimiert werden. Dazu wird ein Ausgangssignal eines dem Läufer
und/oder dem Gehäuse zugeordneten Körperschallüberwachungs systems als Maß für die Größe des Spalts und damit zur Ein stellung eines minimalen Spalts herangezogen.
Am Turbinengehäuse ist eine abschleifbare Dichtung ange bracht, die auch als AnstreifSchicht bezeichnet wird. An streifdichtungen oder -schichten für die Rotorschaufeln von Gasturbinen, die an der Innenwand des Turbinengehäuses ange ordnet sind, werden als Wabenstruktur-Dichtungen (auch "Ho- neycomb-Dichtung" genannt) oder als poröse, keramische Be schichtungen ausgebildet. Das Einschneiden der Schaufelspitze in die abschleifbare Dichtung erfolgt ohne einen wesentlichen Verschleiß oder eine wesentliche Beschädigung der Beschich tung oder der Schaufelspitze.
Um ein Abtragen des Materials an der Spitze der Rotorschaufel zu vermeiden, ist es aus dem Stand der Technik bereits be kannt, die Enden bzw. Spitzen der Schaufeln mit einem kerami- sehen Belag oder mit Hartstoffpartikeln bzw. mit abrasiven Partikeln zu panzern. Insbesondere wird kubisches Bornitrid als Hartstoff-Beschichtung verwendet. Eine solche Beschich tung geht z.B. aus der DE 44 36 186 C2 hervor. Problematisch ist dabei jedoch, dass das kubische Bornitrid bei den Ein- satztemperaturen (>1100°C) einer Gasturbine nur eine begrenz te Lebensdauer von mehreren Hundert Stunden hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für die be schichteten Spitzen der Rotorschaufel besonders schonenden Betrieb der Gasturbine zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine umfassend einen Rotor mit einer Vielzahl von Rotorschaufeln und ein Gehäuse, wobei zumindest einige der Rotorschaufeln mit einem Hartstoff beschichtet sind und am Gehäuse im Bereich der Rotorschaufeln eine An streifschicht angebracht ist, und wobei zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein Spalt ausgebildet ist, wobei die Gastur bine :
- angefahren wird,
- mindestens 15 min bei Volllast betrieben wird,
- abgefahren wird und mehrere Stunden ohne Feuerung bei einer niedrigen Frequenz in Rotation gehalten wird, und
- erneut hochgefahren wird.
Ergänzend oder alternativ wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein weiteres Verfahren zum Betrieb einer Gastur bine umfassend einen Rotor mit einer Vielzahl von Rotorschau feln und ein Gehäuse, wobei zumindest die Spitzen der Rotor schaufeln mit einem Hartstoff beschichtet sind und am Gehäuse im Bereich der Rotorschaufeln eine AnstreifSchicht angebracht ist, und wobei zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein Spalt ausgebildet ist, wobei
- die Gasturbine angefahren wird,
- die Gasturbine bei Volllast betrieben wird, bis die Gasturbine vollständig durchgewärmt wird, - optional eine Spaltoptimierung, bei der ein axialer Versatz des Rotors und/oder des Gehäuses erfolgt, eingeschalten wird,
- die Gasturbine in Teillast entlastet wird und mindes tens eine Stunde bei Teillast betrieben wird.
Darüber hinaus wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des oder der oben beschriebenen Verfahren.
Die Aufgabe wird schließlich erfindungsgemäß gelöst durch ei ne Gasturbine mit einer solchen Steuerungseinrichtung.
Die in Bezug auf die Verfahren nachstehend angeführten Vor teile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf die Steuerungseinrichtung und die Gasturbine übertragen.
Aus Untersuchungen ist bekannt, in welchen Phasen des tran sienten Betriebs und an welcher Position das Anstreifen der Schaufelspitzen stattfindet. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, das Anstreifen gezielt zu provozieren, insbe sondere das Anstreifen in den ersten Betriebsstunden der Gas turbine als Standard zu etablieren. Der wesentliche Vorteil dabei ist, dass die Beschichtung, die z.B. kubisches Borni trit enthält, noch intakt ist und somit ein Einreiben in die AnstreifSchicht möglich ist, ohne dass sich die Schaufelspit zen verkürzen. Dabei müssen nicht zwingend alle Rotorschau feln mit Hartstoffpartikeln beschichtet sein, jedoch weisen zumindest 10% der Rotorschaufeln pro Stufe eine Hartstoffbe schichtung auf. Bei den beschichteten Rotorschaufeln ist zu dem ausreichend, wenn nur die Spitzen die Beschichtung auf weisen .
Das Anstreifen tritt insbesondere bei zwei Betriebszuständen auf. Die Erfindung zielt dabei darauf ab, durch unterschied liche Betriebsweisen diese zwei Betriebszustände gezielt an zufahren . Im ersten Fall wird die Gasturbine zunächst wie üblich ange fahren und mehrere Minuten oder Stunden (je nach Turbinentyp zwischen 15 min und 100 Stunden), bei Volllast betrieben.
Wenn anschließend die Gasturbine abgefahren wird und ohne Feuerung mehrere Stunden, bevorzugt bis 24 Stunden, jedoch bis maximal 30 Stunden weiter rotiert, stellt sich aufgrund der sehr geringen Geschwindigkeiten bei niedriger Turndreh zahl eine natürliche Konvektion ein. Diese führt zu einem vertikalen Temperaturgradienten im Durchmesser der Gasturbine und folglich zu einer Deformation der stehenden Gehäusebau teile. Diese Verformung verursacht an zumindest einer Stelle einen kleineren, radialen Turbinenspalt. Das Schließen der Spalte erfolgt kontinuierlich, so dass die Spalte einen mini malen Wert etwa 10 Stunden nach dem Abfahren der Gasturbine aufweisen, daher rotiert die Gasturbine mehrere Stunden lang, insbesondere bis 24 Stunden, in diesem Zustand.
Wird die Gasturbine in einem solchen Zustand erneut gestar tet, kommt es zu einem starken Anstreifen im Bereich des ver kleinerten Spalts oder der verkleinerten Spalte. Dieser Be triebszustand wird gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gezielt angefahren. Somit wird ein Einreiben mit beschichteten Schau felspitzen garantiert, so dass später, wenn die Beschichtung nicht mehr intakt ist, sich die Schaufelspitzen nicht verkür zen, sollte dieser Betriebszustand erneut eingestellt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsvariante wird die Gasturbi ne zwischen 8 Stunden und 12 Stunden bei Volllast betrieben. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine vollständige Durchwärmung der Gasturbine stattfindet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird die Gasturbine ohne Feuerung (d.h. in einem sogenannten „turning gear"-Betriebsmodus , in dem die Gasturbine z.B. einen exter nen Elektromotor oder den Generator in Rotation gehalten wird) bei einer Frequenz zwischen 0,5 Hz und 5 Hz betrieben, um die natürliche Konvektion hervorzurufen, welche zum verti- kalen Temperaturgradienten und somit letztendlich zum An streifen führt.
Der zweite Fall bzw. Betriebszustand betrifft ein Anstreifen an einer unterschiedlichen Position. Insbesondere aufgrund einer ungleichmäßigen Zufuhr der Kühlluft, welche während des Betriebs zu einem Temperaturgradienten in Umfangsrichtung führt, sowie einer nicht optimalen Zentrierung des Rotors zum Gehäuse über den Lagerstern, kommt es zu einer dreidimensio nalen Abweichung der Turbinenradialspalte. Um dieses Anstrei fen zu erzwingen, wird gemäß dem unabhängigen Verfahrensan spruch 4 die Gasturbine aus einem durchgewärmten Volllastbe trieb entlastet und anschließend eine Stunde bei Teillast, d.h. insbesondere bei einem Lastabwurf von mindestens 10%, mit aktivierter Spaltoptimierung, wenn diese vorhanden ist, betrieben. Bevorzugt erfolgt dabei die Entlastung aus dem durchgewärmten Volllastbetrieb auf eine für die Spaltoptimie rung minimal erreichbare bzw. zulässige Teillast.
Um das Anstreifen mit den beschichteten Spitzen der Rotor schaufel möglichst früh zu provozieren, nämlich solange die Beschichtung der Schaufelspitzen sich sicher in einem intak ten Zustand befindet, ist bei beiden Verfahren das erste An fahren der Gasturbine vorzugsweise eine Inbetriebnahme der Gasturbine. Mit Inbetriebnahme wird hierbei auch die Be triebsaufnahme nach einem Austausch der Rotorschaufeln im Rahmen von Wartungsarbeiten verstanden.
Aus den gleichen Gründen werden das oder die oben beschriebe nen Verfahren vorzugsweise innerhalb der ersten 200 Betriebs stunden durchgeführt. Ein möglichst frühes Provozieren des Anstreifens ist jedoch effizienter und vorteilhafter, daher wird die das Anstreifen gemäß der oben beschriebenen Verfah ren insbesondere innerhalb der ersten 100 Betriebsstunden ge zielt hervorgerufen.
Der Fokus beider erfinderungemäßer Betriebsverfahren liegt auf dem geplanten Anstreifen bei der Inbetriebnahme. Der Vor- teil daraus ist zunächst, dass die Schaufelspitzen sich nicht mehr verkürzen und die Warmspalte im Betrieb kleiner sind. Dies resultiert in geringeren Spaltverlusten bzw. einem höhe ren Wirkungsgrad der Gasturbine. Darüber hinaus erfolgt eine Verringerung der Schaufelspitzenkorrosion. Im Stand der Tech nik wurde beim Anstreifen die Schutzschicht der Rotorschaufel beschädigt, so dass an diesen Stellen eine erhöhte Alte rung/Schädigung (Heißgaskorrosion) verursacht wurde. Da je doch erfindungsgemäß das Anstreifen mit intakter Beschichtung stattfindet, ist dies nicht mehr der Fall. Durch die Hart stoffbeschichtung, die insbesondere Bornitrid enthält, sind die Schaufelspitzen beim Anstreifen geschützt, somit ist eine höhere Lebensdauer der Rotorschaufeln gewährleistet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich nung näher erläutert. Hierin zeigen:
FIG 1 eine Gasturbine im Längsschnitt,
FIG 2 den Ablauf eines ersten erfindungsgemäßen Verfah rens zur Provokation des Einschleifens ,
und
FIG 3 den Ablauf eines zweiten erfindungsgemäßen Verfah rens zur Provokation des Einschleifens .
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
Die FIG 1 zeigt eine Turbine 100, hier eine Gasturbine, in einem Längsteilschnitt . Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 (Axialrichtung) drehgelager ten Rotor 103 auf. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine Ringbrennkam mer 106 mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und ein Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 106 kommuniziert mit einem ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hinterei nander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbinenstufe 112 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen, folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufeireihe 130 eine aus Lauf schaufeln bzw. Rotorschaufeln 120 gebildete Reihe. Die Spit zen der Laufschaufeln 120 weisen eine Hartstoffbeschichtung aus kubischem Bornitrid auf.
Die Leitschaufein 130 sind dabei am Gehäuse 138 befestigt, wohingegen die Rotorschaufeln 120 am Rotor 103 angebracht sind. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder ei ne Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und ver dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be- reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge führt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brenn kammer 106 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufein 130 und den Rotorschaufeln 120. An den Rotorschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Rotorschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und die ser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine oder Generator.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Rotor 103 entlang der Achse 102 axial verschiebbar, jedoch ist eine hydrauli sche Spaltoptimierung für die Durchführung des erfindungsge mäßen Verfahrens nicht zwingend erforderlich, sondern sie wirkt unterstützend und ist lediglich optional. Aufgrund der Konizität des Rotors 103 und des Gehäuses 138 zueinander wird durch eine Axialverschiebung des Rotors 103 oder des Gehäuses 138 der Spalt d zwischen dem Rotor 103, insbesondere den Ro torschaufelenden, und dem Gehäuse 138 verringert oder vergrö ßert. Die Axialverschiebung erfolgt hierbei hydraulisch.
Aufgrund der ungleichmäßigen thermischen Dehnungen der ver schiedenen Turbinenkomponenten kommt es zu Verkleinerungen des Radialspalts d und somit zum Anstreifen der Spitzen der Rotorschaufeln 120 am Gehäuse 138. Das Gehäuse 138 weist da bei im Kontaktbereich eine AnstreifSchicht auf, die hier nicht näher gezeigt ist.
Gemäß einem ersten Betriebsverfahren ist es vorgesehen, die Gasturbine 100 derart anzusteuern, dass ein gezieltes An streifen der Rotorschaufeln 120 verursacht wird. Der Verfah rensablauf ist aus FIG 2 ersichtlich. In FIG 2 ist eine Dreh frequenz f der Turbine 100 über die Zeit t aufgetragen. Im Zeitraum von to bis ti im Rahmen einer Inbetriebnahme der Gasturbine 100 wird die Gasturbine 100 zunächst angefahren. Wenn eine Volllast von in diesem Ausführungsbeispiel 50 Hz erreicht ist, wird die Gasturbine 100 zwischen ti und t2 noch mindestens 15 min, jedoch bevorzugt mehrere Stunden, insbe sondere zwischen 8 und 12 Stunden, bei Volllast betrieben.
Bei t2 wird die Gasturbine 100 abgefahren, wobei sie weiter im „turning gear" Betriebsmodus ohne Feuerung rotiert. Wich tig ist dabei, dass die Gehäuseteile noch gut durchwärmt sind. Dieser Betriebsmodus dauert z.B. 8 Stunden, jedoch kann er auch bis zu 24, sogar bis 30 Stunden dauern. Ab t3 wird die Gasturbine 100 erneut hochgefahren bis sie bei ts wieder die Volllast erreicht hat, wobei zum Zeitpunkt t4 das An streifen stattfindet. Das Erreichen von Volllast beim erneu ten Anfahren ist nicht erforderlich, entscheidend ist primär ein schnelles Starten, z.B. mit Steigerung von 10% der Maxi malleistung pro Minute. Zu Zeitpunkt t4 ist die Beschichtung der Rotorschaufeln 120 noch intakt, daher werden Einschleif spuren in der AnstreifSchicht hinterlassen. Somit wird ge währleistet, dass selbst wenn es zu einem späteren Zeitpunkt der Spalt d zwischen dem Rotor 103 und dem Gehäuse 138 n ge schlossen wird, keine Beschädigung der Schaufelspitzen an dieser Stelle erfolgt.
Ein zweites Betriebsverfahren für die Gasturbine 100 ist aus FIG 3 ersichtlich. In FIG 3 ist die Entwicklung der Gasturbi nenlast P über die Zeit t gezeigt. Ziel dabei ist es, ein An streifen in einer anderen Position als beim Betriebsverfahren gemäß FIG 2 zu erzwingen. Um dies zu erreichen, wird die Gas turbine 100 angefahren (ggf. bei veränderlicher Drehzahl) und ab ti bei Volllast betrieben, bis die Gasturbine 100 voll ständig durchgewärmt wird. Die Gasturbine braucht, je nach Größe, bis zu 10 Stunden bis zur vollständigen Durchwärmung. Anschließend erfolgt zwischen t2 und t4 ein schnelles Entlas ten der Gasturbine 100 mit maximal zulässiger Rate oder min destens 30% dieser Rate. Wenn die Gasturbine 100 über eine Spaltoptimierung verfügt, so wird die Spaltoptimierung wäh- rend dieses Manövers aktiviert. Unter diesen Bedingungen wird die Gasturbine 100 ab t4 mindestens eine Stunde betrieben. Schließlich kann die Gasturbine erneut auf Volllast hochge fahren werden und die hydraulische Spaltoptimierung kann aus geschaltet werden.
Beide Verfahren können zeitlich hintereinander an derselben Gasturbine 100 im Rahmen der Inbetriebnahme angewendet wer den .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (100) umfassend einen Rotor (103) mit einer Vielzahl von Rotorschaufeln (120) und ein Gehäuse (138), wobei zumindest einige der Rotorschaufeln (120) mit einem Hartstoff beschichtet sind und am Gehäuse (138) im Bereich der Rotorschaufeln (120) eine AnstreifSchicht angebracht ist, und wobei zwischen dem Rotor (103) und dem Gehäuse (138) ein Spalt (d) aus gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (100):
angefahren wird,
mindestens 15 Minuten bei Volllast betrieben wird, abgefahren wird und mehrere Stunden, ohne Feuerung bei einer niedrigen Frequenz in Rotation gehalten wird, und erneut hochgefahren wird.
2. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (100) zwi schen 8 Stunden und 12 Stunden bei Volllast betrieben wird .
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (100) ohne Feuerung bei einer Frequenz zwischen 0,5 Hz und 5 Hz be trieben wird.
4. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (100) umfassend einen Rotor (103) mit einer Vielzahl von Rotorschaufeln (120) und ein Gehäuse (138), wobei zumindest die Spitzen der Rotorschaufeln (120) mit einem Hartstoff beschichtet sind und am Gehäuse (138) im Bereich der Rotorschaufeln (120) eine AnstreifSchicht angebracht ist, und wobei zwi schen dem Rotor (103) und dem Gehäuse (138) ein Spalt (d) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass:
die Gasturbine (100) angefahren wird die Gasturbine (100) bei Grundlast betrieben wird, bis die Gasturbine vollständig durchgewärmt wird,
optional eine Spaltoptimierung, bei der ein axialer Ver satz des Rotors (103) und/oder des Gehäuses (138) er folgt, eingeschalten wird,
die Gasturbine (100) in Teillast entlastet wird und min destens eine Stunde bei Teillast betrieben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Entlastung auf eine für die Spaltoptimierung minimal erreichbare Teillast er folgt .
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
welches bei einer Inbetriebnahme der Gasturbine (100) durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
welches innerhalb der ersten 200 Betriebsstunden durchge führt wird.
8. Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
9. Gasturbine (100) mit einer Steuerungseinrichtung nach An spruch 8.
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