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Online-Nachweisverfahren fuer die Bildung von Vertikalrissen in keramischen Waermedaemmschichten

IP.com Disclosure Number: IPCOM000125949D
Original Publication Date: 2005-Jul-25
Included in the Prior Art Database: 2005-Jul-25
Document File: 3 page(s) / 192K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Zur Erhoehung des Gesamtwirkungsgrades von Kombi-Kraftwerken (Gas- und Dampfturbine) ist die Gasturbineneffizienz zu steigern, und zwar mittels der Turbineneintrittstemperatur als entscheidendem Parameter zur Effizienzsteigerung. Neben der Verwendung verbesserter Grundwerkstoffe und effektiver Kuehlungsmethoden ist eine Schluesseltechnologie zur Erreichung dieses Ziels der Einsatz keramischer Waermedaemmschichten. Durch sie kann bei gleichen Kuehlbedingungen die zulaessige Temperatur an der Bauteiloberflaeche um einige 100K gesteigert werden, je nach Dicke der Waermedaemmschicht (WDS). Voraussetzung fuer den effizienten Einsatz von keramischen Waermedaemmschichten ist u.a. deren strukturelle Integritaet, denn ein Versagen der Waermedaemmschicht kann in Ueberhitzung des Grundwerkstoffes und daraus folgend in einen Turbinenschaden muenden. Hierzu ist u.a. das Auftreten von Schaedigungen an der Waermedaemmschicht wie beispielsweise die Bildung von Vertikalrissen fruehzeitig zu erkennen. Diese Vertikalrisse entstehen insbesondere in den transienten Belastungszustaenden an einer stark versproedeten Oberflaeche einer Waermedaemmschicht und breiten sich vertikal durch diese Schicht in Richtung Haftvermittlerschicht aus. An der Grenze zur Haftvermittlerschicht werden die Vertikalrisse schliesslich abgelenkt und verursachen so die Ausbreitung von Abloesungsrissen, die in ein Versagen der Waermedaemmschicht muenden koennen. Wuenschenswert ist daher ein Sensorsystem, das bereits die Bildung von Vertikalrissen detektieren und so den Beginn einer Schaedigung anzeigen kann.

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S

Online-Nachweisverfahren fuer die Bildung von Vertikalrissen in keramischen Waermedaemmschichten

Idee: Dr. Stefan Lampenscherf, DE-Muenchen

Zur Erhoehung des Gesamtwirkungsgrades von Kombi-Kraftwerken (Gas- und Dampfturbine) ist die Gasturbineneffizienz zu steigern, und zwar mittels der Turbineneintrittstemperatur als entscheidendem Parameter zur Effizienzsteigerung. Neben der Verwendung verbesserter Grundwerkstoffe und effektiver Kuehlungsmethoden ist eine Schluesseltechnologie zur Erreichung dieses Ziels der Einsatz keramischer Waermedaemmschichten. Durch sie kann bei gleichen Kuehlbedingungen die zulaessige Temperatur an der Bauteiloberflaeche um einige 100K gesteigert werden, je nach Dicke der Waermedaemmschicht (WDS).

Voraussetzung fuer den effizienten Einsatz von keramischen Waermedaemmschichten ist u.a. deren strukturelle Integritaet, denn ein Versagen der Waermedaemmschicht kann in Ueberhitzung des Grundwerkstoffes und daraus folgend in einen Turbinenschaden muenden. Hierzu ist u.a. das Auftreten von Schaedigungen an der Waermedaemmschicht wie beispielsweise die Bildung von Vertikalrissen fruehzeitig zu erkennen. Diese Vertikalrisse entstehen insbesondere in den transienten Belastungszustaenden an einer stark versproedeten Oberflaeche einer Waermedaemmschicht und breiten sich vertikal durch diese Schicht in Richtung Haftvermittlerschicht aus. An der Grenze zur Haftvermittlerschicht werden die Vertikalrisse schliesslich abgelenkt und verursachen so die Ausbreitung von Abloesungsrissen, die in ein Versagen der Waermedaemmschicht muenden koennen. Wuenschenswert ist daher ein Sensorsystem, das bereits die Bildung von Vertikalrissen detektieren und so den Beginn einer Schaedigung anzeigen kann.

Bisher wurde die Schaedigung einer Waermedaemmschicht durch die Detektion von Abloesungen oder Abplatzungen der Waermedaemmschicht, d.h. erst in einem relativ spaeten Stadium nachgewiesen, beispielsweise mittels Waermebildkameras oder visuelle Inspektion. Dabei besteht aber das Problem, dass Vertikalrisse unter Druckspannung stehen und deshalb geschlossen sind.

Im Folgenden wird ein Nachweisverfahren vorgeschlagen, welches auf der gezielten Einbettung eines Systems von Leiterbahnen beruht (siehe Abbildung 1). Hier fuehrt die Bildung eines Vertikalrisses zu einer Impedanzveraenderung oder Unterbrechung einer oder mehrerer Leitungsbahnen, die mittels eines geeigneten elektrischen Messverfahrens, beispielsweise Widerstands- oder Impedanzmessung und/oder Resonanzverschiebung, nachgewiesen werden kann. Die Rissdetektion mittels eines elektrischen Signals erlaubt eine einfache Signaluebertragung (z.B. drahtlos bzw. wireless) und Auswertung. Besonders vorteilhaft ist, dass dieses Detektionsverfahren auch waehrend des Betriebs einer Gasturbine durchgefuehrt werden kann. Voraussetzung fuer das Funktionieren dieses Nachweisverfahrens ist u.a. die Oxidationsbestaendigkeit der Leitungsbahnen sowie die Platzierung der Leitungsbahnen in Bereichen, d...