技术领域
[0001] 本
发明涉及一种FIC设备以及在过压范围内运行这种FIC设备的方法。
背景技术
[0002] 静止的燃气
涡轮机或者飞机
涡轮机的燃气涡轮机构件在使用后要检修，其中必须将
氧化物从这些构件的裂缝中去除，以便能够对这些构件进行维修。
[0003] 在此运用所谓的FIC方法(Fluoridionen-Cleaning(氟离子清洗))。
[0004] 在此将构件送到反应室中，然后将反应气体例如卤素气体导入到反应室中，而后出现氧化物与反应气体之间的反应，由此将氧化物从构件上去除。
发明内容
[0005] 因此，本发明的任务是，说明一种FIC设备以及一种用于运行FIC设备的方法，该方法使得化学反应得到强化并且使得清洗作用得到改进。
[0006] 该任务通过按
权利要求1所述的FIC设备以及按权利要求7所述的方法得到解决。
[0007] 在
从属权利要求中列出其它有利的措施，这些措施能够任意地相互组合以用于获得其它的优点。
附图说明
[0008] 其中：
[0009] 图1是FIC设备，
[0010] 图2-5是FIC设备内部的压
力示范性的时间分布，
[0011] 图6、7是清洗方法的流程的示意图，
[0012] 图8是燃气涡轮机，
具体实施方式
[0015] 在图1中示意性地示出了FIC设备1。该FIC设备1至少包括反应室10，在该反应室10中能够放入至少一个构件4、120、130、155(图8、9、10)。
[0016] 所述构件4、120、130、155具有主要存在于裂缝中的氧化产物和/或
腐蚀产物。所述氧化产物和腐蚀产物也经常作为层区域(Schichtbereich)而存在。
[0017] 通过
阀13或者说
泵13能够将反应气体或者反应混合物、优选将卤化物最好是
氟化氢(HF)导入到反应室10中，从而能够在那里在反应气体与构件4、120、130、155上的有待去除的氧化产物和/或腐蚀产物之间进行反应。按本发明，如此设计FIC设备，从而借助于器件13能够将压力p调节得比
大气压pat(在常温下约等于1.01bar)大。
[0018] 过压范围是指至少大于大气压pat尤其大于1.1bar(＝110kPa)的压力。
[0019] 优选反应室10中的最大过压为1.4bar(140kPa)。
[0020] 在此反应室10具有用作器件13的
密封件，以便反应气体7在过压范围内不会从反应室10中逸出。
[0021] 作为替代方案或者补充方案，存在着阀13，该阀13对反应室10中的压力进行调节，因为反应气体的供应机构7具有过压，也就是说具有示范性地使用的氟化氢(HF)的
压力容器表面具有大于大气压尤其大于1.4bar的过压，从而必须对来自这个压力容器的压力进行调节。
[0022] 优选所述装置1作为器件包含泵13，如此设计该泵13，使得其能够在反应室10中产生过压。
[0023] 在下列表格中以及在图2到5中示出了优选用FIC设备1实施的清洗方法的示范性的时间分布。
[0024]分段 时间 压力 HF H2
分段1 t3 PH 0 r3
分段2 t1 PH 0 r3
分段3 t1 PN 0 r2
分段4 t3 PH r1 r2
分段5 t2 PH 0 r3
分段n-2 t1 PN 0 r2
分段n-1 t2 PH 0 r3
分段n PH 0 0
[0025] 其中流动率r1、r2、r3优选为r3＞r2＞r1并且压力PH＞PN，尤其PH＞1atm，并且保持时间t1、t2、t3优选为t3＞t2＞t1。
[0026] 在第一分段1、2之后重复了分段4、5和3，它们是一个周期。
[0027] 在图2中绘出了反应室10中的压力p的时间分布。
[0028] 这里没有示出起初的压力分布。
[0029] 在此在开始时，将反应室10中的
温度T加热到特定的温度，尤其超过1000℃。
[0030] 优选在开始阶段之后至少暂时地将压力p调节得大于大气压Pat，并且在保持时间th里将压力p保持恒定。
[0031] 这是高压阶段(PH)。
[0032] 通过在超大气压的压力范围(大于pat)内的充填，反应气体混合物的更多的反应气体挤入到有待清洗的裂缝中。这导致化学反应的强化并且由此导致清洗作用的改进。
[0033] 优选不断地抽吸反应室10中的气体，用于排出消耗的反应产物，其中补充新的气体(反应气体、非反应气体)。由此提高了生产率。
[0034] 在高压阶段PH中的持续时间ts里，用反应气体7并且优选用非反应气体对反应室10进行吹洗。这是反应气体混合物。
[0035] 同样，所述非反应气体可以是气体混合物，不过这种气体混合物不与构件起反应。
[0036] 持续时间ts优选小于PH的保持时间th。
[0037] 反应气体或者反应气体混合物的流动率r1优选小于非反应气体的流动率r3，因为否则的话反应室10会受到腐蚀。
[0038] 在高压阶段中的吹洗时间(th-ts)里，将非反应气体的流动率优选提高到r3(r3＞r2)。
[0039] 这是裂缝清洗阶段S4。
[0040] 在高压阶段中的其余的保持时间(th-ts)里，仅仅还使用非反应气体(反应气体流动率＝0)，优选氢气(H2)。优选(th-ts)＞0。这是裂缝吹洗阶段S5。
[0041] 同样在整个高压阶段中，能够使用反应气体或者由反应气体与非反应气体构成的混合物(th-ts)＝0。
[0042] 在保持时间th之后，将压力p降低到小于pat的压力PN(＝低压阶段)并且在特定的保持时间之后又调节到优选大于pat的压力，方法是通过反应气体或者反应气体混合物的流动率的提高来将反应气体或者反应气体混合物导入到反应室10中。
[0043] 反应气体混合物通过反应气体和非反应气体的汇合来产生。
[0044] 这是反应室吹洗阶段S3。
[0045] 这个过程(54、55、53)能够周期性地重复。
[0046] 同样能够用PH＝pat并且PN＜pat来实施所述方法。
[0047] 在图3中示出了清洗方法的另一种时间分布。
[0048] 与图2不同的是，这里将低压阶段PN中的压力p降低到大气压pat或者优选保持在大气压pat以上(未示出)。
[0049] 在图4中，如在图2和3中一样周期性地提高以及降低压力p，也就是说将压力p保持在高压阶段PH和低压阶段PN，其中一开始对于一些周期来说将高压阶段PN中的压力p限制到大气压pat。
[0050] 同样在所述方法开始时，高压阶段PH中的压力p也可以小于大气压pat。
[0051] 在一定的时间之后，也就是说在几次高压转换之后，将高压阶段中的压力p调节到大于pat的压力，并且在那里又优选将压力p保持一段持续时间th。在保持压力时使用比pat大的压力p，然后下面如在图2或图3中所说明的一样继续保持该压力。
[0052] 尤其在清洗方法开始时，能够按照按
现有技术的方法来实施FIC清洗，其中在那里将压力pat调节在200mbar与小于大气压的压力之间，并且周期性地降低并且再提高所述压力p。尤其在所述方法开始时反应还很好地进行着，因为能够自由
接触到能够轻易地接触的足够的反应产物。
[0053] 但是，在所述清洗方法的接下来的方法步骤中越来越难以用反应气体到达剩余的反应产物，因而设备而后在超大气压的压力范围内运行。
[0054] 在图5中示出了所述清洗方法的另一种时间分布。
[0055] 在此，高压阶段PH中的压力p周期性地在大于大气压pat的压力p与等于或者小于/等于大气压pat的压力之间变化。
[0056] 在图5中首先将高压阶段PH中的压力调节得大于pat，而后跟随着高压阶段PH中的与pat相等的压力，其中重复这一点。同样，当然能够以高压阶段中的p＝pat的压力开始，或者作为下一步跟随着高压阶段中的具有比pat大的压力的压力。
[0057] 用p＜pat或者p＞pat进行重复的次数可以任意地变化。
[0058] 在方法开始时将温度上调到一个特定的尤其大于1000℃的温度。温度优选在整个方法中保持或者说调节为恒定的，因为可能通过气体的流动在流动率变化时出现最小的温度
波动。
[0059] 优选不断地优选用氢气(H2)或者非反应的气体对反应室进行吹洗。
[0060] 在图6中示意性地示出了按本发明的用于对构件进行清洗的方法，所述构件具有被氧化物弄脏的裂缝。
[0061] 该方法尤其适合于对燃气涡轮机100的
转子叶片和
导向叶片120、130以及其它在运行中经受强烈负荷的组件如燃气涡轮机100的燃烧室110的挡热元件150进行清洗。该方法包括预清洗、氟离子清洗以及
真空退火这三个阶段。预清洗是选择性的而不是强制需要的，并且比如可以是盐浴清洗，所述预清洗用于将表面的氧化物和其它的腐蚀产物从有待清洗的构件120、130、155的表面上去除或者如此损坏表面的氧化物和其它的腐蚀产物，从而能够改进接下来的氟离子清洗。
[0062] 在预处理之后，使构件120、130、155经受氟离子清洗(FIC)。在这种本身事先为人熟知的FIC清洗的过程中，使有待清洗的构件在清洗室中暴露在具有处于1000℃的范围内的温度的清洗用气体气氛下。所述清洗用气体包含氟化氢(HF)形式的卤化氢，氟化氢在主导的温度下在形成氟离子的情况下分解，而氟离子又适合于在形成金属氟化物的情况下溶解复杂的已经在构件的裂缝中形成的氧化物。
[0063] 在该方法中优选使用包含18个体积百分点到30个体积百分点的卤化氢或者说氟化氢的清洗用气体，其中剩余的气体是不氧化并且不腐蚀的气体并且尤其是比如像氢气一样的对氧化物起还原作用的气体。清选室中的温度在FIC清洗过程中处于980℃到1100℃尤其直至1020℃的范围内。
[0064] 在多个清洗周期中向有待清洗的构件120、130、155加载HF/H2-混合物形式的清洗用气体，所述清洗周期被用非氧化的且尤其起还原作用的吹洗气体如氢气(H2)进行的吹洗周期所中断。通过抽吸清洗室能够支持吹洗周期，而后在下一个清洗周期之前必须补充清洗室中的清洗用气体。同样，清洗通过抽吸清洗用气体而中断。在所示出的
实施例中，使用了四个清洗周期，这四个清洗周期被总共三个吹洗周期所中断，其中在最后一个清洗周期结束时同样进行吹洗。但是，清洗周期和吹洗周期的数目也可以明显地更多一些。优选实施三到十个吹洗周期。
[0065] 在清洗周期中向构件加载清洗用气体，所述清洗周期分别持续10到60分钟并且尤其持续45分钟，其中所述清洗周期可以持续一样长的时间。同样第一和第四清洗周期可以比中间两个清洗周期稍长一点。但是这取决于，在第一周期中温度首先必须在所期望的范围内得到提高并且在最后一个周期中温度又必须下降。优选实施五个清洗周期。
[0066] 在FIC清洗的最后一个周期后面实施固溶退火处理，在固溶退火处理中反应产物比如像在镍基超
合金中出现的γ’相一样得到溶解。
[0067] 图7在一张图表中关于时间t示出了示范性的温度分布T和压力分布p。将有待清洗的构件120、130、155送入清洗室中，并且将温度T上调到所期望的范围。在此，将反应气体7这里是HF/H2-混合物导入到清洗室10中。在该实施例中进行四个清洗周期，这四个清洗周期被三个吹洗周期所中断。在这些吹洗周期中也抽吸所述气体混合物，因而在吹洗周期中清洗室内部的压力明显降低。此外，将起还原作用的气体比如氢气导入到清洗室中。
[0068] 如开头已经解释的一样，所述按本发明的方法尤其适合于对由具有至少10个重量百分点的铬含量的合金制成的燃气涡轮机构件进行清洗。
[0069] 图8示范性地示出了燃气涡轮机100的部分纵剖面。
[0070] 燃气涡轮机100在内部具有围绕着旋
转轴线102得到旋转支承的带有轴101的转子103，该转子103也称为涡轮转子。
[0071] 沿转子103先后跟随着吸进壳体104、
压缩机105、比如环面状的具有多个同轴布置的烧嘴107的燃烧室110尤其环形燃烧室、涡轮机108和排气室109。
[0072] 所述环形燃烧室110与比如环形的热气通道111相通。在那里比如四个先后布置的涡轮级112形成了涡轮机108。
[0073] 每个涡轮级112比如由两个
叶片环构成。沿工作介质113的流动方向看在热气通道111中，由
转子叶片120构成的转子叶片组125跟随着导向叶片组115。
[0074] 导向叶片130在此固定在
定子143的内缸138上，相反转子叶片组125的转子叶片120比如借助于涡轮
叶轮盘133安装在转子103上。
[0075] 在转子103上连接着发
电机或者作功机械(未示出)。
[0076] 在燃气涡轮机100的运行过程中，由压缩机105通过吸进壳体104吸入空气135并对其进行压缩。将在压缩机105的涡轮机侧的端部上提供的经过压缩的空气导送给烧嘴107，并使其在那里与燃烧剂相混合。混合物而后在形成工作介质113的情况下在燃烧室
110中燃烧。工作介质113从那里沿热气通道111从导向叶片130和转子叶片120的旁边流过。在转子叶片120上工作介质113在传递脉冲的情况下发生膨胀，使得转子叶片120驱动转子103并且该转子103又驱动耦联到其上面的作功机械。
[0077] 暴露在热的工作介质113下面的构件在燃气涡轮机100的运行过程中经受热负荷。除了给环形燃烧室110加衬的挡热元件之外，沿工作介质113的流动方向看的第一涡轮级112的导向叶片130和转子叶片120经受最大的热负荷。
[0078] 为了经受住在那里存在的温度，可以借助于冷却剂对这些导向叶片和转子叶片进行冷却。
[0079] 同样，所述构件的基底可以具有定向的结构，也就是说它们是单晶结构(SX-结构)或者仅仅具有纵向定向的晶粒(DS-结构)。
[0080] 作为用于所述构件尤其用于涡轮叶片120、130和燃烧室110的构件的材料，比如使用
铁基的、镍基的或者钴基的超合金。
[0081] 这样的超合金比如从EP 1204776B1、EP 1306454、EP 1319729A1、WO 99/67435或者WO 00/44949中得到公开。
[0082] 同样所述叶片120、130可以具有防止腐蚀的涂层(MCrAlX；M是由铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)构成的元素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者说铪)。这样的合金从EP 0486489B1、EP 0786017B1、EP 0412397B1或者EP 1306454A1中得到公开。
[0083] 在MCrAlX上还可以存在隔
热层，并且该
隔热层比如由ZrO2、Y2O3-ZrO2构成，也就是说它不是部分地或者完全通过氧化钇和/或
氧化钙和/或氧化镁得到稳定。通过合适的涂覆方法比如
电子束
蒸发(EB-PVD)在隔热层中产生杆状的晶粒。
[0084] 导向叶片130具有朝向涡轮机108的内缸138的导向叶片根部(这里未示出)以及与所述导向叶片根部对置的导向叶片头部。所述导向叶片头部朝向转子103并且固定在定子143的固定环140上。
[0085] 图9示出了
流体机械的沿纵轴线121延伸的转子叶片120或者导向叶片130的透视图。
[0086] 所述流体机械可以是飞机的或者用于发电的
发电厂的燃气涡轮机、
蒸汽涡轮机或者压缩机。
[0087] 叶片120、130沿纵轴线121先后相随地具有固定区域400、与该固定区域400邻接的叶片平台403以及叶身406和叶尖415。
[0088] 作为导向叶片130，叶片130可以在其叶尖415上具有另一平台(未示出)。
[0089] 在固定区域400中形成了叶片根部183，该叶片根部183用于将转子叶片120、130固定在轴或者叶轮盘上(未示出)。
[0090] 所述叶片根部183比如构造为锤头。也可以设想其它的作为圣诞树根部或者燕尾根部的设计方案。
[0091] 叶片120、130为一种从叶身406旁边流过的介质具有流入棱边409和流出棱边412。
[0092] 对于传统的叶片120、130来说，在叶片120、130的所有区域400、403、406中比如使用坚固的金属材料尤其超合金。
[0093] 这样的超合金比如从EP 1204776B1、EP 1306454、EP 1319729A1、WO 99/67435或者WO 00/44949中得到公开。
[0094] 叶片120、130在此能够通过
铸造方法也借助于定向
凝固、通过
锻造方法、通过
铣削方法或者这些方法的组合来制成。
[0095] 具有单晶结构的
工件用作机器的构件，所述构件在运行中经受高的机械的、热的和/或化学的负荷。
[0096] 这样的单晶的工件的制造比如通过熔液的定向凝固来进行。在此涉及铸造方法，在铸造方法中液态的金属合金凝固成单晶结构，也就是说凝固成单晶的工件或者进行定向凝固。
[0097] 在此，枝状的晶体沿热流进行定向并且要么形成杆晶的晶粒结构(柱形的，也就是说在工件的整个长度上延伸的晶粒，并且这里根据通用的语言惯用法称为定向凝固)要么形成单晶的结构，也就是说整个工件由一个唯一的晶体构成。在这些方法中，必须避免朝球状(多晶体的)凝固的转变，因为通过非定向的增长必然会构成横向的和纵向的
晶界，所述晶界破坏了定向凝固的或者单晶的构件的良好性能。
[0098] 如果通常谈及定向凝固的组织，那么由此不仅是指不具有晶界或者最多具有小
角度晶界的单晶体，而且是指杆状
晶体结构，所述杆状晶体结构也许具有沿纵向方向延伸的晶界，但不具有横向的晶界。对于这些第二个提到的晶体结构来说，人们也谈及定向凝固的组织(directionally solidified structures)。
[0099] 这样的方法从US-PS 6,024,792和EP 0892090A1中得到公开。
[0100] 同样，叶片120、130能够具有防止腐蚀或者氧化的涂层，比如(MCrAlX；M是由铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)构成的元素组中的至少一种元素，X是活性元素并且代表着钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素或者说铪(Hf))。这样的合金从EP 0486489B1、EP0786017B1、EP 0412397B1或者EP 1306454A1中得到公开。
[0102] 在MCrAlX层(作为
中间层或者作为最外面的层)上形成保护性的氧化
铝层(TGO＝thermal grown oxide layer)。
[0103] 层 组 成 成 分 优 选 具 有 Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si 或 者Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y。除了这些钴基的保护层之外，也优选使用镍基的保 护 层 如 Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re 或 者 Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re 或 者Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1.5Re。
[0104] 在MCrAlX上还可以存在隔热层，该隔热层优选是最外面的层，并且比如由ZrO2、Y2O3-ZrO2构成，也就是说它不是部分地或者完全通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁得到稳定。
[0105] 该隔热层
覆盖整个MCrAlX层。通过合适的涂覆方法比如
电子束蒸发(EB-PVD)在隔热层中产生杆状的晶粒。
[0106] 也可以设想其它的涂覆方法，比如大气的等离子喷
镀(APS)、LPPS、VPS或者CVD。所述隔热层可以具有多孔的、带有微观裂缝或者带有宏观裂缝的晶粒用于获得更好的耐温度突变
稳定性。所述隔热层因此优选比MCrAlX层更加多孔。
[0107] 再加工(Refurbishment)意味着，构件120、130在其使用之后可能必须去除保护层(比如通
过喷砂)。而后去除腐蚀层和/或氧化层或者说腐蚀产物和/或氧化产物。必要时也还要对构件120、130中的裂缝进行修补。然后对构件120、130进行再涂覆并且重新使用构件120、130。
[0108] 叶片120、130可以构造为空心结构或者构造为实心结构。如果要对叶片120、130进行冷却，那么其是空心的并且必要时还具有
薄膜冷却孔418(用虚线示出)。
[0109] 图10示出了燃气涡轮机的燃烧室110。该燃烧室110比如构造为所谓的环形燃烧室，在该环形燃烧室中大量沿圆周方向围绕着
旋转轴线102布置的烧嘴107汇入一个共同的燃烧室腔154中，所述烧嘴107产生火焰156。为此，燃烧室110在其总体上构造为环形的结构，该结构围绕着旋转轴线102来
定位。
[0110] 为获得比较高的效率，燃烧室110为工作介质M的较高的大约1000℃到1600℃的温度而设计。为了在这些对材料来说不利的工作参数的情况下也实现较长的使用寿命，燃烧室壁153在其朝向工作介质M的一侧设有由挡热元件155构成的
内衬。
[0111] 每个由合金制成的挡热元件155在工作介质侧设有特别耐热的保护层(MCrAlX层和/或陶瓷涂层)或者由耐高温的材料(坚固的陶瓷石)制成。
[0112] 这些保护层可以类似于涡轮叶片，也就是说比如意味着MCrAlX：M是由铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)构成的元素组中的至少一种元素，X是活性元素并且代表着钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素或者说铪(Hf)。这样的合金从EP 0486489B1、EP 0786017B1、EP0412397B1或者EP 1306454A1中得到公开。
[0113] 在MCrAlX上还可以存在比如陶瓷的隔热层，并且该隔热层比如由ZrO2、Y2O3-ZrO2构成，也就是说它不是部分地或者完全通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁得到稳定。
[0114] 通过合适的涂覆方法比如电子束蒸发(EB-PVD)在隔热层中产生杆状的晶粒。
[0115] 也可以设想其它的涂覆方法，比如大气的等离子喷镀(APS)、LPPS、VPS或者CVD。所述隔热层可以具有多孔的、带有微观裂缝或者带有宏观裂缝的晶粒用于获得更好的耐温度突变稳定性。
[0116] 再加工(Refurbishment)意味着，挡热元件155在其使用之后可能必须去除保护层(比如通过
喷砂)。而后去除腐蚀层和/或氧化层或者说腐蚀产物和/或氧化产物。必要时也还要对挡热元件155中的裂缝进行修补。然后对挡热元件155进行再涂覆并且重新使用挡热元件155。
[0117] 此外，由于燃烧室110内部的高温，可以为挡热元件155或者说为其保持元件设置冷却系统。所述挡热元件155而后比如是空心的并且必要时还具有汇入到燃烧室腔154中的冷却孔(未示出)。
