Шликер для литья под давлением и изготавливаемая из него огнеупорная керамика для газотурбинных установок
Изобретение касается шликера для литья под давлением для изготовления огнеупорной керамики для применения в качестве теплозащитного экрана в контуре высокотемпературного газа газотурбинных установок. Шликер содержит смесь зерен по меньшей мере из двух материалов с различными коэффициентами теплового расширения, а также ксантан в качестве органического связующего вещества и загустителя. Смесь зерен имеет мультимодальное распределение зерен по размеру, которое выглядит следующим образом: 10-20 вес.% - зерна большого размера диаметром 1-5 мм, 10-20 вес.% - зерна среднего размера диаметром 0,5-1 мм и 60-80 вес.% - зерна малого размера диаметром до 0,5 мм. Распределение зерен по весу выбирается таким образом, что суммарное количество зерен в смеси составляет 100 весовых процентов, а доля зёрен среднего размера по крайней мере на 20% состоит из материала с более низким коэффициентом расширения. Технический результат изобретения - изготовление огнеупорной керамики с повышенной стойкостью к термоудару. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение касается шликера для литья под давлением для изготовления огнеупорной керамики для применения в качестве теплозащитного экрана в контуре высокотемпературного газа газотурбинных установок согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения, а также огнеупорной керамики для применения в качестве теплозащитного экрана в контуре высокотемпературного газа газотурбинных установок согласно родовому понятию пункта 5 формулы изобретения.
Газотурбинные установки состоят, главным образом, из компрессора, горелки и газовой турбины. В компрессоре всасываемый воздух сжимается прежде, чем произойдет его смешивание с топливом в камере сгорания в горелке, установленной и расположенной в сборной камере компрессора, и произойдет сгорание этой смеси. Затем установленная после камеры сгорания газовая турбина забирает образовавшуюся при горении газообразных продуктов тепловую энергию и преобразует ее в механическую энергию. Соединенный с газовой турбиной генератор преобразует эту механическую энергию в электрическую энергию.
В настоящее время газотурбинные установки так же, как и другие производящие электрический ток установки, имеют во всех диапазонах нагрузки возможно малую эмиссию вредных веществ при максимальном коэффициенте полезного действия. При этом значение температуры горения ограничивается в соответствии с установленными в нормативных документах допустимыми значениями окислов азота, содержащихся в выбрасываемых в окружающую среду вредных веществах. Температура в камере сгорания, которая образует контур высокотемпературного газа между горелкой и газовой турбиной, составляет обычно примерно от 1300 до 1500 градусов Цельсия. Для того чтобы поддерживать такие высокие температуры, для защиты от воздействия высокотемпературного газа конструктивных элементов и несущих конструкций, окружающих контур высокотемпературного газа, необходимо предусмотреть соответствующую футеровку камеры сгорания.
При этом такие теплозащитные экраны могут быть выполнены как из металла, так и из керамики. Поскольку высокотемпературные газы являются агрессивными, для защиты газотурбинных установок предпочтительными являются керамические материалы. По сравнению с металлическими материалами такая огнеупорная керамика является более устойчивой к воздействию высоких температур и образованию коррозии. Основным материалом для таких керамических теплозащитных экранов является огнеупорная керамика с высоким содержанием корунда, которая, например, производится по описанному в документе DE 1- 2008011820 A1 способу литья под давлением с помощью шликера.
В настоящее время газотурбинные установки должны в кратчайшее время адаптироваться к соответствующим условиям. Максимальные нагрузки для конструктивных элементов и несущих конструкций газотурбинной установки, а также теплозащитного экрана возникают при быстром отключении основной нагрузки. В этом случае температура высокотемпературного газа может за короткий интервал времени упасть до значений порядка 1000 градусов Кельвина. Возникновение в теплозащитном экране теплового удара выдвигает требование к огнеупорной керамике относительно свойств материала, которые обеспечивают высокую прочность при одновременно высокой теплопроводности, в том числе, даже при температурах примерно до 1500 градусов Цельсия и выше. Кроме того, огнеупорная керамика должна иметь высокое сопротивление к образованию трещин. Из документа ЕР 1327108 A1 известна огнеупорная керамика, которая обладает вышеуказанными свойствами, причем для этого огнеупорная керамика на стороне, испытывающей большую нагрузку от высокотемпературного газа, в середине имеет другое распределение зерен по размеру, чем с расположенной напротив более холодной стороны камеры сгорания. Однако такое распределение зерен по размеру имеет тот недостаток, что на граничной поверхности различных распределений пор по размеру могут возникать дополнительные внутренние напряжения, что может негативно отразиться на пассивной безопасности теплозащитного экрана. Керамика с оптимальным гомогенным распределением зерен по размеру позитивно влияет на пассивную безопасность всей системы.
Задача изобретения состоит в создании шликера для литья под давлением, а также изготавливаемой из него огнеупорной керамики, которая имеет высокую устойчивость к тепловому удару и значит может особенно хорошо использоваться в качестве теплозащитного экрана в контуре высокотемпературного газа газотурбинных установок.
Эта задача решается с помощью шликера для литья под давлением с признаками по пункту 1 формулы изобретения.
В результате того, что шликер для литья под давлением содержит смесь зерен, по меньшей мере, из двух материалов с различными коэффициентами теплового расширения, а также органическое и/или неорганическое связующее вещество и загуститель, причем мультимодальное распределение зерен по размеру в смеси выглядит следующим образом: от 10 до 20 вес. процентов - зерна большого размера диаметром от 1 до 5 мм, от 10 до 20 вес. процентов - зерна среднего размера диаметром от 0,5 до 1 мм и от 60 до 80 вес. процентов - зерна малого размера диаметром до 0,5 мм, причем распределение зерен по весу следует выбирать таким образом, чтобы суммарное количество зерен в смеси составляло 100%, из него получается огнеупорная керамика с особенно высокой устойчивостью к тепловым ударам, общая пористость которой особенно предпочтительна для применения в газотурбинных установках. Изготовленная в соответствии с изобретением огнеупорная керамика имеет при этом такую характеристику материала, которая может надежно выдерживать быстро возникающие при быстром отключении или даже, главным образом, при включении и отключении газотурбинных установок термические циклы.
При этом доля зерен среднего размера предпочтительно состоит, по меньшей мере, на 20 весовых процентов из материала с более низким коэффициентом теплового расширения. Это способствует тому, что в структуре во время отжига шликера для литья под давлением возникают внутренние напряжения, которые приводят к повышению устойчивости изготавливаемой из него огнеупорной керамики и, тем самым, к улучшению свойств теплозащитного экрана при тепловом ударе.
Предпочтительно в качестве связующего вещества и загустителя предусматривается ксантан в концентрации макс. 0,05 весового процента от шликера для литья под давлением. Использование ксантана приводит к стабилизации мультимодального распределения зерен по размерам в шликере для литья под давлением. Такая стабильность необходима для обеспечения требуемого равномерного распределения пор по размерам и, тем самым, гомогенной пористости по всей изготавливаемой из него огнеупорной керамике, в особенности, при комплексной геометрии теплозащитного экрана.
На чертеже в схематичном виде представлена сделанная с помощью электронного растрового микроскопа фотография сечения через изготовленную в соответствии с изобретением огнеупорную керамику, которая рассчитана как керамика для теплозащитного экрана для применения в газотурбинных установках. На фотографии в схематичном виде можно видеть равномерное распределение крупных, средних и мелких зерен, которое гомогенно распространяется по всей огнеупорной керамике и, таким образом, способствует целенаправленному, почти равномерному распределению по всей керамике пористости, которая составляет приблизительно 18-20%.
При этом равномерное распределение пористости в большой степени зависит от применяемого связующего вещества. Если в качестве связующего вещества предусматривается силикатное связующее вещество или комбинация силикатных связующих веществ, можно получить особенно хорошо модулируемый шликер для литья под давлением. В отличие от известных из документа DE 10 2008011820 A1 связующих веществ, содержащих цемент, фосфат и гидроокись алюминия, силикатное связующее вещество затвердевает только при спекании шликера для литья под давлением. Для этого текучий и пригодный для перекачки насосом шликер для литья под давлением из смеси зерен, в соответствии с изобретением, состоящей из оксидов на базе Аl2O3, MgO, MgAl2O4, CaO, ZrO2, Cr2O3, CeO2, Y2O3, TiO2, боксит, андалузит, доломин, шамот, шпинель, муллит и/или из не оксидов на базе SiC, С и/или такое содержащее сырье, смешивается с жидким диспергирующим веществом и системой связующих веществ. Затем, прежде чем ввести под давлением шликер в поглощающую или пропускающую жидкость литейную форму установки литья под давлением таким образом, чтобы формованная деталь образовалась из смеси зерен на внутренней стороне поверхности пространства для литья литейной формы посредством отвода содержащейся в шликере жидкости через литейную форму, в качестве силикатной системы связующих веществ добавляют каолин или глину, или бетонит, или комбинацию из этих трех силикатных материалов.
Если альтернативно в качестве связующего вещества предусмотрена система связующих веществ из двух полисахаридов, получается более высокая вязкость, которая посредством удаления воды в литейной форме с помощью повышенного или пониженного давления еще больше повышается, так что шликер для литья под давлением упрочняется в литейной форме. При этом преимущественно используются системы связующих веществ из ксантана и раствора гуаровой камеди, или альтернативно на базе ксантана или муки из плодов рожкового дерева, или каррагена, или агара, или траганта, или карайя, или смолы арабикум, или тары камеди, или конжак-маннан, или кассиагумми в качестве первого полисахарида со вторым полисахаридом. Было неожиданно обнаружено, что такие системы связующих веществ имеют более сильную зависимость вязкости от соотношения компонентов составных частей смеси диспергирующей среды/полисахариды, чем полисахарид, смешанный отдельно в воде в том же количестве. Даже небольшое снижение доли воды в смеси вода/полисахариды приводит к сильному увеличению вязкости связующего вещества. В соответствии с изобретением использование такой системы связующих веществ посредством удаления воды в литейной форме с помощью повышенного или пониженного давления способствует увеличению вязкости и образованию полимерной сетки связующего вещества, так что формованная деталь упрочняется в литейной форме.
1. Шликер для литья под давлением для изготовления огнеупорной керамики, применяемой в качестве теплозащитного экрана в контуре высокотемпературного газа газотурбинных установок, содержащий смесь зерен по меньшей мере из двух материалов с различными коэффициентами теплового расширения, а также ксантан в качестве органического связующего вещества и загустителя, причем смесь зерен имеет мультимодальное распределение зерен по размеру, причем мультимодальное распределение зерен по размеру делится следующим образом:
- 10-20 вес.% - зерна большого размера диаметром 1-5 мм,
- 10-20 вес.% - зерна среднего размера диаметром 0,5-1 мм и
- 60-80 вес.% - зерна малого размера диаметром до 0,5 мм, и причем
- распределение зерен по весу выбирается таким образом, что суммарное количество зерен в смеси составляет 100 вес.%, причем доля зерен среднего размера состоит по меньшей мере на 20 вес.% из материала с более низким коэффициентом теплового расширения.
2. Шликер по п. 1, отличающийся тем, что ксантан предусмотрен в концентрации максимально 0,05 вес.% от шликера для литья под давлением.
3. Шликер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве связующего вещества предусмотрена система связующих веществ из двух полисахаридов.
4. Шликер по п. 3, отличающийся тем, что система связующих веществ состоит из ксантана и раствора гуаровой камеди.
5. Огнеупорная керамика для применения в качестве теплозащитного экрана в контуре высокотемпературного газа газовых турбин, изготовленная из шликера для литья под давлением по любому из пп. 1-4 посредством сушки и отжига, отличающаяся тем, что огнеупорная керамика имеет в целом пористость, которая составляет от 18 до 20%.
6. Огнеупорная керамика по п. 5, отличающаяся тем, что перед сушкой и отжигом зерна в шликере для литья под давлением распределяются по размеру таким образом, что образуется огнеупорная керамика почти с равномерным распределением пор по размерам.
