3.2.3 Typische Schäden der Brennkammer, Ursachen und Abhilfen

"Bild 3.2.3-1": Brennkammern zeigen eine Vielzahl spezifischer Schäden. Diese Bilder sollen neben einem Befund an ausgebauten Teilen auch dazu beitragen, bei Boroskopinspektionen ( "Bild 4.1-6") das “wo und was“ besser zu erkennen und zu verstehen. Dazu ist das Beispiel einer einfachen Ringbrennkammer, links im Schnitt, rechts perspektivisch, gewählt. Schäden an der Brennkammer können immer auch die Heißteile der im Gasstrom folgenden Turbine beeinflussen. Die Brennkammer ist gewöhnlich durch Boroskopbohrungen ( "Bild 4.1-5")gut inspizierbar. Schäden können deshalb meist rechtzeitig im Anfangsstadium erkannt und Abhilfen eingeleitet werden.

„1, 9“ Verzug: Ursache ist gewöhnlich eine ungleichmäßige Temperaturverteilung mit hohen Wärmespannungen. Verformungen der Brennkammerwände beschleunigen sich, wenn dabei die Kühlwirkung und/oder der Verbrennungsvorgang ungünstig beeinflusst wird. Eine typische Folge sind „heiße Strähnen“, die im Zusammenhang mit einer Auswölbung von Kühlluftlippen stehen.

„2“ Beulen entstehen bei örtlicher Überhitzung. Auslösend wirkt die, vom umgebenden kälteren Material, behinderte Wärmedehnung. So entstehen hohe Druckspannungen und es kommt zum Ausbeulen. Dabei ist mit Rissbildung zu rechnen. Im Extremfall brennt die Brennkammerwandung durch. Schwere Folgeschäden bis zur Explosion des druckaufnehmenden Gehäuses sind dann zu erwarten.

„3“ Oxidation bedroht besonders die Kanten von Blechen im Gasstrom, aber auch überhitzte Wandbereiche. Ein typisches Schadensmerkmal ist der „Orangenschaleneffekt“(Bild 3.3- 10). Es handelt sich um eine deutlich aufgeraute, meist dunkelgraue oder grünliche Zone mit flachen, auserodierten Rissfeldern.

„4“ Verbrennungen werden Oxidationszonen genannt, die sich bei extrem hohen Werkstofftemperaturen unter schneller Sauerstoffaufnahme bilden. In der Umgebung kann es auch zu Anschmelzungen kommen. Mit einer durchgehenden Werkstoffschädigung ist zu rechnen.

„5, 16“ Verschleiß tritt als Reibverschleiß (Fretting) an Brennkammern, bevorzugt an Anlageflächen von Steckverbindungen, auf. Der Verschleiß ist auf Relativbewegungen zurückzuführen. Sie stehen neben Wärmedehnungen häufig im Zusammenhang mit Brennkammerschwingungen. Beschleunigend wirkt die Oxidation der frischen metallischen Verschleißflächen. Besonders Flamminstabilitäten bei Low NOx-Verbrennung dürften schadensbegünstigend wirken ( "Bild 3.2.2-5").

„6“ Schichtabplatzer betreffen die zur Reduzierung der Wandtemperatur in neueren Brennkammertypen häufig angewendeten Wärmedämmschichten ( "Bild 3.2.3-7" und "Bild 3.2.3-8"). Sie stehen oft im Zusammenhang mit einer plastischen Deformation (Verzug, Beule) der Wandung. Die Kante der Wände sind für Abplatzungen besonders empfindlich. Wird sie vom Gasstrom angeblasen, heizt sich die Wärmedämmschicht schnell und hoch auf. Das führt zu Druckspannungen in der Schicht, die, insbesondere bei einer oxidationsbedingten Schwächung der Haftzone, ein Abheben auslösen.

„7, 11“ Rissbildung durch Thermoermüdung ( "Bild 3.3-16") ist ein typisches Brennkammerproblem. Hohe zyklische Temperaturgradienten bei Leistungsänderungen, insbesondere Start und Abstellen führen zu plastischen Verformungen und Ermüdungsrissen (LCF, "Bild 3.1.2.1-0"). Die Fortschrittsgeschwindigkeit der Risse verlangsamt sich anfangs, oft bis zum Stillstand. Über längere Zeiträume und bei merklichen überlagerten mechanischen Beanspruchungen aus Belastungen wie Gasdrücken und Vibrationen, kann es jedoch zu beschleunigtem Rissfortschritt kommen. In diesem Fall steht ein spontanes Versagen des Bauteils bevor.

„8, 10“ Rissbildung durch HCF (Bild 3.1.2.1- 0) wird gewöhnlich von hochfrequenten Schwingungen ausgelöst. Diese gehen typischerweise auf Gasschwingungen beim Verbrennungsvorgang zurück ( "Bild 2.6-2" und "Bild 3.2.2-5"). Derartige Risse starten an Schwachstellen wie Thermoermüdungsrissen. Sie sind wegen ihrem schnellen Rissfortschritt mit Boroskopprüfungen kaum abfangbar

„12“ Verstopfung von Kraftstoffdüsen kann von Fremdpartikeln wie Spänen (Montage, Fertigung) ausgelöst werden. Auch die Bildung von Koks als Folge einer ungewöhnlich hohen Düsentemperatur führt zur Verstopfung. So entsteht eine ungleichmäßige Temperaturverteilung im Gasstrom mit Langzeitschäden an der Turbinenbeschaufelung ( "Bild 3.3-9"). Noch gefährlicher ist eine Ablenkung des KraftstoffSprühkegels, der die Brennkammerwände bis zum Bersten überhitzt.

„13“ Erosion in der Kraftstoffdüse kann eine Folge zu hoher Kraftstofftemperatur sein. Dadurch laufen im Kraftstoff Crackprozesse mit der Bildung winziger, sehr harter Partikel ab. Sie können die Düsenöffnung verschleißen, so den Kraftstoffstrahl ablenken und die Brennkammerwand gefährlich überhitzen.

„14“ Verzug der Düsen bzw. deren Aufhängung ist im Zusammenhang mit Wärmedehnugen der gesamten Brennkammerstruktur denkbar. Eine gefährliche Folge ist wiederum eine Überhitzung (siehe Punkt 2 und 3) der Brennkammerwand.

„15“ Koksbildung kann an vielen Stellen, in denen geeignete Temperaturen und chemische Bedingungen herrschen, auftreten. An Kraftstoffdüsen kann Koksansatz den Sprühkegel gefährlich ablenken.

"Bild 3.2.3-2": Dieses Bild zeigt im mittleren Detail die radiale Temperaturverteilung (RTD) in drei, am Umfang verteilten Bereichen des Ringkanals am Austritt der Brennkammer einer 5 MW Heavy Frame Maschine (Lit. 0-2). Es lässt die Größenordnung der Temperaturungleichmäßigkeit einer normal betriebenen Maschine, ohne Besonderheiten der Komponenten, erkennen. Die maximale Temperaturdifferenz liegt bei über 100 °C. Am inneren Deckband um ca. 75 °C niedriger als am äußeren. Das dürfte dem Scheibenbereich der Hochdruckturbine zugute kommen (Bild 3.3- 11). Je nach Maschinentyp und Zustand ist durchaus mit noch größeren Temperaturdifferenzen zu rechnen.
Die RTD wird von den Turbinenrotorschaufeln im Gasstrom nicht voll ausgeglichen. Die Verteilung am Umfang (OTD) wird dagegen gemittelt. Der Hochdruckturbinenleitapparat sieht die Temperaturverteilung dagegen ohne Ausgleichseffekte. Die einzelnen Leitschaufeln können sehr unterschiedlichen Temperaturbelastungen unterliegen. Sie zeigen deshalb, in Ausmaß und Verteilung, individuell sehr unterschiedliche Überhitzungsschäden ( "Bild 3.3-9"). Oft sind diese der Position der Einspritzdüsen zuordenbar.

"Bild 3.2.3-3": Thermische Spritzschichten kommen in vielen Bereichen in Gasturbinen mit sehr unterschiedlichen Aufgaben zum Einsatz. Typische Anwendungen sind:

• Verschleißschutz,
• Wärmedämmschicht,
• Oxidationsschutz und Schutz gegen Heißgas- korrosion (HGK),
• Anstreif- und Einlaufschichten,
• Panzerungen.

Typische Eigenschaften und Besonderheiten sollten nicht nur dem Werkstofffachmann geläufig sein. \\Es gibt eine Vielfalt thermischer Spritzverfahren. Häufig handelt es sich um Plasma- und Flammspritzen. Sie werden an Luft oder unter Schutzgas, bei atmosphärischem Druck oder bei Niederdruck angewendet. Die typische Schichtdicke liegt im Bereich von mehreren Zehntel Millimetern.

Die Struktur einer solchen Schicht ist lamellar (“A”) entsprechend der Verformung auftreffender weicher oder flüssiger Partikel.
Bei Verfahren die an Luft durchgeführt werden treten verstärkt Oxide (“B”) auf. Sie stammen von der Oxidation der frischen Schichtlage und Teilchen mit einer Oxidhaut.
Voraussetzung für eine gute Haftfestigkeit ist eine ausreichende Aufrauung der Spritzfläche. Sie muss für eine Verklammerung von Schicht und Substrat sorgen. Das geschieht mit abrasivem Strahlen Es lässt mineralische Strahlteilchen wie Al2 O3 (“E”) zurück. Ein solcher Beladungseffekt kann die Haftschicht beeinflussen.
Merkliche Oxidation des Haftgrunds durch Sauerstoffzutritt bei hoher Prozesstemperatur verschlechtert die Bindung der Wärmedämmschicht. Nicht selten erkennt man oxidierte Teilchen, die sich im Spritzstrahl und Kontakt mit Sauerstoff bildeten (“C”) wenn diese nicht ausreichend aufgeschmolzen sind (“D”).

Sogenannte “Abpraller” (“F”) von Spritzpartikeln in größerer Zahl auf der Haftfläche sind ein Indiz für schlechte Haftfestigkeit. Dieses Phänomen beobachten wir am Klebefilm auf einer staubigen Fläche. Es wird entsprechend dem mikroskopischen Befund (REM) als „Kügelchenproblem“ ( "Bild 3.1.2.4-7.2") bezeichnet.
Poren (“G”) sind in Spritzschichten typisch. In vorschriftsmäßiger Menge, Verteilung und Größe benötigt man sie zur Erzielung bestimmter Eigenschaften wie Einlauffähigkeit, Isolierwirkung und Thermowechselstabilität. Eine Bewertung muss sich deshalb an der zugehörigen Spezifikation ausrichten. Im Zweifelsfall kann ein Vergleich mit der Struktur bewährter Schichten helfen. Zu große Porosität beeinträchtigt die Schichtfestigkeit. Die Porosität wird entscheidend von den Parametern des Beschichtungsprozesses bestimmt. Im Haftschichtbereich ist die Haftfestigkeit betroffen. Auch nicht aufgeschmolzene Einschlüsse (“H”) mit hohem Schmelzpunkt sind in der Schichtstruktur erkennbar. Sie sind bei häufigem Auftreten ein Indiz für unzulässige Verunreinigungen des Spritzpulvers.

"Bild 3.2.3-4": Wärmedämmschichten, auch Thermobarrieren genannt, dienen zur Reduzierung der Heißteiltemperaturen und/oder zur Minimierung des Kühlluftverbrauchs (Lit 3.2- 17). Es handelt sich um keramische Schichten, die in der Hauptsache aus Zirkonoxid (ZrO2 ) bestehen. Um eine Gefügestruktur mit den gewünschten Betriebseigenschaften Wärmeisolation, Thermoermüdungsresistenz und Langzeitstabilität zu erhalten, wird Yttriumoxid zugegeben ( "Bild 3.2.3-8"). Bevorzugte Aufbringverfahren sind thermische Spritzverfahren oder Aufdampfen (PVD, "Bild 3.2.3-6"). Anfangs war die Anwendung von Wärmedämmschichten auf die Brennkammer (A) beschränkt. Dann folgten die Deckbandinnenseiten (D) und später die Blätter (B) der Hochdruckturbinenleitschaufeln ( "Bild 3.3-6"). Inzwischen sind beschichtete Turbinenlaufschaufeln (C) Stand der Technik (Bild 32.3-6). Hier kommen PVD-Schichten zum Einsatz. Ihre Stängelstruktur ( "Bild 3.2.3-6") verhilft zu einem günstigen Verhalten bei Thermoermüdung.

"Bild 3.2.3-5": Thermisch gespritzte keramische Wärmedämmschichten zeigen einen typischen lamellaren Aufbau ( "Bild 3.2.3-3"). Sie gleichen die Wärmedehnungsunterschiede gegenüber dem metallischen Grundmaterial mit einer inselartigen Rissbildung aus. Diese sogenannte Segmentierung ermöglicht der Schicht zu „atmen“. Sie sollte bereits von der Temperaturführung beim Fertigungsprozess günstig beeinflusst werden (Eigenspannungen). Sie entsteht in gewünschter Form bei der Beschichtung und/oder bildet sich in den ersten Betriebszyklen. In der Aufheizphase (linkes Detail) dehnt sich die isolierende Keramikschicht aufgrund der schnellen Erwärmung trotz relativ kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten stärker als das Grundmaterial. Es kommt zur Schließung der Risse und zu beherrschbaren Druckspannungen. Im stationären Betrieb bildet sich je nach Temperaturgradienten in Schicht und Grundwerkstoff ein Spannungszustand, der auch langzeitig ertragen werden muss. Bei gekühlten Heißteilen kann der beschriebene Effekt in der Aufheizphase zu einem höheren Druckspannungsniveau führen. In der Abkühlphase (rechtes Detail) erfolgt der umgekehrte Vorgang, die Risse öffnen sich wieder. Im kalten Zustand kann ein Riss wegen der höheren Wärmeschrumpfung des metallischen Grundwerkstoffs geschlossen sein. Diese Vorgänge dürfen von Betriebseinflüssen nicht so behindert werden, dass die Festigkeit der Schicht im Inneren und am Haftgrund überschritten wird und abplatzt ( "Bild 3.2.3-7").

"Bild 3.2.3-6": "Bild 3.2.3-6": Die Struktur keramischer Wärmedämmschichten (vergleiche "Bild 3.2.3-5") ist verfahrensabhängig. Sie beeinflusst entscheidend das Betriebsverhalten und kann betriebsspezifisch optimiert werden. Auf den Blättern von Turbinenrotorschaufeln (Skizze links) haben sich relativ dünne Aufdampfschichten (PVD-Schichten) bewährt.

Sie zeichnen sich durch eine besonders gute Thermowechselfestigkeit bei hoher Erosionsbeständigkeit aus. Ihre Qualitätsanforderungen genügen hohen Ansprüchen. Die gute Thermowechselfestigkeit verdanken sie ihrer Stängelstruktur senkrecht zur Oberfläche (Detail rechts). So entsteht der Effekt einer sehr feinen Segmentierung.

"Bild 3.2.3-7": Als Beispiel typischer Betriebsprobleme einer Technologie, können keramische Wärmedämmschichten aus ZrO2 dienen. Ihre vielfältige Anwendung zeigt "Bild 3.2.3-3".

“A”: Erosion durch Partikel und/oder den Gasstrom ( "Bild 3.2.3-8"). Typisch sind Schäden an den Hochdruckturbinensegmenten. Es handelt sich um die gehäuseseitigen Dichtflächen gegenüber deckbandlosen HDT-Rotorschaufelspitzen.

“B”: Schmelzen von Staubablagerungen ( "Bild 3.2.3-8") dringen in die Segmentierungsrisse ein und erzeugen bei der Abkühlung im erstarrten Zustand eine Sprengwirkung (Lit. 3.3-9).

“C”: Chemische Reaktion mit Ablagerungen. Dazu gehören Rückstände aus Kraftstoffen und verunreinigtem Einspritzwasser ( "Bild 3.2.2-3").

“D”: Abheben der Schicht als Folge von herstellungsbedingter schlechter Haftung.

“E”: Oxidation der Kontaktfläche, z.B. der Haftschicht auf Grund der Leitung von Sauerstoffionen durch die heiße keramische Schicht. Dieser Versagensmechanismus hat eine relativ lange Inkubationszeit und bestimmt die Lebensdauer der beschichteten Teile. Er ist deshalb für die langen Laufzeiten der Gasturbinen besonders problematisch. Heute erreicht man mit dem Einsatz hoch oxidationsfester Haftschichten (z.B. vom MCrAlY-Typ) Garantiezeiten von 104 Stunden.

“F”: Wärmespannungen aus Fertigung und Betrieb können besonders im Bereich konvexer Radien und Außenkanten zu Abplatzungen führen ( "Bild 3.2.3-1").

„G“: Über längere Betriebszeiten können Gefügeänderungen ( "Bild 3.2.3-8", Lit 3.2-3) mit einer Änderung der Wärmeleitfähigkeit eintreten. Dabei wird diese bis zum Dreifachen erhöht. Das lässt bei gleicher Kühlung eine deutliche Temperaturerhöhung mit einer „schmerzlichen“ Lebensdauerverkürzung der betroffenen Heißteile erwarten ( "Bild 2.3-2").

"Bild 3.2.3-8": Betriebsschäden (Lit. 3.3-9) von atmosphärisch plasmagespritzten YSZ (Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid) TBCs (Thermal Barrier Coating) sind in erster Linie von der Oberflächentemperatur der Schicht abhängig. Gerade die erwünschte Isolierwirkung bedingt eine starke Schichtaufheizung. Dies gilt insbesondere für die typisch langen Betriebszeiten stationärer Gasturbinen.

Schäden im linken Diagrammabschnitt die zu frühzeitigem Ausfall führen, werden auf Fertigungsprobleme zurückgeführt. Die Kurven “1”,”2„,”3“, geben das Versagensverhalten bei Staubbelastung an ( "Bild 3.2.3-7"). Solche Ablagerungen sind z.B. FeO+NiO aus Dichtungsabrieb und MgO+ CaO, Al2 O3 , SiO2 aus extern angesaugten Stäuben. Bei niedrigerer Betriebstemperatur macht sich Erosion verstärkt bemerkbar ( "Bild 3.2.3-7").

Während sehr langer Betriebszeiten werden trotz Yttrium-Stabilisierung Effekte wirksam, die auf einer Veränderung der Schichtstruktur beruhen:

• Phasenumwandlung: Diese Alterung der Wärmedämmschicht kann die Wärmeleitfähigkeit (Lit 3.1.2.3-1) bis zum Dreifachen erhöhen bzw. den Isolationseffekt mindern. Damit steigt die Temperatur der gekühlten Heißteile, ganz besonders der Hochdruckturbinenschaufeln. So kann sich die Lebensdauer dieser teuren Bauteile spürbar verkürzen ( "Bild 2.3-2").
• Sintereffekte die Segmentierung ( "Bild 3.2.3-5") und damit die Thermoermüdung beinflussen.
• Oxidation der Haftschicht am Übergang der Haftzone zur TBC ( "Bild 3.2.3-7").
• Anstieg der Rauigkeit durch Erosion von Wärmedämmschichten der Turbinensegmente, Heißgasführungen und Beschaufelungen. Das kann zu einer Leistungseinbuße der Gasturbine im Prozentbereich bzw. zu einem entsprechenden Wirkungsgradabfall führen (Lit 3.1.2.3-1).

"Bild 3.2.3-9" (Lit. 3.2-26): Mit Hilfe von OnLine Messungen und einer computergestützten Analyse (Kapitel 5.1.1) ist die kontinuierliche Überwachung der Brennkammer möglich.

Dabei geht es um Probleme wie

• Fehlfunktionen der Kraftstoffdüsen.
• Schäden wie Rissbildung und Verzug.
• Verbrennungsungleichmäßigkeiten.

Am Beispiel einer Mehrwellenmaschine (Detail oben rechts) ist hier eine mit Thermoelementen bestimmte Temperaturverteilung am Austritt des Gaserzeugers (EGT) auf dem Überwachungsbildschirm dargestellt.
Die kennzeichnende Größe (fault index) ergibt sich aus den prozentualen Abweichungen der EGT. Die Vielecke entsprechen der Thermoelementverteilung am Umfang. Sie zeigen die absolute Temperaturdifferenz zur mittleren EGT.

"Bild 3.2.3-10" (Lit. 3.2-26): Die Emissionsminimierung ist heute eine zentrale Forderung an eine Gasturbinenanlage. Leider ist die Tendenz der beiden Hauptemissionen NOx und CO durch die Beeinflussung der Verbrennung in Richtung niedriger Gas-/Flammtemperaturen ( "Bild 3.2.1-1") gegenläufig ( "Bild 3.2.2-1" und "Bild 3.2.3-11" ).

Die NOx-Bildung steigt mit der Turbineneintrittstemperatur, dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis und dem Brennkammerdruck (Bild 3.2.1- 3). Sie verstärken sich mit ansteigender Leistung der Maschine.

Die Messung der Emissionen im Austrittsgas kann technisch äußerst schwierig und kostspielig sein.
Mit Hilfe parametrischer Modelle können auf Basis computergestützter Berechnungen Voraussagen gemacht werden. Die notwendigen Messungen der Parameter wie die Luftströmung in der Brennkammer und die Brennkammeraustrittstemperatur (Turbineneintrittstemperatur) ist jedoch offenbar nicht praktikabel. Beispielsweise weil derartig warmfeste langzeittaugliche Thermoelemente nicht verfügbar sind.

Diese Messungen lassen sich mit abgeleiteten Werten aus anderen, leichter messbaren Parametern, die sowieso im Rahmen einer Gasstromanalyse (Gas Path Analysis, Kapitel 5.1.1) anfallen ( "Bild 5.1-2"), umgehen. Das ist eine praktikable und kostengünstige Methode. Dieses Vorgehen wurde für unterschiedliche Turbinentypen bestätigt und ist verbreitet im Einsatz. Ihre Genauigkeit ist beeindruckend. Das Diagramm zeigt NOx im Abgas am Beispiel einer Derivatturbine mittlerer Leistungsklasse, in Abhängigkeit von der abgegebenen Leistung.

Man erkennt lediglich minimale Abweichungen zwischen parametrischer Methode und der Berechnung aus der Gasstromanalyse. Ein Temperaturanstieg aufgrund des Wirkungsgradabfalls der Gasturbine über der Betriebszeit (deterioration), beeinflusst die NOx-Bildung stark. Im Vollastbereich nimmt die COEntstehung dagegen nur wenig ab ( "Bild 3.2.3-11").

Selbst ein scheinbar geringer Anstieg von NOx kann für den Betreiber weitreichende Konsequenzen haben. Ein verschmutzter Verdichter (fouling, "Bild 4.2-1.1" und "Bild 4.2-1.2") kann beispielsweise die NOx-Emission um 5 % verstärken. Damit sind möglicherweise bereits vom Gesetzgeber festgelegte Grenzwerte überschritten. Aus diesem Grund ist die Wirkungsgradüberwachung der Maschine und ihrer Komponenten für eine Begrenzung der Emissionen von großer Bedeutung.

Für die Bestimmung der Emissionen mit Hilfe einer computergestützten Berechnung werden bei einer Zweiwellenmaschine folgende Parameter gemessen:

• Verdichter:
  • Eintrittstemperatur
  • Eintrittsdruck
  • Austrittsdruck
• Niederdruckturbine / Gaserzeuger:
  • Austrittstemperatur
  • Austrittsdruck
  • Drehzahl
• Kraftstoff
  • Durchsatz
  • untere Grenze des Heizwerts.

"Bild 3.2.3-11" (Lit. 3.2-26): Als äußerst giftige Emission steht CO neben NOx ( "Bild 3.2.3-10") bei der Vermeidung im Vordergrund. Senkt man zur NOx-Reduzierung die Verbrennungstemperatur ab, wird mehr CO gebildet ( "Bild 3.2.1-3"). Um einen optimalen Kompromiss zu finden, ist deshalb auch der CO-Gehalt im Abgas zu bestimmen. Dazu dient ein parametrisches Modell. Es nutzt im Rahmen der Gasstromanalyse benötigte direkte Messwerte in der Brennkammer wie Temperatur in der Primärzone, Druck und Druckabfall.