EP1741981A1 - Ceramic heatshield element and high temperature gas reactor lined with such a heatshield - Google Patents

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EP1741981A1
EP1741981A1 EP05014474A EP05014474A EP1741981A1 EP 1741981 A1 EP1741981 A1 EP 1741981A1 EP 05014474 A EP05014474 A EP 05014474A EP 05014474 A EP05014474 A EP 05014474A EP 1741981 A1 EP1741981 A1 EP 1741981A1
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EP
European Patent Office
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ceramic
heat shield
support structure
shield element
elements
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05014474A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Holger Grote
Andreas Heilos
Marc Tertilt
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M5/00—Casings; Linings; Walls
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M5/00—Casings; Linings; Walls
    • F23M5/04—Supports for linings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/002—Wall structures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/05004—Special materials for walls or lining

Definitions

  • the present invention relates to a ceramic heat shield element for constructing a heat shield on a support structure of a hot gas-carrying high-temperature gas reactor.
  • the walls of high temperature gas reactors require suitable shielding of their support structure against attack by the hot gas. Due to their high temperature resistance, corrosion resistance and their low thermal conductivity compared to metallic materials, ceramic materials are particularly suitable for building up a heat shield shielding the support structure.
  • the possibility of thermal expansion of the ceramic heat shield must be ensured so that no component-destructive thermal stresses occur by hindering thermal expansion.
  • the possibility of temperature-dependent expansion can be ensured by the heat shield is expanded from a number of ceramic heat shield elements, wherein between adjacent heat shield elements, the thermal expansion of the elements enabling expansion gaps are kept. For safety reasons, these expansion gaps should only be designed so that they are not closed even at maximum temperature.
  • the expansion gaps in principle allow the passage of the hot gas through the heat shield in the direction of the support structure, measures must be taken to this passage to prevent.
  • the simplest and safest measure which is used in particular in gas turbine combustion chambers, is the rinsing of the expansion gaps with sealing air. In other words, compressed air is directed from the support structure in the direction of the heat shield elements, which enters the combustion chamber through the expansion gaps and thus prevents the entry of hot gas from the combustion chamber into the expansion gaps.
  • the heat shield elements are usually fixed by means of retaining clips on the support structure, which engage in peripheral surfaces of the heat shield elements which connect a combustion chamber interior facing the hot side with a support structure facing cold side of the heat shield element.
  • a heat shield is for example in EP 0 558 540 B1 described.
  • the heat shield elements are formed flat in a gas turbine combustor and disposed parallel to the support structure.
  • a temperature gradient which runs perpendicular to the surface of the support structure, only leads to comparatively low thermal stresses, as long as the ceramic heat shield element in the installed state, a prevention in the direction of the interior of the combustion chamber without obstruction is possible.
  • the retaining clips exert as possible no tensile or bending stresses on the hot ceramic heat shield elements, the retaining clips are arranged so that the introduction of the holding force in the heat shield elements in the vicinity of the corners, preferably above the support points.
  • the ceramic heat shield elements can be held in the vicinity of the corners resting on the support structure in the hot state, a plurality of arranged near the corners and in the peripheral sides of the ceramic heat shield elements engaging metallic retaining clips are used, the cooling need to one at the edges of the ceramic heat shield elements outflowing cooling air flow leads.
  • the cooling air requirement of the retaining clips therefore also leads to a Temperature gradients within the ceramic heat shield elements which are parallel to their surface.
  • the first object is achieved by a ceramic heat shield element according to claim 1, the second object by a high-temperature gas reactor according to claim 13.
  • the dependent claims obtain advantageous embodiments of the invention.
  • a ceramic heat shield element according to the invention for constructing a heat shield on a support structure of a hot gas-carrying high-temperature gas reactor, in particular a gas turbine combustor comprises a ceramic body with a hot side facing the hot gas and a cold side facing the support structure and a fixing section provided in the ceramic body.
  • the fixing section is arranged in a central region of the ceramic body at least in its cold side.
  • the cold side in the region of the fixing section has a projection with a support surface for supporting the heat shield element on the support structure.
  • the fixing section may, for example, have an opening extending from the cold side to the hot side through the ceramic body. This opening can serve approximately for receiving a screw, with which the heat shield element is screwed to the support structure.
  • the retaining clips engage in a profile of the support structure.
  • the fixing section in the ceramic body can in particular be used as a ceramic insert, for example in the form of a ceramic Sleeve, be formed, which is materially connected to the ceramic body and having a higher strength than the ceramic material of the ceramic body.
  • a ceramic insert for example in the form of a ceramic Sleeve, be formed, which is materially connected to the ceramic body and having a higher strength than the ceramic material of the ceramic body.
  • the increased strength of the ceramic insert can ensure that the ceramic heat shield member is not damaged in the fixing portion even if stress due to fixation occurs due to heat expansion of the ceramic heat shield member in the fixing portion.
  • the ceramic insert has a strength of at least 100 MPa both at room temperature and at 1000 ° C.
  • the ceramic insert has a compressive strength of at least 150 MPa.
  • Ceramic materials which comprise at least 80% by weight Al 2 O 3 and at most 20% by weight SiO 2 and which have a porosity of at most 5% are particularly suitable as ceramic material for ceramic use. But also other ceramic materials with higher strength than the ceramic material of the ceramic body are basically. By way of example, zirconium oxide (ZrO 2 ), silicon carbide (SiC) and spinel (MgAl 2 O 4 ) are mentioned here as possible materials.
  • the ceramic insert can be poured during the casting of the ceramic body. This allows a comparatively simple production of a ceramic insert provided with a ceramic insert.
  • a high-temperature gas reactor according to the invention which may be designed, for example, as a gas turbine combustor and in particular as an annular combustor of a gas turbine plant, comprises a support structure and a heat shield constructed from a number of heat shield elements according to the invention, the heat shield elements each being provided by means of a heat shield are fixed to the support structure cooperating with the fixing portion fixing.
  • the replacement of a heat shield element is simplified compared to high-temperature gas reactors with conventional ceramic heat shields, since each heat shield element can be removed individually.
  • the cooling air requirement can be reduced because the fixing now no longer protrude into the Dehnspalte between adjacent heat shield elements and therefore are no longer exposed to a direct hot gas attack. It is therefore sufficient if the fixing elements are cooled with cooling air from the inside.
  • the heat shield elements are in direct or indirect contact with the support structure only in the fixing section.
  • the shape of the ceramic body of the heat shield elements is adapted to the support structure of the high-temperature gas reactor that both in the stationary operation of the reactor and in the transient operation of the reactor, ie the transition between two states, for example when starting or stopping or when changing the load , Always a gap between the cold side of the ceramic body limiting edges and corners and the support structure remains. In this way it can be ensured that no load is exerted on the corners and edges during operation of the high-temperature gas reactor, which would lead to mechanical stresses in the heat shield element.
  • An existing in the region of the fixing section support surface of the heat shield element for resting on the support structure may also allow a largely free thermal movement of the heat shield element.
  • the heat shield elements with the interposition of spring assemblies in particular plate spring packages, can be fixed to the support structure.
  • the spring packs then form a support surface for supporting the heat shield elements on the support structure.
  • the fixation by means of the fixing then only needs to go so far that the spring force of the spring assemblies ensures a secure fit of the heat shield element, however, in a heating of the heat shield element enough space for expansion against the spring force of the spring assemblies is possible.
  • This type of fixation also provides an improved tolerance, if it comes to unwanted support on the support structure in the edge or corner areas of the heat shield elements.
  • metallic or ceramic fixing elements for example metallic or ceramic screws, come into consideration as fixing elements.
  • the heat shield elements according to the invention can be secured by a positive connection against rotation relative to the support structure.
  • the peripheral sides of the heat shield elements can be designed such that an overlap of the peripheral sides is possible when the heat shield elements are installed in the heat shield.
  • the peripheral sides may have steps, with opposing sides each having a mutually complementary step.
  • maintenance-related downtimes of high-temperature gas reactors can be reduced due to the possibility of individual replacement of individual heat shield elements without having to remove and install adjacent heat shield elements.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a ceramic heat shield element according to the invention.
  • the ceramic heat shield element 1 is composed of a ceramic body 3, which has a hot side facing a hot gas 5, a cold side 7 facing a support structure, and four peripheral sides 9 connecting the hot side 5 to the cold side 7.
  • a ceramic sleeve 13 is arranged as a ceramic element, which has an increased strength compared to the ceramic material of the ceramic body 3 both at room temperature and at 1000 ° C. At both temperatures its strength is at least 1000MPa. In addition, its pressure resistance at room temperature is at least 150 MPa.
  • the ceramic sleeve 13 is made of a material containing at least 80% by weight of alumina (Al 2 O 3 ) and at most 20% by weight of silica (SiO 2 ).
  • the ceramic material of the ceramic sleeve 13 has a porosity of at most 5%.
  • the ceramic sleeve 13 may, for example, be made of zirconium oxide (ZrO 2 ), silicon carbide (SiC) or spinel (MgAl 2 O 4 ) comprising material. Also dopings of the material of the ceramic sleeve are possible to adjust its properties targeted.
  • the material of the ceramic sleeve 13 is selected in the exemplary embodiment in particular such that it has the same or a very similar coefficient of thermal expansion as the ceramic material of the ceramic body 3. As a result, stresses in the boundary region between the ceramic sleeve 13 and the ceramic body 3 due to different thermal expansion can be avoided.
  • the ceramic heat shield element 1 is formed as a molded casting.
  • the ceramic sleeve 13 is poured during the casting process in the ceramic body, so that a material-fit connection between the ceramic body 3 and ceramic sleeve 13 is formed.
  • An alternative possibility for attaching the ceramic sleeve 13 is to glue them by means of a high temperature resistant ceramic adhesive in a ceramic body 3 of the ceramic heat shield element 1 existing recording.
  • the ceramic sleeve 13 surrounds an opening 15 extending through ceramic bodies 3 from the hot side 5 to the cold side 7, which opening is designed to receive a ceramic screw 17 which fixes the heat shield element 1 to a support structure 50 and serves as a fixing element.
  • the fixation of the heat shield element 1 on a support structure 50 is shown in FIG. 2 in a sectional side view of the heat shield element and the support structure.
  • the ceramic screw 17 may alternatively find a metal screw use, which is preferably made of high temperature resistant material and may also be optionally provided with a heat-insulating coating.
  • the ceramic screw 17 is guided through the opening 15 of the ceramic sleeve 13 and screwed into a threaded bore 52 of the support structure.
  • the support structure with a bore extending through the entire support structure and to provide the ceramic screw 17 with a length which allows it to extend through the opening 15 and the threaded bore to such an extent that beyond the bores a mother can be screwed on her.
  • a threaded pin fastened to the supporting structure, which can extend through the opening 15 of a heat shield element 1 arranged on the supporting structure, so that a nut can be screwed onto the threaded pin from the combustion chamber interior.
  • a plate spring package 54 is arranged, via which the heat shield element 1 is indirectly in contact with the support structure 50.
  • the plate springs of the disc spring assembly 54 are slightly compressed, so that the heat shield element 1 is securely fixed in the direction of the support structure 50.
  • This first increases the elasticity of the screw connection with the material-typically comparatively stiff Schaub connection.
  • the plate springs of the plate spring package 54 can be further compressed. They therefore oppose the thermal expansion of the ceramic heat shield element 1 and the ceramic sleeve 13 only a relatively low resistance.
  • the plate spring package 54 can serve as a spacer between the ceramic heat shield element 1 and the support structure 50, which ensures that there is sufficient space between them for the flow of cooling air.
  • the cooling air is supplied via arranged in the support structure 50 cooling air channels 56 and blown through cooling air openings 58 in the direction of the cold side 7 of the heat shield element 1.
  • the blown-out cooling air flows along the cold side of the heat shield element 1 in the direction of expansion gaps 60 present between the heat shield elements.
  • a convective cooling of the heat shield elements flows around.
  • the cooling air passes through the expansion gaps 60 into the interior of the combustion chamber and thus blocks the expansion gaps 60 against the entry of hot gas from the combustion chamber.
  • the heat shield elements according to the invention can be used, in particular, to construct a surface-covering heat shield for a high-temperature gas reactor, such as a gas turbine combustion chamber.
  • a number of ceramic heat shield elements 1 are fixed over the entire surface of the support structure of the combustion chamber, as shown in Figure 3. Between adjacent heat shield elements 1 are doing Dehnspalte 60 left to allow thermal expansion of the heat shield elements 1 parallel to the support structure without obstruction.
  • the removal of a ceramic heat shield element 1 according to the invention from a heat shield can be carried out in a simple manner such that the ceramic screw 17 is released from the combustion chamber interior and the heat shield element 1 is subsequently removed.
  • the installation of the heat shield element 1 can be done in an analogous manner by inserting the heat shield element and then screwing to the support structure.
  • FIG. 4 An alternative embodiment of the heat shield element is shown in Fig. 4.
  • the figure shows a section of the wall of a gas turbine combustor with a support structure 50 and a heat shield attached thereto, which is constructed from a number of inventive heat shield elements 100.
  • the screws which fix the heat shield elements to the support structure 50 and the associated threads in the support structure 50 are not shown.
  • the ceramic heat shield elements 100 have a ceramic body 103 with a ceramic sleeve 113 arranged in its central region 111.
  • the peripheral sides 90, 91 of the ceramic body 103 are formed in such a stepped manner that mutually opposite circumferential sides 90, 91 are complementary to each other. In this way, an overlap occurs in the heat shield in the region of the gap between two adjacent heat shield elements 100, which leads to a reduced need for blocking air.
  • the ceramic heat shield elements 100 each have on their cold side a projection 112 surrounding the ceramic sleeve 113.
  • the underside 114 of the projection 112 forms a support with which the ceramic heat shield element 100 rests on the support structure 50. Since the force fixing the heat shield element 100 to the support structure 50 is transmitted centrally to the support structure via the projection 112 and the support 114, bends in the ceramic heat shield element 100 can be reliably avoided.

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Abstract

Gas turbine engine combustion chamber has a ceramic heat shield tile (3) with a hot side (5) directed towards the hot gases and a cold side (7) directed towards the chamber support structure. The ceramic tile has an anchorage sleeve fitting (13) embedded in a central part of the tile and secured by a bolt to the cold side of the structure.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein keramisches Hitzeschildelement zum Aufbau eines Hitzeschildes an einer Tragstruktur eines heißgasführenden Hochtemperaturgasreaktors.The present invention relates to a ceramic heat shield element for constructing a heat shield on a support structure of a hot gas-carrying high-temperature gas reactor.

Die Wände von Hochtemperaturgasreaktoren, beispielsweise von unter Druck betriebenen Gasturbinenbrennkammern, erfordern eine geeignete Abschirmung ihrer Tragstruktur gegen einen Angriff des heißen Gases. Keramische Materialien sind aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit sowie ihrer niedrigen Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu metallischen Werkstoffen besonders geeignet, um einen die Tragstruktur abschirmenden Hitzeschild aufzubauen.The walls of high temperature gas reactors, such as pressurized gas turbine combustors, require suitable shielding of their support structure against attack by the hot gas. Due to their high temperature resistance, corrosion resistance and their low thermal conductivity compared to metallic materials, ceramic materials are particularly suitable for building up a heat shield shielding the support structure.

Aufgrund materialtypischer Wärmedehnungseigenschaften und der im Rahmen des Betriebs eines Hochtemperaturgasreaktors typischerweise auftretenden Temperaturunterschiede, beispielsweise der Umgebungstemperatur bei Stillstand im Vergleich zur maximalen Temperatur bei Volllast, muss die Möglichkeit der Wärmeausdehnung des keramischen Hitzeschildes gewährleistet sein, damit keine bauteilzerstörenden Wärmespannungen durch Behinderung der Wärmeausdehnung auftreten. Die Möglichkeit der temperaturabhängigen Ausdehnung kann gewährleistet werden, indem der Hitzeschild aus einer Anzahl keramischer Hitzeschildelemente ausgebaut ist, wobei zwischen benachbarten Hitzeschildelementen die Wärmeausdehnung der Elemente ermöglichende Dehnspalte vorgehalten werden. Aus Sicherheitsgründen dürften diese Dehnspalte nur so ausgelegt sein, dass sie auch bei Höchsttemperatur nicht geschlossen sind.Due to material-typical thermal expansion properties and the temperature differences typically occurring during operation of a high-temperature gas reactor, for example the ambient temperature at standstill compared to the maximum temperature at full load, the possibility of thermal expansion of the ceramic heat shield must be ensured so that no component-destructive thermal stresses occur by hindering thermal expansion. The possibility of temperature-dependent expansion can be ensured by the heat shield is expanded from a number of ceramic heat shield elements, wherein between adjacent heat shield elements, the thermal expansion of the elements enabling expansion gaps are kept. For safety reasons, these expansion gaps should only be designed so that they are not closed even at maximum temperature.

Da die Dehnspalte grundsätzlich den Durchtritt des Heißgases durch den Hitzeschild in Richtung auf die Tragstruktur ermöglichen, müssen Maßnahmen getroffen werden, um diesen Durchtritt zu unterbinden. Die einfachste und sicherste Maßnahme, die insbesondere in Gasturbinenbrennkammern zur Anwendung kommt, ist das Spülen der Dehnspalte mit Sperrluft. Mit anderen Worten, von der Tragstruktur aus wird Druckluft in Richtung auf die Hitzeschildelemente geleitet, die durch die Dehnspalte in die Brennkammer eintritt und so den Eintritt von Heißgas aus der Brennkammer in die Dehnspalte verhindert.Since the expansion gaps in principle allow the passage of the hot gas through the heat shield in the direction of the support structure, measures must be taken to this passage to prevent. The simplest and safest measure, which is used in particular in gas turbine combustion chambers, is the rinsing of the expansion gaps with sealing air. In other words, compressed air is directed from the support structure in the direction of the heat shield elements, which enters the combustion chamber through the expansion gaps and thus prevents the entry of hot gas from the combustion chamber into the expansion gaps.

In Gasturbinenbrennkammern werden die Hitzeschildelemente in der Regel mittels Halteklammern an der Tragstruktur fixiert, die in Umfangsflächen der Hitzeschildelemente eingreifen, welche eine dem Brennkammerinneren zugewandet Heißseite mit einer der Tragstruktur zugewandten Kaltseite des Hitzeschildelementes verbinden. Ein derartiger Hitzeschild ist beispielsweise in EP 0 558 540 B1 beschrieben.In gas turbine combustors, the heat shield elements are usually fixed by means of retaining clips on the support structure, which engage in peripheral surfaces of the heat shield elements which connect a combustion chamber interior facing the hot side with a support structure facing cold side of the heat shield element. Such a heat shield is for example in EP 0 558 540 B1 described.

Infolge des Spülens der Dehnspalte mit Sperrluft werden die die Spalte begrenzenden Umfangsflächen ebenso wie die Kaltseite der Hitzeschildelemente gekühlt. Andererseits findet an der Heißseite der Hitzeschildelemente ein hoher Wärmeeintrag aufgrund des Heißgases statt. Es stellt sich daher innerhalb eines Hitzeschildelementes eine dreidimensionale Temperaturverteilung ein, die durch einen Temperaturabfall von der Heißseite zur Kaltseite sowie durch eine von zentralen Punkten des Hitzeschildelementes zu den Kanten hin auftretenden Temperaturabfall geprägt ist.As a result of purging the expansion gaps with sealing air, the peripheral surfaces delimiting the gaps are cooled as well as the cold side of the heat shield elements. On the other hand, a high heat input due to the hot gas takes place on the hot side of the heat shield elements. Therefore, within a heat shield element, a three-dimensional temperature distribution arises, which is characterized by a temperature drop from the hot side to the cold side as well as by a drop in temperature occurring from central points of the heat shield element to the edges.

Typischerweise sind die Hitzeschildelemente in einer Gasturbinenbrennkammer flach ausgebildet und parallel zur Tragstruktur angeordnet. Ein Temperaturgradient, der senkrecht zur Oberfläche der Tragstruktur verläuft, führt dabei nur zu vergleichsweise geringen thermischen Spannungen, solange für das keramische Hitzeschildelement im Einbauzustand eine Vorbeugung in Richtung auf das Innere der Brennkammer ohne Behinderung möglich ist.Typically, the heat shield elements are formed flat in a gas turbine combustor and disposed parallel to the support structure. A temperature gradient, which runs perpendicular to the surface of the support structure, only leads to comparatively low thermal stresses, as long as the ceramic heat shield element in the installed state, a prevention in the direction of the interior of the combustion chamber without obstruction is possible.

Ein zur Tragstruktur und damit zur Oberfläche eines Hitzeschildelementes parallel verlaufender Temperaturgradient wie derjenige, der von den Umfangsflächen des Hitzeschildelementes ausgehend zum Zentrum des Hitzeschildelementes verläuft, erzeugt infolge der Steifigkeit plattenähnlicher Geometrien bezüglich Verformungen parallel zu ihrer größten Projektionsfläche vergleichsweise höhere Thermospannungen. Diese führen dazu, dass die kalten Kanten der Umfangsflächen infolge ihrer vergleichsweise geringen thermischen Dehnung von heißeren Zentralbereichen, die einer größeren thermischen Dehnung unterworfen sind, unter Zug gesetzt werden. Dieser Zug kann bei Überschreiten der Materialfestigkeit zur Bildung von Rissen führen, die von den Kanten des Hitzeschildelementes ausgehen und in Richtung auf zentrale Bereiche des Hitzeschildelementes verlaufen.A parallel to the support structure and thus to the surface of a heat shield element temperature gradient as that which extends from the peripheral surfaces of the heat shield element to the center of the heat shield element, generated due to the rigidity of plate-like geometries with respect to deformations parallel to their largest projection surface comparatively higher thermal stresses. These result in the cold edges of the peripheral surfaces being put under tension due to their comparatively low thermal expansion from hotter central regions subjected to greater thermal expansion. When the material strength is exceeded, this tension can lead to the formation of cracks which extend from the edges of the heat shield element and extend in the direction of central regions of the heat shield element.

Infolge des während des Betriebes auftretenden Temperaturfeldes im keramischen Hitzeschildelement wölbt sich dieses in Richtung auf das Brennkammerinnere leicht auf. Dadurch kann im heißen Zustand eine Beschränkung der Auflage der im kalten Zustand flächig auf der Tragstruktur aufliegenden keramischen Hitzeschildelemente auf die Ecken der Hitzeschildelemente erfolgen. Damit die Halteklammern möglichst keine Zug- bzw. Biegespannungen auf die heißen keramischen Hitzeschildelemente ausüben, werden die Halteklammern so angeordnet, dass das Einleiten der Haltekraft in die Hitzeschildelemente in der Nähe der Ecken, vorzugsweise oberhalb der Auflagepunkte erfolgt.As a result of the temperature field occurring during operation in the ceramic heat shield element, this bulges slightly in the direction of the interior of the combustion chamber. As a result, in the hot state, a restriction of the overlay of the ceramic heat shield elements lying flat on the support structure in the cold state to the corners of the heat shield elements can be restricted. So that the retaining clips exert as possible no tensile or bending stresses on the hot ceramic heat shield elements, the retaining clips are arranged so that the introduction of the holding force in the heat shield elements in the vicinity of the corners, preferably above the support points.

Damit die keramischen Hitzeschildelemente in der Nähe der im heißen Zustand auf der Tragstruktur aufliegenden Ecken gehalten werden können, werden mehrere in der Nähe der Ecken angeordnete und in die Umfangsseiten der keramischen Hitzeschildelemente eingreifende metallische Halteklammern verwendet, deren Kühlungsbedarf zu einem an den Rändern der keramischen Hitzeschildelemente abströmenden Kühlluftstrom führt. Der Kühlluftbedarf der Halteklammern führt daher ebenfalls zu einem Temperaturgradienten innerhalb der keramischen Hitzeschildelemente, der parallel zu deren Oberfläche verläuft.In order that the ceramic heat shield elements can be held in the vicinity of the corners resting on the support structure in the hot state, a plurality of arranged near the corners and in the peripheral sides of the ceramic heat shield elements engaging metallic retaining clips are used, the cooling need to one at the edges of the ceramic heat shield elements outflowing cooling air flow leads. The cooling air requirement of the retaining clips therefore also leads to a Temperature gradients within the ceramic heat shield elements which are parallel to their surface.

Um die beschriebenen Nachteile zu vermeiden sind im Stand der Technik mehrere Wege vorgeschlagen worden. Ein Vorschlag besteht darin, die Dehnspalte zwischen benachbarten keramischen Hitzeschildelementen mittels elastischen Dichtungen abzudichten und so den Kühl- und Sperrluftbedarf im Bereich der Dehnspalte zwischen den Umfangsflächen zu vermeiden. Ein derartiger Hitzeschild ist beispielsweise in EP 1 302 723 A1 offenbart. Die Dichtungen erhöhen jedoch die Teilezahl, die Kosten und - wenn auch nur geringfügig - den Montagezeitbedarf.In order to avoid the disadvantages described, several ways have been proposed in the prior art. One proposal is to seal the expansion gaps between adjacent ceramic heat shield elements by means of elastic seals and thus to avoid the need for cooling and blocking air in the region of the expansion gaps between the peripheral surfaces. Such a heat shield is for example in EP 1 302 723 A1 disclosed. However, the seals increase the number of parts, the cost and - albeit only slightly - the installation time required.

Ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes keramisches Hitzeschildelement zum Aufbau eines Hitzeschildes in einem Hochtemperaturgasreaktor zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Hochtemperaturgasreaktor, insbesondere eine verbesserte Gasturbinenkammer, zur Verfügung zu stellen.Starting from the described prior art, it is an object of the present invention to provide an improved ceramic heat shield element for constructing a heat shield in a high-temperature gas reactor. Another object of the present invention is to provide an improved high temperature gas reactor, in particular an improved gas turbine chamber.

Die erste Aufgabe wird durch ein keramisches Hitzeschildelement nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch einen Hochtemperaturgasreaktor nach Anspruch 13. Die abhängigen Ansprüche erhalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The first object is achieved by a ceramic heat shield element according to claim 1, the second object by a high-temperature gas reactor according to claim 13. The dependent claims obtain advantageous embodiments of the invention.

Ein erfindungsgemäßes keramisches Hitzeschildelement zum Aufbau eines Hitzeschildes an einer Tragstruktur eines heißgasführenden Hochtemperaturgasreaktors, insbesondere einer Gasturbinenbrennkammer, umfasst einen Keramikkörper mit einer dem Heißgas zuzuwendenden Heißseite und einer der Tragstruktur zuzuwendenden Kaltseite sowie einen im Keramikkörper vorhanden Fixierabschnitt. Erfindungsgemäß ist der Fixierabschnitt in einem zentralen Bereich des Keramikkörpers wenigstens in dessen Kaltseite angeordnet. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, das keramische Hitzeschildelement so auszugestalten, dass die Auflage auf der Tragstruktur unter allen Betriebsbedingungen alleine im Bereich des Fixierabschnittes erfolgt. Vorteilhafterwiese weist die Kaltseite im Bereich des Fixierabschnittes einen Vorsprung mit einer Auflagefläche zur Auflage des Hitzeschildelementes auf der Tragstruktur auf.A ceramic heat shield element according to the invention for constructing a heat shield on a support structure of a hot gas-carrying high-temperature gas reactor, in particular a gas turbine combustor, comprises a ceramic body with a hot side facing the hot gas and a cold side facing the support structure and a fixing section provided in the ceramic body. According to the invention, the fixing section is arranged in a central region of the ceramic body at least in its cold side. This embodiment makes it possible to design the ceramic heat shield element such that the support on the support structure under all operating conditions takes place alone in the area of the fixing section. Advantageously, the cold side in the region of the fixing section has a projection with a support surface for supporting the heat shield element on the support structure.

Biege und Zugspannungen im keramischen Hitzeschildelement lassen sich mit dem erfindungsgemäßen keramischen Hitzeschildelement im Vergleich zu keramischen Hitzeschildelementen nach Stand der Technik deutlich verringern. Auf die im Stand der Technik verwendeten, in die Umfangsseiten der Hitzeschildelemente eingreifenden Halteklammern kann daher beim erfindungsgemäßen Hitzeschildelement verzichtet werden. Dies verringert den Kühlluftbedarf im Bereich der Dehnspalte, da nun nur noch die Spalte abzusperren, jedoch nicht mehr die im Bereich der Spalte in Umfangsflächen des Hitzeschildelementes eingreifenden Halteklammern zu kühlen sind. Im erfindungsgemäßen Hitzeschildelement kann die Kühlung eines am Fixierabschnitt des Hitzeschildelementes angreifenden Fixierelementes zusammen mit dem Kühlen der Kaltseite erfolgen, so dass kein zusätzlicher Kühlluftbedarf für das Kühlen des Fixierelementes vorhanden ist.Bending and tensile stresses in the ceramic heat shield element can be significantly reduced with the ceramic heat shield element according to the invention in comparison to prior art ceramic heat shield elements. Therefore, in the heat shield element according to the invention used in the prior art, engaging in the peripheral sides of the heat shield elements retaining clips can be dispensed with. This reduces the need for cooling air in the region of the expansion gaps, since now only the column to shut off, but no longer to cool the engaging in the region of the column in the peripheral surfaces of the heat shield element retaining clips. In the heat shield element according to the invention, the cooling of a fixing element acting on the fixing portion of the heat shield element can be cooled together with the cooling of the cold side, so that no additional cooling air requirement for cooling the fixing element is present.

Der Fixierabschnitt kann beispielsweise eine sich von der Kaltseite zur Heißseite durch den Keramikkörper erstreckende Öffnung aufweisen. Diese Öffnung kann etwa zum Aufnehmen einer Schraube dienen, mit der das Hitzeschildelement mit der Tragstruktur verschraubt wird. Bei einer Wartung des Hitzeschildelementes, in der einzelne Hitzeschildelemente ausgetauscht werden müssen, braucht dann nur noch die Verschraubung der auszutauschenden Hitzeschildelemente gelöst zu werden, anstatt dass alle Hitzeschildelemente entfernt werden müssen, deren Halteklammern in eine Profilnut der Tragstruktur eingreifen.The fixing section may, for example, have an opening extending from the cold side to the hot side through the ceramic body. This opening can serve approximately for receiving a screw, with which the heat shield element is screwed to the support structure. In a maintenance of the heat shield element in the individual heat shield elements must be replaced, then only needs the screw of the exchanged heat shield elements to be solved, rather than all heat shield elements must be removed, the retaining clips engage in a profile of the support structure.

Der Fixierabschnitt im Keramikkörper kann insbesondere als ein keramischer Einsatz, beispielsweise in Form einer keramischen Hülse, ausgebildet sein, der mit dem Keramikkörper materialschlüssig verbunden ist und der eine höhere Festigkeit aufweist als das Keramikmaterial des Keramikkörpers aufweist. Wenn ein derartiges Hitzeschildelement mittels eines Fixierelementes an einer Tragstruktur befestigt ist, kann die erhöhte Festigkeit des keramischen Einsatzes sicherstellen, dass das keramische Hitzeschildelement im Fixierbereich nicht beschädigt wird, selbst wenn aufgrund wärmebedingter Ausdehnung des keramischen Hitzeschildelementes im Fixierabschnitt Spannungen aufgrund der Fixierung auftreten. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der keramische Einsatz sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 1000°C eine Festigkeit von mindestens 100MPa aufweist. Zudem ist es vorteilhaft, wenn der keramische Einsatz eine Druckfestigkeit von mindestens 150MPa aufweist.The fixing section in the ceramic body can in particular be used as a ceramic insert, for example in the form of a ceramic Sleeve, be formed, which is materially connected to the ceramic body and having a higher strength than the ceramic material of the ceramic body. When such a heat shield member is fixed to a support structure by means of a fixing member, the increased strength of the ceramic insert can ensure that the ceramic heat shield member is not damaged in the fixing portion even if stress due to fixation occurs due to heat expansion of the ceramic heat shield member in the fixing portion. In this context, it is advantageous if the ceramic insert has a strength of at least 100 MPa both at room temperature and at 1000 ° C. In addition, it is advantageous if the ceramic insert has a compressive strength of at least 150 MPa.

Als Keramikmaterial für den keramischen Einsatz eignen sich insbesondere keramische Materialien, die mindestens 80 Gew.-% Al2O3 und höchstens 20 Gew.-% SiO2 umfassen und die eine Porosität von höchstens 5 % aufweisen. Aber auch andere Keramikmaterialien mit höherer Festigkeit als das Keramikmaterial des Keramikkörpers eignen sich grundsätzlich. Beispielhaft seinen an dieser Stelle Zirkoniumoxid (ZrO2), Siliziumcarbid (SiC) und Spinell (MgAl2O4) als mögliche Materialien genannt.Ceramic materials which comprise at least 80% by weight Al 2 O 3 and at most 20% by weight SiO 2 and which have a porosity of at most 5% are particularly suitable as ceramic material for ceramic use. But also other ceramic materials with higher strength than the ceramic material of the ceramic body are basically. By way of example, zirconium oxide (ZrO 2 ), silicon carbide (SiC) and spinel (MgAl 2 O 4 ) are mentioned here as possible materials.

Wenn der Keramikkörper als Gusskörper ausgebildet ist, kann der keramische Einsatz beim Gießen des Keramikkörpers eingegossen werden. Dies ermöglicht eine vergleichsweise einfache Herstellung eines mit einem keramischen Einsatz versehenen Keramikkörpers.If the ceramic body is formed as a cast body, the ceramic insert can be poured during the casting of the ceramic body. This allows a comparatively simple production of a ceramic insert provided with a ceramic insert.

Ein erfindungsgemäßer Hochtemperaturgasreaktor, der beispielsweise als Gasturbinenbrennkammer und insbesondere als Ringbrennkammer einer Gasturbinenanlage ausgebildet sein kann, umfasst eine Tragstruktur und einen aus einer Anzahl erfindungsgemäßer Hitzeschildelemente aufgebauten Hitzeschild, wobei die Hitzeschildelemente jeweils mittels eines mit dem Fixierabschnitt zusammenwirkenden Fixierelement an der Tragstruktur fixiert sind.A high-temperature gas reactor according to the invention, which may be designed, for example, as a gas turbine combustor and in particular as an annular combustor of a gas turbine plant, comprises a support structure and a heat shield constructed from a number of heat shield elements according to the invention, the heat shield elements each being provided by means of a heat shield are fixed to the support structure cooperating with the fixing portion fixing.

Im erfindungsgemäßen Hochtemperaturgasreaktor ist im Vergleich zu Hochtemperaturgasreaktoren mit konventionellen keramischen Hitzeschilden das Auswechseln eines Hitzeschildelementes vereinfacht, da jedes Hitzeschildelement individuell entfernt werden kann. Zudem kann der Kühlluftbedarf verringert werden, da die Fixierelemente nun nicht mehr in die Dehnspalte zwischen benachbarten Hitzeschildelementen hineinragen und deshalb nicht mehr einem direkten Heißgasangriff ausgesetzt sind. Es genügt daher, wenn die Fixierelemente mit Kühlluft von innen gekühlt werden.In the high-temperature gas reactor according to the invention, the replacement of a heat shield element is simplified compared to high-temperature gas reactors with conventional ceramic heat shields, since each heat shield element can be removed individually. In addition, the cooling air requirement can be reduced because the fixing now no longer protrude into the Dehnspalte between adjacent heat shield elements and therefore are no longer exposed to a direct hot gas attack. It is therefore sufficient if the fixing elements are cooled with cooling air from the inside.

In einer Ausgestaltung des Hochtemperaturgasreaktors stehen die Hitzeschildelemente nur im Fixierabschnitt mit der Tragstruktur mittelbar oder unmittelbar in Kontakt. Außerdem ist die Form der Keramikkörper der Hitzeschildelemente derart an die Tragstruktur des Hochtemperaturgasreaktors angepasst, dass sowohl im stationären Betrieb des Reaktors als auch im transienten Betrieb des Reaktors, also beim Übergang zwischen zwei Zuständen, beispielsweise beim An- oder Abfahren oder bei einem Wechsel der Last, immer ein Spalt zwischen den die Kaltseite des Keramikkörpers begrenzenden Kanten und Ecken sowie der Tragstruktur verbleibt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass während des Betriebs des Hochtemperaturgasreaktors keine Last auf die Ecken und Kanten ausgeübt wird, die zu mechanischen Spannungen im Hitzeschildelement führen würden. Eine im Bereich des Fixierabschnittes vorhandene Auflagefläche des Hitzeschildelementes zur Auflage auf der Tragstruktur kann zudem eine weitgehend freie thermische Bewegung des Hitzeschildelementes ermöglichen.In one embodiment of the high-temperature gas reactor, the heat shield elements are in direct or indirect contact with the support structure only in the fixing section. In addition, the shape of the ceramic body of the heat shield elements is adapted to the support structure of the high-temperature gas reactor that both in the stationary operation of the reactor and in the transient operation of the reactor, ie the transition between two states, for example when starting or stopping or when changing the load , Always a gap between the cold side of the ceramic body limiting edges and corners and the support structure remains. In this way it can be ensured that no load is exerted on the corners and edges during operation of the high-temperature gas reactor, which would lead to mechanical stresses in the heat shield element. An existing in the region of the fixing section support surface of the heat shield element for resting on the support structure may also allow a largely free thermal movement of the heat shield element.

Um eine thermische Ausdehnung eines an der Tragstruktur fixierten Hitzeschildelementes in Richtung auf die Tragstruktur ohne Auftreten übermäßiger mechanischer Belastungen zu ermöglichen, ohne auf eine sichere Lagefixierung des keramischen Hitzeschildelementes verzichten zu müssen, können die Hitzeschildelemente unter Zwischenschaltung von Federpakten, insbesondere von Tellerfederpaketen, an der Tragstruktur fixiert sein. Die Federpakete bilden dann eine Auflagefläche zur Auflage der Hitzeschildelemente auf der Tragstruktur. Die Fixierung mittels des Fixierelementes braucht dann nur so weit zu gehen, dass die Federkraft der Federpakete für einen sicheren Sitz des Hitzeschildelementes sorgt, bei einer Erwärmung des Hitzeschildelementes jedoch genügend Raum für eine Ausdehnung gegen die Federkraft der Federpakete möglich ist. Diese Art der Fixierung bietet auch eine verbesserte Toleranz, falls es zur unerwünschten Auflage auf der Tragstruktur in Rand- oder Eckbereichen der Hitzeschildelemente kommt.In order to allow thermal expansion of a fixed to the support structure heat shield element in the direction of the support structure without the occurrence of excessive mechanical stress, without relying on a secure positional fixation of the ceramic To have to dispense with heat shield element, the heat shield elements with the interposition of spring assemblies, in particular plate spring packages, can be fixed to the support structure. The spring packs then form a support surface for supporting the heat shield elements on the support structure. The fixation by means of the fixing then only needs to go so far that the spring force of the spring assemblies ensures a secure fit of the heat shield element, however, in a heating of the heat shield element enough space for expansion against the spring force of the spring assemblies is possible. This type of fixation also provides an improved tolerance, if it comes to unwanted support on the support structure in the edge or corner areas of the heat shield elements.

Als Fixierelemente kommen insbesondere metallische oder keramische Fixierelemente, beispielsweise metallische oder keramische Schrauben, in Betracht.In particular metallic or ceramic fixing elements, for example metallic or ceramic screws, come into consideration as fixing elements.

Die erfindungsgemäßen Hitzeschildelemente können durch einen Formschluss gegen Verdrehen relativ zur Tragstruktur gesichert werden.The heat shield elements according to the invention can be secured by a positive connection against rotation relative to the support structure.

Um eine wärmebedingte Ausdehnung der Hitzeschildelemente in Richtungen parallel zur Tragstruktur zu ermöglichen, ohne dabei mechanische Spannungen aufgrund des Aneinanderstoßens benachbarter Hitzeschildelemente zu erzeugen, ist es vorteilhaft, auch die erfindungsgemäßen Hitzeschildelemente unter Spaltbelassung zwischen benachbarten Hitzeschildelementen flächendeckend anzuordnen. Insbesondere können die Umfangsseiten der Hitzeschildelemente derart ausgestaltet sein, dass ein Überlapp der Umfangsseiten möglich ist, wenn die Hitzeschildelemente in den Hitzeschild eingebaut sind. Bspw. können die Umfangsseiten Stufen aufweisen, wobei einander gegenüberliegende Seiten jeweils eine zueinander komplementäre Stufung aufweisen.In order to enable a thermal expansion of the heat shield elements in directions parallel to the support structure without generating mechanical stresses due to the abutting adjacent heat shield elements, it is advantageous to arrange the heat shield elements according to the invention under Spaltbelassung between adjacent heat shield elements area. In particular, the peripheral sides of the heat shield elements can be designed such that an overlap of the peripheral sides is possible when the heat shield elements are installed in the heat shield. For example. For example, the peripheral sides may have steps, with opposing sides each having a mutually complementary step.

Ingesamt bietet die Erfindung folgende Vorteile:Overall, the invention offers the following advantages:

Aufgrund des verringerten Kühlluftbedarfes im Bereich der Dehnspalte sind im Vergleich zum Stand der Technik die Temperaturgradienten parallel zur Tragstruktur verringert. Dies führt zu einer Verminderung der Risslänge von Kantenrissen und infolgedessen zu einer Reduktion von Austauschraten von keramischen Hitzeschildelementen sowie zu einer Erhöhung der Lebensdauer der keramischen Hitzeschildelemente.Due to the reduced cooling air requirement in the region of the expansion gaps, the temperature gradients parallel to the support structure are reduced compared to the prior art. This leads to a reduction in the crack length of edge cracks and, as a result, to a reduction in exchange rates of ceramic heat shield elements and to an increase in the service life of the ceramic heat shield elements.

Zudem lassen sich wartungsbedingte Ausfallzeiten von Hochtemperaturgasreaktoren aufgrund der Möglichkeit des individuellen Austausches einzelner Hitzeschildelemente, ohne dass dazu benachbarte Hitzeschildelemente ebenfalls aus- und wieder eingebaut werden müssten, verringern.In addition, maintenance-related downtimes of high-temperature gas reactors can be reduced due to the possibility of individual replacement of individual heat shield elements without having to remove and install adjacent heat shield elements.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Figuren.

  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes in perspektivischer Ansicht.
  • Figur 2 zeigt eine geschnitten schematische Darstellung eines an der Tragstruktur einer Gasturbinenbrennkammer angeordneten Hitzeschildelementes.
  • Figur 3 zeigt einen Ausschnitt eines an einer Tragstruktur einer Gasturbinenbrennkammer angeordneten Hitzeschildes von der Brennkammerinnenseite aus in einer schematischen Darstellung.
  • Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus der Wand einer Gasturbinenbrennkammer mit einer Tragstruktur und einem daran befestigten Hitzeschild.
Further features, properties and advantages of the present invention will become apparent from the following description of an embodiment with reference to the accompanying figures.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a heat shield element according to the invention in a perspective view.
  • FIG. 2 shows a sectional schematic illustration of a heat shield element arranged on the support structure of a gas turbine combustion chamber.
  • FIG. 3 shows a detail of a heat shield arranged on a support structure of a gas turbine combustion chamber from the combustion chamber inside in a schematic representation.
  • Figure 4 shows a section of the wall of a gas turbine combustor having a support structure and a heat shield attached thereto.

Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes keramisches Hitzeschildelement in einer perspektivischen Darstellung. Das keramische Hitzeschildelement 1 besteht aus einem Keramikkörper 3, welcher eine einem Heißgas zuzuwendende Heißseite 5, eine einer Tragstruktur zuzuwendende Kaltseite 7 und vier die Heißseite 5 mit der Kaltseite 7 verbindende Umfangsseiten 9 aufweist. In einem zentralen Bereich ist eine Keramikhülse 13 als ein keramisches Element angeordnet, welches eine im Vergleich zum Keramikmaterial des Keramikkörpers 3 erhöhte Festigkeit sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 1000°C aufweist. Bei beiden Temperaturen beträgt seine Festigkeit mindestens 1000MPa. Zudem beträgt seine Druckfestigkeit bei Raumtemperatur mindestens 150MPa.FIG. 1 shows a perspective view of a ceramic heat shield element according to the invention. The ceramic heat shield element 1 is composed of a ceramic body 3, which has a hot side facing a hot gas 5, a cold side 7 facing a support structure, and four peripheral sides 9 connecting the hot side 5 to the cold side 7. In a central region, a ceramic sleeve 13 is arranged as a ceramic element, which has an increased strength compared to the ceramic material of the ceramic body 3 both at room temperature and at 1000 ° C. At both temperatures its strength is at least 1000MPa. In addition, its pressure resistance at room temperature is at least 150 MPa.

Die Keramikhülse 13 ist aus einem Material hergestellt, welches mindestens 80 Gew.-% Aluminiumoxid (Al2O3) und höchstens 20 Gew.-% Siliziumoxid (SiO2) enthält. Außerdem besitzt das keramische Material der Keramikhülse 13 eine Porosität von höchstens 5 %. Alternativ kann die Keramikhülse 13 bspw. auch aus einem Zirkoniumoxid (ZrO2), Siliziumcarbid (SiC) oder Spinell (MgAl2O4) umfassenden Material hergestellt sein. Auch sind Dotierungen des Materials der Keramikhülse möglich, um dessen Eigenschaften gezielt einzustellen.The ceramic sleeve 13 is made of a material containing at least 80% by weight of alumina (Al 2 O 3 ) and at most 20% by weight of silica (SiO 2 ). In addition, the ceramic material of the ceramic sleeve 13 has a porosity of at most 5%. Alternatively, the ceramic sleeve 13 may, for example, be made of zirconium oxide (ZrO 2 ), silicon carbide (SiC) or spinel (MgAl 2 O 4 ) comprising material. Also dopings of the material of the ceramic sleeve are possible to adjust its properties targeted.

Das Material der Keramikhülse 13 ist im Ausführungsbeispiel insbesondere derart gewählt, dass es den gleichen oder einen sehr ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt wie das Keramikmaterial des Keramikkörpers 3. Dadurch lassen sich Spannungen im Grenzbereich zwischen der Keramikhülse 13 und dem Keramikkörper 3 aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung vermeiden.The material of the ceramic sleeve 13 is selected in the exemplary embodiment in particular such that it has the same or a very similar coefficient of thermal expansion as the ceramic material of the ceramic body 3. As a result, stresses in the boundary region between the ceramic sleeve 13 and the ceramic body 3 due to different thermal expansion can be avoided.

Das keramische Hitzeschildelement 1 ist als ein in Form gegossenes Gussteil ausgebildet. Die keramische Hülse 13 wird beim Gießvorgang in den Keramikkörper eingegossen, so dass eine materialschlüssige Verbindung zwischen dem Keramikkörper 3 und Keramikhülse 13 entsteht.The ceramic heat shield element 1 is formed as a molded casting. The ceramic sleeve 13 is poured during the casting process in the ceramic body, so that a material-fit connection between the ceramic body 3 and ceramic sleeve 13 is formed.

Eine alternative Möglichkeit zum Befestigen der keramischen Hülse 13 besteht darin, diese mittels eines hochtemperaturfesten Keramikklebers in eine im Keramikkörper 3 des keramischen Hitzeschildelementes 1 vorhandene Aufnahme einzukleben.An alternative possibility for attaching the ceramic sleeve 13 is to glue them by means of a high temperature resistant ceramic adhesive in a ceramic body 3 of the ceramic heat shield element 1 existing recording.

Die Keramikhülse 13 umgibt eine sich durch in Keramikkörper 3 von der Heißseite 5 bis zur Kaltseite 7 erstreckende Öffnung 15, die zur Aufnahme einer das Hitzeschildelement 1 an einer Tragstruktur 50 fixierenden Keramikschraube 17, die als Fixierelement dient, ausgebildet ist. Die Fixierung des Hitzeschildelementes 1 an einer Tragstruktur 50 ist in Figur 2 in einer geschnittenen Seitenansicht des Hitzeschildelementes sowie der Tragstruktur dargestellt. Statt der Keramikschraube 17 kann alternativ auch eine Metallschraube Verwendung finden, die vorzugsweise aus hochtemperaturfestem Material hergestellt ist und die zudem ggf. mit einer wärmedämmenden Beschichtung versehen sein kann.The ceramic sleeve 13 surrounds an opening 15 extending through ceramic bodies 3 from the hot side 5 to the cold side 7, which opening is designed to receive a ceramic screw 17 which fixes the heat shield element 1 to a support structure 50 and serves as a fixing element. The fixation of the heat shield element 1 on a support structure 50 is shown in FIG. 2 in a sectional side view of the heat shield element and the support structure. Instead of the ceramic screw 17 may alternatively find a metal screw use, which is preferably made of high temperature resistant material and may also be optionally provided with a heat-insulating coating.

Die Keramikschraube 17 ist durch die Öffnung 15 der keramischen Hülse 13 geführt und in eine Gewindebohrung 52 der Tragstruktur eingeschraubt. Alternativ ist es auch möglich, die Tragstruktur mit einer sich durch die gesamte Tragstruktur zu erstreckenden Bohrung zu versehen und die Keramikschraube 17 mit einer Länge auszustatten, die es ihr ermöglicht, sich durch die Öffnung 15 und die Gewindebohrung soweit zu erstrecken, dass jenseits der Bohrungen eine Mutter auf sie aufgeschraubt werden kann. Schließlich ist es auch möglich, einen an der Tragstruktur befestigten Gewindestift vorzusehen, der sich durch die Öffnung 15 eines an der Tragstruktur angeordneten Hitzeschildelementes 1 erstrecken kann, so dass vom Brennkammerinneren aus eine Mutter auf den Gewindestift aufschraubbar ist.The ceramic screw 17 is guided through the opening 15 of the ceramic sleeve 13 and screwed into a threaded bore 52 of the support structure. Alternatively, it is also possible to provide the support structure with a bore extending through the entire support structure and to provide the ceramic screw 17 with a length which allows it to extend through the opening 15 and the threaded bore to such an extent that beyond the bores a mother can be screwed on her. Finally, it is also possible to provide a threaded pin fastened to the supporting structure, which can extend through the opening 15 of a heat shield element 1 arranged on the supporting structure, so that a nut can be screwed onto the threaded pin from the combustion chamber interior.

Zwischen dem Keramikkörper 3 und der Tragstruktur 50 ist ein Tellerfederpaket 54 angeordnet über das das Hitzeschildelement 1 mit der Tragstruktur 50 mittelbar in Kontakt steht.Between the ceramic body 3 and the support structure 50, a plate spring package 54 is arranged, via which the heat shield element 1 is indirectly in contact with the support structure 50.

Beim Verschrauben des Hitzeschildelementes mittels der Keramikschraube 17, werden die Tellerfedern des Tellerfederpaketes 54 ein wenig zusammengedrückt, so dass das Hitzeschildelement 1 in Richtung auf die Tragstruktur 50 sicher fixiert ist. Hiermit wird zunächst die Elastizität der Schraubverbindung mit der materialtypisch vergleichsweise steifen Schaubverbindung erhöht. Wenn nun bei einem Heißgasangriff an der Heißseite 50 des Hitzeschildelementes eine Wärmeausdehnung des Keramikkörpers 3 und der Keramikhülse 13 stattfindet, so können die Tellerfedern des Tellerfederpaketes 54 weiter zusammengedrückt werden. Sie setzen daher der thermischen Ausdehnung des keramischen Hitzeschildelementes 1 und der Keramikhülse 13 nur einen relativ geringen Widerstand entgegen. Zudem kann das Tellerfederpaket 54 als Abstandshalter zwischen dem keramischen Hitzeschildelement 1 und der Tragstruktur 50 dienen, welches gewährleistet, dass zwischen diesen genügend Platz für das Strömen von Kühlluft verbleibt.When screwing the heat shield element by means of the ceramic screw 17, the plate springs of the disc spring assembly 54 are slightly compressed, so that the heat shield element 1 is securely fixed in the direction of the support structure 50. This first increases the elasticity of the screw connection with the material-typically comparatively stiff Schaub connection. Now, if a thermal expansion of the ceramic body 3 and the ceramic sleeve 13 takes place in a hot gas attack on the hot side 50 of the heat shield element, the plate springs of the plate spring package 54 can be further compressed. They therefore oppose the thermal expansion of the ceramic heat shield element 1 and the ceramic sleeve 13 only a relatively low resistance. In addition, the plate spring package 54 can serve as a spacer between the ceramic heat shield element 1 and the support structure 50, which ensures that there is sufficient space between them for the flow of cooling air.

Die Kühlluft wird über in der Tragstruktur 50 angeordnete Kühlluftkanäle 56 zugeleitet und über Kühlluftöffnungen 58 in Richtung auf die Kaltseite 7 des Hitzeschildelementes 1 ausgeblasen. Die ausgeblasene Kühlluft strömt an der Kaltseite des Hitzeschildelementes 1 entlang in Richtung auf zwischen den Hitzeschildelementen vorhandene Dehnspalte 60. Dabei findet eine konvektive Kühlung der umströmten Hitzeschildelemente statt. Schließlich tritt die Kühlluft durch die Dehnspalte 60 in das Innere der Brennkammer aus und sperrt so die Dehnspalte 60 gegen den Eintritt von Heißgas aus der Brennkammer.The cooling air is supplied via arranged in the support structure 50 cooling air channels 56 and blown through cooling air openings 58 in the direction of the cold side 7 of the heat shield element 1. The blown-out cooling air flows along the cold side of the heat shield element 1 in the direction of expansion gaps 60 present between the heat shield elements. A convective cooling of the heat shield elements flows around. Finally, the cooling air passes through the expansion gaps 60 into the interior of the combustion chamber and thus blocks the expansion gaps 60 against the entry of hot gas from the combustion chamber.

Die erfindungsgemäßen Hitzeschildelemente können insbesondere dazu Verwendung finden, einen flächendeckenden Hitzeschild für einen Hochtemperaturgasreaktor wie etwa eine Gasturbinenbrennkammer aufzubauen. Dazu werden eine Anzahl keramischer Hitzeschildelemente 1 flächendeckend an der Tragstruktur der Brennkammer fixiert, wie dies in Figur 3 dargestellt ist. Zwischen benachbarten Hitzeschildelementen 1 werden dabei Dehnspalte 60 belassen, um eine thermische Ausdehnung der Hitzeschildelemente 1 parallel zur Tragstruktur ohne Behinderung zu ermöglichen.The heat shield elements according to the invention can be used, in particular, to construct a surface-covering heat shield for a high-temperature gas reactor, such as a gas turbine combustion chamber. For this purpose, a number of ceramic heat shield elements 1 are fixed over the entire surface of the support structure of the combustion chamber, as shown in Figure 3. Between adjacent heat shield elements 1 are doing Dehnspalte 60 left to allow thermal expansion of the heat shield elements 1 parallel to the support structure without obstruction.

Der Ausbau eines erfindungsgemäßen keramischen Hitzeschildelementes 1 aus einem Hitzeschild kann in einfacher Weise derart erfolgen, dass die Keramikschraube 17 vom Brennkammerinneren aus gelöst wird und das Hitzeschildelement 1 anschließend entfernt wird. Der Einbau des Hitzeschildelementes 1 kann in analoger Weise durch Einsetzen des Hitzeschildelementes und anschließendes Verschrauben mit der Tragstruktur erfolgen.The removal of a ceramic heat shield element 1 according to the invention from a heat shield can be carried out in a simple manner such that the ceramic screw 17 is released from the combustion chamber interior and the heat shield element 1 is subsequently removed. The installation of the heat shield element 1 can be done in an analogous manner by inserting the heat shield element and then screwing to the support structure.

Eine alternative Ausgestaltung des Hitzeschildelementes ist in Fig. 4 dargestellt. Die Figur zeigt einen Ausschnitt aus der Wand einer Gasturbinenbrennkammer mit einer Tragstruktur 50 und einem daran befestigten Hitzeschild, welcher aus einer Anzahl erfindungsgemäßer Hitzeschildelemente 100 aufgebaut ist. Der Übersichtlichkeit halber sind die Schrauben, welche die Hitzeschildelemente an der Tragstruktur 50 fixieren sowie die zugehörigen Gewinde in der Tragstruktur 50 nicht dargestellt.An alternative embodiment of the heat shield element is shown in Fig. 4. The figure shows a section of the wall of a gas turbine combustor with a support structure 50 and a heat shield attached thereto, which is constructed from a number of inventive heat shield elements 100. For the sake of clarity, the screws which fix the heat shield elements to the support structure 50 and the associated threads in the support structure 50 are not shown.

Die keramischen Hitzeschildelemente 100 weisen einen Keramikkörper 103 mit einer in seinem zentralen Bereich 111 angeordneten keramischen Hülse 113 auf. Die Umfangsseiten 90, 91 des Keramikkörpers 103 sind derart gestuft ausgebildet, dass einander gegenüber liegende Umfangsseiten 90, 91 komplementär zueinander sind. Auf diese Weis entsteht im Hitzeschild im Bereich der Spalte zwischen zwei aneinander angrenzenden Hitzeschildelementen 100 ein Überlapp, der zu einem verringerten Sperrluftbedarf führt.The ceramic heat shield elements 100 have a ceramic body 103 with a ceramic sleeve 113 arranged in its central region 111. The peripheral sides 90, 91 of the ceramic body 103 are formed in such a stepped manner that mutually opposite circumferential sides 90, 91 are complementary to each other. In this way, an overlap occurs in the heat shield in the region of the gap between two adjacent heat shield elements 100, which leads to a reduced need for blocking air.

Zudem weisen die keramischen Hitzeschildelemente 100 an ihrer Kaltseite jeweils einen die Keramikhülse 113 umgebenden Vorsprung 112 auf. Die Unterseite 114 des Vorsprungs 112 bildet eine Auflage, mit dem das keramische Hitzeschildelement 100 auf der Tragstruktur 50 aufliegt. Da die das Hitzeschildelement 100 an der Tragstruktur 50 fixierende Kraft zentral über den Vorsprung 112 und die Auflage 114 auf die Tragstruktur übertragen wird, lassen sich Biegungen im keramischen Hitzeschildelement 100 zuverlässig vermeiden.In addition, the ceramic heat shield elements 100 each have on their cold side a projection 112 surrounding the ceramic sleeve 113. The underside 114 of the projection 112 forms a support with which the ceramic heat shield element 100 rests on the support structure 50. Since the force fixing the heat shield element 100 to the support structure 50 is transmitted centrally to the support structure via the projection 112 and the support 114, bends in the ceramic heat shield element 100 can be reliably avoided.

Claims (20)

Keramisches Hitzeschildelement (1, 100) zum Aufbau eines Hitzschildes an einer Tragstruktur (50) eines heißgasführenden Hochtemperaturgasreaktors, insbesondere einer Gasturbinenbrennkammer, welches einen Keramikkörper (3, 103) mit einer dem Heißgas zuzuwendenden Heißseite (5, 105) und einer der Tragstruktur (50) zuzuwendenden Kaltseite (7, 107) sowie einen im Keramikkörper (103) vorhandenen Fixierabschnitt (13, 113) aufweist, dadurch gekennzeichnet , dass der Fixierabschnitt (13, 113) in einem zentralen Bereich (11, 111) des Keramikkörpers (3, 103) wenigstens in dessen Kaltseite (7, 107) angeordnet ist.A ceramic heat shield element (1, 100) for constructing a heat shield on a support structure (50) of a hot gas-carrying high-temperature gas reactor, in particular a gas turbine combustion chamber, which has a ceramic body (3, 103) with a hot side (5, 105) facing the hot gas and one of the support structure (50 ) facing cold side (7, 107) and in the ceramic body (103) existing fixing section (13, 113), characterized in that the fixing section (13, 113) in a central region (11, 111) of the ceramic body (3, 103 ) is arranged at least in its cold side (7, 107). Keramisches Hitzeschildelement (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltseite (107) im Bereich des Fixierabschnittes (113) einen Vorsprung (112) mit einer Auflagefläche (114) zur Auflage des Hitzeschildelementes (100) auf der Tragstruktur (50) aufweist.Ceramic heat shield element (100) according to claim 1, characterized in that the cold side (107) in the region of the fixing section (113) has a projection (112) with a support surface (114) for supporting the heat shield element (100) on the support structure (50) , Keramisches Hitzeschildelement (1, 100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fixierabschnitt (13, 113) eine sich von der Kaltseite (7, 107) zur Heißseite (5, 105) durch den Keramikkörper (3, 103) erstreckende Öffnung (15, 115) aufweist.A ceramic heat shield element (1, 100) according to claim 1 or 2, characterized in that the fixing section (13, 113) extends from the cold side (7, 107) to the hot side (5, 105) through the ceramic body (3, 103) Opening (15, 115). Keramisches Hitzeschildelement (1, 100) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Fixierabschnitt ein keramischer Einsatz (13, 113) mit dem Keramikkörper (3, 103) materialschlüssig verbunden ist und der keramische Einsatz (13, 113) eine höhere Festigkeit aufweist als das Keramikmaterial des Keramikkörpers (3, 103).Ceramic heat shield element (1, 100) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that in the fixing a ceramic insert (13, 113) with the ceramic body (3, 103) is materially connected and the ceramic insert (13, 113) a has higher strength than the ceramic material of the ceramic body (3, 103). Keramisches Hitzeschildelement (1, 100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Einsatz als keramische Hülse (13, 113) ausgestaltet ist.Ceramic heat shield element (1, 100) according to claim 4, characterized in that the ceramic insert as a ceramic sleeve (13, 113) is configured. Keramisches Hitzeschildelement (1, 100) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Einsatz (13, 113) sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 1000°C eine Festigkeit von mindestens 100 MPa aufweist.Ceramic heat shield element (1, 100) according to claim 4 or 5, characterized in that the ceramic insert (13, 113) both at room temperature and at 1000 ° C has a strength of at least 100 MPa. Keramisches Hitzeschildelement (1, 100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Einsatz (13, 113) eine Druckfestigkeit von mindestens 150 MPa aufweist.Ceramic heat shield element (1, 100) according to one of claims 4 to 6, characterized in that the ceramic insert (13, 113) has a compressive strength of at least 150 MPa. Keramisches Hitzeschildelement (1, 100) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Einsatz (13, 113) aus einem Keramikmaterial besteht, das mindestens 80 Gew.-% Al2O3 und höchstens 20 Gew.-% SiO2 umfasst und das eine Porosität von höchstens 5% aufweist.Ceramic heat shield element (1, 100) according to one of Claims 4 to 7, characterized in that the ceramic insert (13, 113) consists of a ceramic material which comprises at least 80% by weight Al 2 O 3 and at most 20% by weight. SiO 2 and having a porosity of at most 5%. Keramisches Hitzeschildelement (1, 100) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er keramische Einsatz (13, 113) aus einem Keramikmaterial besteht, das Zirkoniumoxid und/oder Siliziumcarbid und/oder Spinell umfasst.Ceramic heat shield element (1, 100) according to one of claims 4 to 7, characterized in that it consists of ceramic material (13, 113) of a ceramic material comprising zirconium oxide and / or silicon carbide and / or spinel. Keramisches Hitzeschildelement (1, 100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper (3, 103) ein Gusskörper ist.Ceramic heat shield element (1, 100) according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic body (3, 103) is a cast body. Keramisches Hitzeschildelement (1, 100) nach einem der Ansprüche 4 bis 9 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Einsatz (13, 113) in den Keramikkörper (3, 103) eingegossen ist.Ceramic heat shield element (1, 100) according to one of claims 4 to 9 and claim 10, characterized in that the ceramic insert (13, 113) in the ceramic body (3, 103) is cast. Keramisches Hitzeschildelement (100) nach einem der Ansprüche, gekennzeichnet durch Umfangsseiten (90, 91), die zueinander komplementäre Stufungen aufweisen.Ceramic heat shield element (100) according to one of the claims, characterized by peripheral sides (90, 91) which have mutually complementary steps. Hochtemperaturgasreaktor mit einer Tragstruktur (50) und einem aus einer Anzahl von Hitzeschildelementen (1, 100) nach einem der vorangehenden Ansprüche aufgebauten Hitzeschild, wobei die Hitzeschildelemente (1, 100) jeweils mittels eines mit dem Fixierabschnitt (13, 113) zusammenwirkenden Fixierelementes (17) an der Tragstruktur (50) fixiert sind.A high temperature gas reactor having a support structure (50) and a heat shield constructed of a number of heat shield elements (1, 100) according to any one of the preceding claims, wherein the heat shield elements (1, 100) are each fixed to the support structure (50) by means of a fixing element (17) cooperating with the fixing section (13, 113). Hochtemperaturgasreaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hitzeschildelemente (1, 100) nur im Fixierabschnitt (13, 113) mit der Tragstruktur (50) in Kontakt stehen und die Form der Keramikkörper (3, 103) der Hitzeschildelemente (1, 100) derart an die Tragstruktur (50) angepasst ist, dass sowohl im stationären Betrieb des Hochtemperaturgasreaktors als auch im transienten Betrieb des Hochtemperaturgasreaktors ein Spalt zwischen den die Kaltseite (7, 107) des Keramikkörpers (3, 103) begrenzenden Kanten und Ecken und der Tragstruktur (50) verbleibt.High-temperature gas reactor according to claim 13, characterized in that the heat shield elements (1, 100) are in contact only with the support structure (50) in the fixing section (13, 113) and the shape of the ceramic bodies (3, 103) of the heat shield elements (1, 100) is adapted to the support structure (50) such that both in the stationary operation of the high-temperature gas reactor and in the transient operation of the high temperature gas reactor, a gap between the cold side (7, 107) of the ceramic body (3, 103) limiting edges and corners and the support structure ( 50) remains. Hochtemperaturgasreaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hitzeschildelemente (1) mittels der Fixierelemente (17) unter Zwischenschaltung von Tellerfederpaketen (54) an der Tragstruktur (50) fixiert sind.High-temperature gas reactor according to claim 14, characterized in that the heat shield elements (1) by means of the fixing elements (17) with the interposition of disc spring assemblies (54) are fixed to the support structure (50). Hochtemperaturgasreaktor nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierelemente (17) metallische oder keramische Fixierelemente sind.High-temperature gas reactor according to one of claims 13 to 15, characterized in that the fixing elements (17) are metallic or ceramic fixing elements. Hochtemperaturgasreaktor nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hitzeschildelemente (1, 100) durch Formschluss gegen ein Verdrehen gegenüber der Tragstruktur gesichert sind.High-temperature gas reactor according to one of claims 13 to 16, characterized in that the heat shield elements (1, 100) are secured by positive engagement against rotation relative to the support structure. Hochtemperaturgasreaktor nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Hitzeschildelemente (1, 100) unter Belassung von Spalten (60, 160) zwischen benachbarten Hitzeschildelementen (1, 100) flächendeckend an der Tragstruktur (50) angeordnet sind.High-temperature gas reactor according to one of claims 13 to 17, characterized in that the heat shield elements (1, 100), leaving gaps (60, 160) between adjacent heat shield elements (1, 100) are arranged on the support structure (50). Hochtemperaturgasreaktor nach einem der Ansprüche 13 bis 18, gekennzeichnet durch seine Ausgestaltung als Gasturbinenbrennkammer.High-temperature gas reactor according to one of claims 13 to 18, characterized by its design as a gas turbine combustion chamber. Hochtemperaturgasreaktor nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Hitzeschildelemente (100) einen Überlapp aufweisen.High-temperature gas reactor according to one of claims 13 to 19, characterized in that adjacent heat shield elements (100) have an overlap.
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