CN1452711A - 用于衬砌燃烧室壁的隔热块、燃烧室以及燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隔热块(1，1A，1B)，尤其是用于衬砌燃烧室壁的隔热块，它具有暴露在热介质中的一受热侧(5)，位于该受热侧(5)对面的一壁侧(7)和邻接该受热侧(5)和壁侧(7)的一环周侧(69)，将阻尼部件(3，3A，3B)安设在环周侧上并有效地防止有断裂碎块(81，81A)从断裂的隔热块(1，1A，1B)上脱落。此外本发明还涉及一种具有燃烧室内衬的燃烧室以及一种具有这种燃烧室的燃气轮机，该燃烧室内衬由隔热块(1，1A，1B)衬砌而成。

Description

用于衬砌燃烧室壁的隔热块、燃烧室以及燃气轮机

本发明涉及一种隔热块，尤其是用于衬砌燃烧室壁的隔热块，它具有暴露在热介质中的一受热侧、位于受热侧对面的一壁侧和邻接该受热侧和壁侧的一环周侧。此外本发明还涉及一种具有由此衬砌而成的燃烧室壁的燃烧室以及一种具有这种燃烧室的燃气轮机。

已知燃烧腔室、例如燃烧炉、燃气通道或燃气轮机的燃烧室，在燃烧腔室里产生和/或导引一种热介质。为了免受高热负荷，位于热和/或热力学强负荷下的燃烧腔室配有相应的内衬砌物。燃烧腔室的衬砌物一般由耐热材料制成并防止燃烧腔室壁直接与热介质、例如热燃气接触并保护燃烧腔室壁免受由于热燃气引起的剧烈热负荷。此外燃气还可能具有氧化和/或腐蚀成份，它们在直接加载的情况下可能对燃烧室壁产生不利影响。因此存在显著的兴趣要致力于研究和改进燃烧室的内衬砌物。

由美国专利US-PS4 840 131已知将陶瓷内衬部件固定在一燃烧炉的内壁上。其中设有一固定在该内壁上的导轨系统，它具有大量的陶瓷导轨部件。这些内衬部件可以通过该导轨系统固定在壁上。在一个内衬部件与燃烧炉壁之间可以配有其它的陶瓷衬层，此外可能还有一个由松散的局部被压挤的陶瓷纤维制成的衬层，在此，这种衬层具有与陶瓷内衬部件一样或更厚的厚度。所述内衬部件具有一个矩形的带有平整表面的几何形状。所述内衬部件由一种隔热的耐火的陶瓷纤维材料制成。

在美国专利US-PS4 835 831中同样涉及到将耐火衬砌物装配到燃烧炉的壁上。耐火衬砌物尤其设置在垂直壁上。在燃烧炉的金属壁上涂覆由玻璃、陶瓷或矿物纤维制成的衬层。这种衬层通过金属的夹紧体或通过粘接剂固定在壁上。在这个衬层上衬覆具有蜂窝状筛网的线材筛网。筛网同样防止陶瓷纤维衬层脱落下来。在如此固定的衬层上通过适当的喷洒工艺涂覆上由耐火材料制成的均匀闭合表面。通过上述方法进一步防止，在喷洒期间所出现的耐火颗粒回落，就如同直接将耐火颗粒喷洒到金属壁上所发生的那样。

在EP0 419 487 B1中给出对于高热负荷燃烧室进行衬砌的另一种方法。衬砌物由隔热部件构成，它被机械地固定在燃烧室的金属壁上。隔热部件直接接触金属壁。为了防止壁例如由于隔热部件的直接热传导或者通过由相互邻接隔热部件构成的缝隙使热介质进入而被剧烈地加热，对由燃烧室壁和隔热部件构成的空间施加冷却空气，即所谓的阻隔空气。阻隔空气阻止热介质进入壁同时冷却壁和隔热部件。

由EP0 724 116 A2已知用于高热负荷燃烧室、例如燃气轮机燃烧室的陶瓷衬砌物。衬砌物由耐高温的结构陶瓷、例如碳化硅(SiC)或氮化硅(Si₃N₄)制成的壁部件所组成。壁部件机械地通过中心固定螺栓弹性地固定在燃烧室的一个金属支承结构(壁)上。在壁部件与燃烧室壁之间具有一厚的隔热层，使得壁部件与燃烧室壁相应地间隔一定距离。在比例上三倍于壁部件厚度的隔热层由陶瓷纤维材料制成，它被预制成方块。壁部件的尺寸和外形和有待衬砌的空腔的几何形状相适配。

在WO99/47874中描述了一种用于燃烧室以及燃气轮机燃烧室的壁段。其中给出了一种受热流体加载的燃烧室壁段，它具有一金属支承结构和固定在该金属支承结构上的一个隔热部件。在金属支承结构与隔热部件之间插入可变形的隔离层，它能够承受并补偿隔热部件与支承结构之间的可能的相对运动。在燃气轮机的燃烧室、尤其是环形燃烧室中例如由于所用材料的不同热特性或者由于燃烧室中的脉动而引起这种相对运动，在发生热工作介质不均匀燃烧时或者由于谐振效应可能产生这种脉动。同时隔离层起到这种作用，使相对无弹性的隔热部件总体上更加平面地顶靠在隔离层和金属支承结构上，因为隔热部件至少部分地插进隔离层。隔离层也可以补偿由于受加工条件限制所产生的对于支承结构和/或隔热部件的不平整性，这种不平整性可能局部地导致不利的点受力。

本发明源自这种考虑，即，尤其是对于陶瓷隔热块，由于其与热膨胀有关的必需的弹性相对于机械负荷、如冲击或振动经常是不足够的而要对隔热块进行保护。因此本发明所要解决的技术问题是，提供一种改进的隔热块，它尤其对于上述要求能够达到更高的运行可靠性。本发明所要解决的另一技术问题是提供一种具有燃烧室内衬的燃烧室以及提供一种具有这种燃烧室的燃气轮机。

上述第一个技术问题按照本发明是通过这样一种隔热块，尤其是用于衬砌燃烧室壁的隔热块来解决的，该隔热块具有暴露在热介质中的一受热侧，位于该受热侧对面的一壁侧和邻接该受热侧和壁侧的一环周侧，按照本发明，在所述环周侧上安设一个阻尼部件。

由此，本发明提供了一种完全新型的方法，用于持久地保护处于由冲击或振动所产生的高加速状态下的隔热块。在此，本发明基于已有的这种常识，即，如同其通常用于衬砌燃烧室壁一样，燃烧室隔热块由于受燃烧室壁上不变的和/或瞬变的振动作用下会产生相应的振动。同时尤其在谐振情况下可能产生在一个临界加速度以上的高加速度，其中，隔热块从燃烧室壁上浮起接着又产生撞击。这样一种对实心燃烧室壁的撞击将对隔热块产生非常大的力并可能对这些隔热块产生严重损伤。这又将明显地降低隔热块的使用寿命。在最严重的情况下在这种撞击下可能使隔热块断裂，其中直接的危险在于，断裂块相互间松散开并落入燃烧室。接着燃烧室中较小的或者也可能是较大的断裂块可能会显著地损伤燃烧室中的部件。尤其是在将隔热块装入一个燃气轮机里面时，可能会由此显著损伤连接在一个燃烧室、例如一个燃气轮机的环形燃烧室之后的透平机。

通过本发明将明显减少断裂块从隔热块、尤其是陶瓷纤维材料上脱落下来的危险。所建议的装配在隔热块环周侧上的阻尼部件同时满足两个功能。一方面阻尼部件削弱可能产生的冲击负荷，这些冲击负荷可能由于在燃烧室中装入隔热块而产生。通过在环周侧安装阻尼部件尤其有效地削弱对环周侧的冲击或别的局部力载荷。当对燃烧室衬砌大量的覆盖燃烧室壁表面的相邻设置的隔热块时，隔热块相互间的相对运动可能导致这种对环周侧的冲击。因此通过阻尼部件就能预防性地减少隔热块断裂的危险并由此提高运行可靠性。

阻尼部件除了能实现这个目的以外，按照本发明的方案还附加地实现防止在隔热块应用在一个燃烧室中时由隔热块的断裂碎块所引起的损坏。即，当由于较大的冲击负荷使燃烧室砖块产生裂纹或材料裂穿的时候，阻尼部件同时起到作为燃烧室隔热块保护部件的作用。在这种情况下阻尼部件防止从一个可能断裂或已经断裂的隔热块上脱落出一个或多个断裂块。因此，本发明首次考虑到在可能发生冲击断裂的情况下对隔热块的被动保护性。

通过所建议的阻尼和保护部件能够保证更长时间地使用隔热块。隔热块通过阻尼部件具备在特殊事件情况下的应急运行特性，由此可以避免例如对于透平机叶片的后续损坏。这一点对于在一个燃烧室中应用隔热块具有特别明显的优点，因为即便在断裂之后也要继续保证隔热块的隔热功能，尤其是不会有断裂碎块进入燃烧室。由此在经济上产生附加的优点，使得在一般情况下无需对一个具有隔热块的燃烧室进行特殊的保养和/或维护。具有这种隔热块的燃烧室至少能够以通常的保养周期运行，但是由于提高了被动保护性可以达到延长使用寿命的目的。

在一个优选的实施方式中，扁平地安设阻尼部件。由此使环周侧与阻尼部件处于面状接触连接。这种阻尼和保护部件之间的面状接触连接对在冲击断裂或以其它方式引起的材料裂纹或材料断裂之后可能产生的隔热块断裂块脱落提供了更好的安全性。通过平面状地安设阻尼部件，隔热块在环周侧上的一个至少局部表面区域内实现了平面覆盖式的保护。从受热侧延伸到壁侧并将隔热块分成至少两个碎块并在最严重的情况下扩展到环周侧的材料断裂通过环周侧上的阻尼部件被搭接。通过这种断裂搭接使断裂碎块在实际上不能相互松散开，或者至少是非常难以松散开。阻尼和保护部件负责将可能出现的断裂块基本上束拢在一起，因此隔热块能够继续满足其功能。

通过阻尼部件在环周侧上的布置和结构能够有针对性地保护那些要出现裂纹或材料断裂的区域。通过面状地安设阻尼部件相应保护大的环周侧区域，由此搭接可能出现的材料裂纹或断裂并由此例如在隔热块应用在一个燃气轮机燃烧室时使继续运行不存在迫在眉睫的危险。

阻尼部件最好由编织物、尤其是编织垫制成。为此使用具有足够高的阻尼特性(阻尼常数)以及高温耐热性的编织物或者编织垫，就如同将它们例如用于一个燃烧室中所期望的那样。此外使用编织垫具有优点，即可以将编织垫切割成所需要的尺寸并可以良好地装配到环周侧的隔热块上。当编织垫例如通过平面安设与隔热块紧密接触时，应该这样选择编织垫的材料，使得在编织垫材料与隔热块之间排除所不期望的化学反应。阻尼和保护部件也可以由针织物、编织层或海绵体制成。阻尼部件也可以局部由这些不同结构的物质组合而成，只要这样做有意义。

比较有利地是用编织物、尤其是编织垫来构成阻尼和保护部件，这样可比较容易地在环周侧上实现平面状地安设阻尼部件，并使之良好地适配于隔热块的几何形状。由这种编织结构可得到一个特殊的优点，因为由此能够实现对于裂纹搭接有突出的保护和支撑作用。

阻尼部件优选由一种陶瓷材料、尤其是一种陶瓷纤维材料制成。该陶瓷材料耐高温并且耐氧化或防腐蚀并因此特别适合于应用在燃烧室里面。此外，由一种陶瓷材料、尤其是陶瓷纤维材料制成的编织垫可以在市场上购得。

陶瓷垫、尤其是陶瓷编织垫例如由适用于高达1200℃的陶瓷纤维制成。这种纤维的化学成分例如包含重量百分比为62％的Al₂O₃、重量百分比为24％的SiO₂和重量百分比为14％的B₂O₃。同时这种纤维由许多单根纤维丝组成，其中各单根纤维丝的直径为10至12μm。最大的晶体尺寸一般为约500nm。由这种陶瓷纤维材料能够以简单的方法加工出所需尺寸和厚度的编织物、针织物或编织层。也可以加工出多层陶瓷阻尼垫作为隔热块的阻尼和保护部件。在此可以将数层编织物相互缝制成一个阻尼部件。这种陶瓷编织垫的高断裂强度和耐温强度保证隔热块有高度的运行可靠性和应急运行特性。

此外优选通过粘接、尤其是借助一种硅酸盐基粘接剂来实现阻尼部件的安设。但是阻尼部件也可以通过夹子或螺栓安设在环周侧上。所述阻尼部件也可以至少部分安设到隔热块的基础材料中，例如通过铸入或压入。在将阻尼插入层与基础材料粘接时不仅可以使用常规的粘接剂也可以使用耐高温的粘接剂。如上所述，也可以使用硅酸盐基粘接剂，它具有突出的粘接特性和高的耐热性，这对于应用于燃气轮机燃烧室中是特别有利的。

在连接时采用陶瓷或金属垫、尤其是陶瓷编织垫被证实是特别有利的，因为这种编织垫由于其编织结构而具有一定的透气性(多孔性)，这对于阻尼和保护部件与隔热块基础材料的可靠连接是必需的。在此隔热块的基础材料例如是陶瓷材料、尤其是耐火陶瓷。

在另一优选实施方式中，环周侧具有一端侧和相对于端侧折弯的一固定侧，其中阻尼部件设置在该端侧上。根据不同的几何形状和使用状况(这可能会在隔热块用于一个燃烧室、例如一个燃气轮机燃烧室时出现)，可比较有利地采用不同区域的环周侧，即端侧和固定侧。由于端侧相对于固定侧折弯一个与隔热块几何形状有关的折弯角度，端侧和固定侧一般在环周侧的不同区域上。因此阻尼部件优选设置于端侧上。但是阻尼部件也可以根据需要和负荷情况至少部分地安设在固定侧上。这在这种情况下是可能的，即将阻尼部件装配在固定侧上不妨碍无障碍地固定隔热块。比较有利的是根据负荷情况并根据安装几何尺寸可以将阻尼部件安装在端侧也可以选择附加地安装在固定侧上。

在此隔热块例如可以是六面几何体，尤其是具有正方形的底面，其中六面体的环周侧根据几何形状分成四个分表面。两个对面设置的分表面构成六面体的端侧，而转过90度相邻的另外两个六面体表面例如构成固定侧。所以对于隔热块也可以规定多个端侧或多个固定侧。一般棱柱形的隔热块可以具有多角形的底面。此外也可以设想该隔热块的受热侧或壁侧为弯曲的表面。在此优选在隔热块的环周侧上安设多个阻尼部件。

所述固定侧优选具有一个槽，尤其是一个用于容纳固定部件的槽。在将隔热块用于燃烧室、例如燃气轮机燃烧室时需要以适当的方法将隔热块固定在燃烧室壁上。燃烧室砖块上的槽(也称为隔热块槽)可以实现这一点。借助一个固定部件、例如夹钳、卡钩或螺栓可以将隔热块固定在燃烧室壁上。此时固定部件啮合到该槽内。在此比较有利的是该隔热块的固定是可拆卸的，其中也可以实现对于隔热块的弹性固定。这对于隔热块阻尼特性起到有利的作用，并预防隔热块受冲击有发生断裂的危险。

上述针对燃烧室提出的技术问题按照本发明通过一种具有燃烧室内衬的燃烧室来解决，该燃烧室内衬由具有上述结构的隔热块衬砌而成。

上述针对燃气轮机提出的技术问题按照本发明则通过一种具有这样一种燃烧室的燃气轮机来解决。

这样一种燃气轮机和燃烧室的优点与上述隔热块的优点相应。

下面借助于附图所示实施方式详细描述本发明，附图中：

图1以立体图示出具有阻尼部件的一块隔热块；

图2示出一个其上固定有隔热块的支承结构。

在图1中以立体图示出一块隔热块1。该隔热块1为正方形，尤其是具有一个正方形的底面。隔热块1具有受热侧5和位于受热侧5对面的壁侧7。当装入隔热块1时，例如安装在燃气轮机燃烧室里面时受热侧5被一种热介质、例如热燃气加载。受热侧5和壁侧7之间是环周侧69。在此正方形隔热块1的四个侧表面构成环周侧。环周侧69具有端侧71，71A以及相对于端侧71，71A折弯的固定侧73。固定侧73上具有一槽39，尤其是一隔热块槽，用于容纳一个没有详细示出的固定部件(参见图2和与此有关的叙述)。槽39基本平行于由受热侧5和壁侧7所确定的平面延伸。在环周侧69上安设有一阻尼部件3和另一阻尼部件3A。阻尼部件3，3A由一块编织垫13构成，它具有陶瓷材料15，尤其是陶瓷纤维材料。阻尼部件3，3A分别通过粘接剂67粘接到环周侧69上。由此实现编织垫13与隔热块1的基础材料19、例如一种耐火陶瓷的可靠连接。

除了粘接也可以考虑其它固定方法将阻尼部件3，3A固定在环周侧69上。例如阻尼部件3，3A可以通过螺栓连接、夹紧或类似方法来安设，其中比较有利的是这种与环周侧69的连接不仅紧固可靠而且可拆卸。阻尼部件3，3A这样来布置，即，使阻尼部件3装配在端侧71上而阻尼部件3A装配在位于其对面的端侧71A上。在此端侧71，71A是平面，并尤其与各阻尼部件3，3A完全平面接触。因此实现隔热块相对于冲击和由于冲击和/或受热而形成的裂纹或材料断裂的有效保护，尤其是端侧保护。由此，除了能削弱对端侧71，71A的振动和/或冲击之外，还达到了提高被动安全性以及紧急运行特性(Notlaufeigenschaften)的目的。从受热侧5穿过隔热块1延伸到壁侧7并可能传播到端侧71，71A的裂纹通过阻尼部件3，3A被可靠地搭接。

图2示出一个支承结构23，其中在支承结构23上固定有一隔热块1A以及另一隔热块1B。为了进行固定，支承结构23具有平行于一纵轴77延伸的固定槽37。固定槽37例如由在支承结构23上铣出来的长槽构成。隔热块1A，1B沿着纵轴77相互邻接地分别通过固定部件25固定在支承结构23上。为了进行固定，固定部件25卡进隔热块1A，1B的槽39、尤其是隔热块槽里面。隔热块1A，1B以这种方式布置，使固定表面69的槽39平行于横轴79延伸，其中横轴基本垂直于纵轴77。具有阻尼部件3，3A，3B的端面67，67A基本平行于纵轴77延伸。隔热块1A具有一个断裂75，它沿着横轴79从端面67延伸到端面67对面的端面67A。断裂75通过端面67上的阻尼和保护部件3被搭接并通过端面67A上的阻尼和保护部件3A被搭接。通过阻尼部件3，3A与隔热块1A的固定连接对于断裂的搭接能够使断裂块81A，81B不会从支承结构23上散开。隔热块继续基本保持其功能和其隔热特性。因此非常有效地防止了出现断裂块81A，81B可能散落开的危险。

图2中所示的带有隔热块1A，1B的支承结构23例如可以用来作为燃烧室壁、例如燃气轮机燃烧室壁的内衬。在此燃烧室壁一般通过隔热块1A，1B平面覆盖地来砌衬。利用这样一种用上述结构的隔热块1，1A，1B来衬砌的燃烧室，可实现隔热块1A，1B在支承结构23上的阻尼的、特别是弹性的固定。由此使燃烧室内衬对于冲击和振动极不敏感。具有阻尼和保护部件3，3A，3B的隔热块1A，1B不仅对于在燃气轮机中例如高到1400℃的高温热介质的加载是稳定的，而且对于由于冲击和/或振动所产生的高机械能量载荷也是稳定的。通过阻尼部件3，3A，3B明显地提高一个燃烧室或具有这种燃烧室的燃气轮机的被动安全性。隔热块1A，1B具备在特殊事件情况下的紧急运行特性，由此可以可靠地避免例如对于一个燃气轮机的透平机部件的后续损伤。

Claims (9)

1.一种隔热块(1，1A，1B)，尤其是用于衬砌燃烧室壁的隔热块，它具有暴露在热介质中的一受热侧(5)，位于该受热侧(5)对面的一壁侧(7)和邻接该受热侧(5)和壁侧(7)的一环周侧(69)，其特征在于，在所述环周侧(69)上安设一个阻尼部件(3，3A，3B)。

2.如权利要求1所述的隔热块(1，1A，1B)，其特征在于，所述阻尼部件(3，3A，3B)是扁平的。

3.如权利要求1或2所述的隔热块(1，1A，1B)，其特征在于，所述阻尼部件(3，3A，3B)由编织物、尤其是编织垫构成。

4.如权利要求1，2或3所述的隔热块(1，1A，1B)，其特征在于，所述阻尼部件(3，3A，3B)由一种陶瓷材料(15)、尤其是由一种陶瓷纤维材料制成。

5.如上述权利要求中任一项所述的隔热块(1，1A，1B)，其特征在于，所述阻尼部件(3，3A，3B)通过粘接、尤其是一种硅酸盐基粘接剂来安设。

6.如上述权利要求中任一项所述的隔热块(1，1A，1B)，其特征在于，所述环周侧(69)具有一端侧(71，71A，71B)和相对于该端侧折弯的一固定侧(73，73A，73B)，其中，所述阻尼部件设置在端侧(71，71A，71B)上。

7.如权利要求6所述的隔热块(1，1A，1B)，其特征在于，所述固定侧(73，73A，73B)具有一个槽(39)，尤其是用于容纳一固定部件(25)的槽。

8.一种具有燃烧室内衬的燃烧室，该燃烧室内衬具有如上述任一项权利要求所述的隔热块(1，1A，1B)。

9.一种燃气轮机，其具有如权利要求8所述的燃烧室。

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