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Die
Erfindung betrifft eine Brennkammerauskleidung von Gasturbinen sowie
ein Verfahren zur Herstellung dieser Brennkammerauskleidung.
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Üblicherweise
werden Brennkammerauskleidungen von Gasturbinen entweder einschichtig
ausgeführt
oder es werden zwei verschiedene Schichten in direktem Kontakt aufeinander
vorgesehen, sodass in beiden Fällen
nur eine verhältnismäßig geringe Steifigkeit
erzielt werden kann und so relativ hohe Schichtdicken der einzelnen
Schichten erforderlich sind. Dadurch kommt es zum einen zu einem
unnötig hohen
Gewicht der Brennkammerauskleidung und zum anderen zu einer ineffizienten
Kühlung
derjenigen Schicht, die in direktem Kontakt mit dem Heißgas in
Brennkammern von Gasturbinen steht. Bekannte Brennkammerauskleidungen
sind auch oft mit Hilfe von Schindeln realisiert, die jedoch den
Druckunterschied zwischen Kühlluft
auf ihrer Rückseite
und der Heißgasseite
kompensieren müssen,
weshalb relativ hohe Wandstärken
für diese
Schindeln notwendig sind. Auch sind bereits freitragende Hitzeschutzschichten
(Liner) bekannt. Diese weisen jedoch typischerweise eine geringe
Steifigkeit und dementsprechend eine hohe Schwingungsanfälligkeit
auf.
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EP 1152191 A2 beschreibt
eine Brennkammer mit einer Auskleidung aus keramischen Matrixkompositmaterialien
(CMCs, Ceramic Matrix Composit Materials), wobei die Hitzeschutzschichten
vollflächig
mit weiteren Schichten in Kontakt sind und daher eine relativ geringe
Steifigkeit aufweisen. Aufgrund der freitragenden Montage dieser
Brennkammerauskleidungen sind diese deshalb besonders schwingungsanfällig.
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EP 0943867 B1 beschreibt
eine Brennkammerauskleidung mit einer dem Heißgas zugewandte Hitzeschutzschicht
als Hohlkammer. Diese Hohlkammern können zwar der Länge nach
mit Kühlluft
durchströmt
werden. Die Wände
der Hohlkammern sind jedoch nicht gasdurchlässig ausgestaltet, sodass die Kühlluft nicht
der Brennkammer zugeführt
werden kann.
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US 5,113,660 A beschreibt
eine Brennkammerauskleidung, bei der Hitzeschutzschindeln auf einer
Trägerschicht
montiert sind. Diese Schindeln liegen vollflächig auf der Trägerschicht
auf, sodass die Rückseite
der Schindeln nicht direkt mit Kühlluft
gekühlt
werden kann.
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Auch
DE 19730751 A1 beschreibt
eine Brennkammerauskleidung, bei der die Hitzeschutzschicht durch
keramische Bauteile realisiert ist, die wiederum direkt vollflächig auf
einer Trägerschicht aufliegen.
Auch hier kann die Rückseite
der Hitzeschutzschicht nicht direkt durch Kühlluft gekühlt werden.
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DE 4114768 A1 beschreibt
einen Hitzeschild aus einer Vielzahl von Steinen, die im Wesentlichen flächendeckend
vollflächig
auf einer Trägerschicht aufliegen.
Auch hier kann eine direkte Kühlung
der Rückseite
der Steine nicht stattfinden.
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DE 19502730 A1 beschreibt
eine keramische Auskleidung für
Brennräume,
bei der die dem Heißgas
zugewandte Schicht vollflächig
mit einer Trägerschicht
mit Hilfe von Schrauben oder Bolzen verbunden ist. Auch hier kann
eine direkte, rückseitige
Kühlung
der Hitzeschutzschicht nicht stattfinden.
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US 5,553,455 A beschreibt
eine Brennkammerauskleidung, bei der verschiedene Hitzeschutzschindeln
vollflächig
auf einer Trägerschicht
angeordnet werden. Auch hierbei kann die Rückseite der Schindeln nicht
direkt gekühlt
werden.
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US 2002/0184891 A1 beschreibt
eine einschichtige Hitzeschutzschicht, die verhältnismäßig dick ist, um durch eine
ausreichende Steifigkeit die Schwingungsanfälligkeit zu begrenzen.
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EP 1128131 A1 beschreibt
ein Hitzeschildelement in einer Brennkammer einer Gasturbine, bei der
das Hitzeschildelement als Schindel mit Befestigungselementen auf
einer Trägerschicht
befestigt ist. Da die Trägerschicht
nicht durchbrochen ist kann keine Kühlluft an die Rückseite
der Schindeln herangeführt
werden.
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US 5,291,731 A beschreibt
eine Brennkammerauskleidung von Gasturbinen, bei der eine Hitzeschutzschicht
von einer Trägerschicht
durch ein System von auf der Hitzeschutzschicht aufliegenden Nuten
und in die Trägerschicht
eingebrachten Zapfen getrennt ist. Durch ein solches Befestigungssystem wird
jedoch die laterale relative Bewegung der Hitzeschutzschicht zur
Trägerschicht
verhindert. Dadurch, dass in der beschriebenen Brennkammerauskleidung
die Trägerschicht
aus Metall vorgesehen ist, während
die Hitzeschutzschicht aus einem Keramikmaterial besteht und beide
Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten
haben, kann es in diesem System zu erheblichen mechanischen Belastungen
kommen. Darüber
hinaus ist die Hitzeschutzschicht nicht gasdurchlässig, weshalb
in diesem System kein Kühlluftfilm
auf der stark beanspruchten Innenseite der Hitzeschutzschicht ausgebildet
werden kann.
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J.
Kimmel, J. Price et al. Proceedings of ASME Turbo Expo 2003 Power
for Land, Sea and Air, GT 2003-38920, June 2003, beschreibt
anschaulich die Testmethoden für
Brennkammerauskleidungen. So müssen
Brennkammerauskleidungen für
Gasturbinen üblicherweise
mindestens eine Lebensdauer von 30000 Stunden aufweisen. Bedingungen,
die dabei auftreten können,
umfassen auch 1200°C
bei 10 atm Druck und 1,5 atm Dampfdruck von Wasserdampf.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, eine Brennkammerauskleidung
für Gasturbinen
zur Verfügung
zu stellen, die trotz möglichst
geringem Gewicht eine möglichst
große
Steifigkeit aufweisen soll, wobei die mechanisch und thermisch stark
beanspruchte Hitzeschutzschicht nach Möglichkeit sowohl von der Innen-
als auch von der Außenseite
gekühlt
werden kann.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform
gelöst
durch eine Brennkammerauskleidung von Gasturbinen mit einer der
Heißgasseite
zugewandten gasdurchlässigen
Hitzeschutzschicht (1) und einer von der Hitzeschutzschicht
(1) durch Abstandselemente (3) getrennte Trägerschicht
(2).
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Gegenüber dem
Stand der Technik ist es besonders vorteilhaft, in Brennkammerauskleidungen die
Hitzeschutzschicht (1) beabstandet von der Trägerschicht
(2) als Doppelschichtstruktur auszuführen, da durch die höhere Steifigkeit
dieser Struktur die Wandstärken
gering sein können,
was sowohl eine Gewichtsersparnis einbringt, als auch eine effektivere
Kühlung
der Brennkammerauskleidung bewirkt. Dadurch kann zusätzlich Kühlluft eingespart werden.
Durch die hohe Steifigkeit der Doppelschichtstruktur ist eine erfindungsgemäße Brennkammerauskleidung
weniger schwingungsanfällig als
eine einschichtige Brennkammerauskleidung. Die erfindungsgemäße doppelschichtige
Brennkammerauskleidung wird beispielsweise über eine Prall-Diffusionskühlung gekühlt, bei
der die Kühlluft zunächst durch
die gasdurchlässige
Trägerschicht (2)
auf die Rückwand
der Hitzeschutzschicht (1) strömen kann, diese dadurch kühlt und
anschließend durch
die gasdurchlässige
Hitzeschutzschicht (1) hindurch austreten und einen Kühlluftfilm
auf der dem Heißgas
zugewandten Seite der Hitzeschutzschicht (1) ausbilden
kann. Durch die doppelschichtige Bauweise lässt sich außerdem der Kühlluftmassestrom sehr
gut regulieren, was zu einer großen Freiheit bei der Gestaltung
der Gasdurchlässigkeit
der Hitzeschutzschicht (1) und der Trägerschicht (2) führt.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird auch ein lange gehegtes Vorurteil
beseitig. Noch in der
US 5,291,732
A wird es als besonders nachteilig angesehen, die Hitzeschutzschicht
(
1) gasdurchlässig
zu gestalten. So wird in der genannten Schrift in Spalte 1, Zeilen
1 bis 41 ausgeführt,
dass eine Einleitung von Kühlluft
in die Brennkammer unweigerlich zu einer erhöhten Stickoxidemmission führen würde. So
müsse nach
einer Lösung
gesucht werden, die Kühlluft
für die
Kühlung
der Rückseite
der Hitzeschutzschicht (
1) ohne Erhöhung der Stickoxidemmissionen
in den Gasstrom zurückzuführen (vgl.
Spalte 2, Zeilen 22 bis 35). Damit die Kühlluft nicht in den Verbrennungsraum
gelangt, werden dort kompliziert geformte Auslassvorrichtungen vorgesehen,
um die Kühlluft
zwischen Hitzeschutzschicht (
1) und Trägerschicht (
2) abfließen zu lassen.
Demgegenüber
wird in der vorliegenden Anmeldung die Stickoxidemmission durch Magerverbrennung
reduziert. Durch diese Magerverbrennung besteht jedoch ein höherer Kühlbedarf
der Hitzeschutzschicht (
1). Daher ist es in der vorliegenden
Erfindung erforderlich, dass diese Hitzeschutzschicht (
1)
gasdurchlässig
ausgestaltet ist, damit diese nicht nur auf ihrer Rückseite
gekühlt,
sondern sich auch auf der dem Heißgas zugewandten Innenseite der
Hitzeschutzschicht (
1) ein Kühlluftfilm ausbilden kann.
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Die
erfindungsgemäße Brennkammerauskleidung
kann sich vorteilhafterweise entweder einstückig über die gesamte auszukleidende
Innenfläche
des Verbrennungsraumes der Turbine erstrecken. Die erfindungsgemäße Brennkammerauskleidung
kann jedoch auch als System von Schindeln ausgebildet sein. Hierbei
ist es besonders bevorzugt, wenn diese Schindeln jeweils wenigstens
ein zwanzigstel der zu verkleidenden Innenfläche des Brennkammerraums bedecken.
Vorteilhafterweise erstreckt sich eine einzige Schindel über die
gesamte Länge
des Brennkammerraums. Es kann jedoch auch besonders vorteilhaft
sein, dass sich die Schindel über
den gesamten Kreisumfang der Brennkammerinnenseite erstreckt. Durch
die im Vergleich zum Stand der Technik großflächige Ausgestaltung der Brennkammerauskleidung
wird zum einen der Herstellungsprozess der Brennkammern selbst vereinfacht.
Zum anderen können
die Brennkammerauskleidung leichter abgedichtet und somit ungewollte Leckageströmungen der
Kühlluft
in den Brennraum verhindert werden Ferner kann das Heißgas an
weniger Stellen (beispielsweise an den Nähten) in den übrigen Turbinenraum
dringen und Schäden
anrichten.
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Der
Abstand der Hitzeschutzschicht (1) zur Trägerschicht
(2) beträgt
vorteilhafterweise 3 bis 30 mm, da in diesem Bereich die Zirkulation
der Kühlluft besonders
effizient ist und dennoch eine besonders hohe Steifigkeit und somit
eine geringe Schwingungsanfälligkeit
erzielt werden kann.
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Vorzugsweise
ist die Hitzeschutzschicht (1) und/oder die Trägerschicht
(2) mit Öffnungen
(4) durchbrochen. Dadurch kann besonders leicht eine kontrollierte
Gasdurchlässigkeit
bewirkt werden. Diese Öffnungen
(4) weisen besonders bevorzugt Durchmesser in einem Bereich
von 0,5 bis 3 mm auf. Dadurch kann ein genügend starker Luftstrom durch die
Trägerschicht
(2) hindurch erzeugt werden, mit dem die Hitzeschutzschicht
(1) gekühlt
wird. Des Weiteren kann durch diesen Bereich der Lochdurchmesser
die Luft besonders effizient durch die Hitzeschutzschicht (1)
in den Brennkammerinnenraum abgeführt werden, ohne dass Heißgas durch
die Hitzeschutzschicht (1) dringen könnte.
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Vorteilhafterweise
sind die Abstandselemente (3) so ausgeführt, dass sie nicht die Bewegungsfreiheit
der Hitzeschutzschicht (1) relativ zur Trägerschicht
(2) beeinträchtigt.
Daher sind die Abstandselemente (3) besonders bevorzugt
ausgewählt
aus der Gruppe Stege, Zapfen, Kegel, Rippen und Grate. Besonders
bevorzugt beträgt
der Abstand der Hitzeschutzschicht (1) von der Trägerschicht
(2) 3 bis 30 mm. Die Abstandselemente (3) befinden
sich vorzugsweise auf der Hitzeschutzschicht (1). Darüber hinaus
finden sich auf der jeweils anderen Schicht keine zu den Abstandselementen
(3) komplementären
Elemente wie Nute oder Aussparungen, um die Bewegungsfreiheit der
beiden Schichten relativ zu einander nicht zu beschränken.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn die Hitzeschutzschicht (1)
und/oder die Trägerschicht
(2) unabhängig
voneinander überwiegend
aus faserverstärkter
Keramik bestehen, insbesondere bei denen die Fasern und das Matrixmaterial
unabhängig
von einander aus Materialien bestehen, die ausgewählt sind
aus der Gruppe Aluminasilikate, Mullit, Al2O3, SiO2, SiC, SiBNC,
SiCN, C, Si3N4,
ZrO2 und Mischungen derselben. Besonders
bevorzugt besteht die Hitzeschutzschicht (1) aus demselben
Material wie die Trägerschicht
(2). Insbesondere sind die Fasern Nextel®-Fasern
der Firma 3M. Das Matrixmaterial ist besonders bevorzugt Mullit.
Bei sehr hohen Einsatztemperaturen > ca. 1200°C bestehen Hitzeschutzschicht,
Abstandselemente und Trägerschicht
besonders bevorzugt aus nichtoxidischen keramischen Fasern und Matrices,
wie beispielsweise SiBNC, SiC, SiCN.
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Vorteilhafterweise
weist die Hitzeschutzschicht (1) oder die Trägerschicht
(2) jeweils unabhängig
voneinander eine Dicke im Bereich von 1 bis 30 mm, insbesondere
im Bereich von 1 bis 6 mm auf Durch diese im Vergleich zu den bekannten
Brennkammerauskleidungen geringen Schichtdicken, kann die Hitzeschutzschicht
(1) besonders effizient gekühlt werden.
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Die Öffnungen
(4) weisen vorteilhafterweise einen Mindestabstand untereinander
in einem Gereicht von 2 bis 20 mm und/oder einen Höchstabstand
untereinander in einem Bereich von 40 bis 100 mm zueinander auf.
Dadurch kann eine besonders hohe mechanische Integrität der Brennkammerauskleidung
bei gleichzeitig besonders gleichmäßiger Kühlwirkung erzielt werden.
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Das
Verhältnis
der Kontaktfläche
der Abstandselemente (3) mit der Trägerschicht (2) zu
der Gesamtfläche
der Trägerschicht
(2) liegt vorteilhafterweise in einem Bereich von 0,01
bis 0,3 bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 0,2. Dadurch kann eine
besonders gute Steifigkeit bei dennoch großer Kühlwirkung erzielt werden.
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Die
Brennkammerauskleidung ist besonders vorteilhaft einstückig ausgebildet.
Dadurch ist zum einen eine besonders gute Materialkompatibilität der Trägerschicht
(2) mit der Hitzeschutzschicht (1) gewährleistet.
Darüber
hinaus ist hierdurch die mechanische Integrität und die Steifigkeit der Brennkammerauskleidung
und/oder der einzelnen Brennkammerschindeln besonders sowie und
der Montageaufwand bei der Produktion einer Turbine besonders niedrig.
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Ist
die erfindungsgemäße Brennkammerauskleidung
aus einzelnen Schindeln aufgebaut, so sind diese bevorzugt auf der
der Hitzeschutzschicht (1) abgewandten Seite der Trägerschicht
(2) miteinander verschraubt. Die Brennkammerauskleidung
kann jedoch auch vorteilhafterweise als einzelner geschlossener
Ring ausgebildet sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch
ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Brennkammerauskleidung,
dadurch gekennzeichnet, dass man die Trägerschicht (2), das Abstandselement
(3) und die Hitzeschutzschicht (1) entweder aus
einem Stück
herstellt oder die beiden Schichten direkt mit einem Keramikmaterial
als Abstandselement zusammenfügt.
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Die
hohe Bruchzähigkeit
und gute Belastbarkeit moderner CMC-Werkstoffe ermöglicht die Herstellung komplexer
Strukturen. Gerade bei CMCs wie Nextel/Mullit- oder auch SiC/SiC-Werkstoffen
ist zudem ein Fügen
einzelner Komponenten zu einer komplexen Struktur möglich.
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Dies
ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung doppelschichtiger CMC-Strukturen wobei die beiden
Brennkammerauskleidungen (Trägerschicht
(2) und Hitzeschutzschicht (1)) während des
Herstellungsprozesses zusammengefügt werden können, ohne dass Verschraubungen
oder Nieten verwendet werden müssen.
Beispielsweise kann eine doppelschichtige CMC-Struktur mit Abstandselementen
auch ohne eine Fügung
in einem Schritt durch einen Wickelprozess hergestellt werden.
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Besonders
vorteilhaft wird die Brennkammerauskleidung durch Fügung der
Trägerschicht
(
2) mit der Hitzeschutzschicht (
1) hergestellt,
wenn sowohl das Fasermaterial als auch das Matrixmaterial SiC ist.
Hierbei kann besonders bevorzugt das Flüssigsilicierverahren (Liquid
silicon infiltration, LSI) und eine C- und/oder SiC-haltige Fügepaste
eingesetzt werden, wie sie aus
DE 19636223 A1 bekannt ist oder das PIP bzw.
LPI-Verfahren (Polymerinfiltration und
Pyrolyse bzw. Liquid Polymer Infiltration) mit SiC-bildenden, polymeren
Precursoren. Ferner kann auch im CVI-Verfahren (Chemical Vapour
Infiltration) mit gasförmigen
SiC-Precursoren gefügt
werden.
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Vorteilhafterweise
stellt man die Trägerschicht
(2) und die Hitzeschutzschicht (1) aus einem Stück durch
Aufwickeln von Fasern auf eine Form her, wobei die Fasern mit einem
Keramikschlicker oder keramikbildenden, polymeren Precursoren wie z.
B. Poycarbosilane, Polycarbosilazane, Polysiloxane oder MADE/PBS,
oder kohlenstoffbildenden, polymeren Precursoren (beispielsweise
Phenolharze) getränkt
sind.
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Die
Fasern sind vorteilhafterweise ausgewählt aus der Gruppe Aluminasilikatfasern,
Mullitfasern, Al2O3-Fasern,
SiO2-Fasern, SiC-Fasern, SiBNC-Fasern, SiCN-Fasern, Si3N4-Fasern und ZrO2-Fasern, besonders bevorzugt jedoch Nextel-Fasern
der Firma 3M.
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Besonders
bevorzugt benutzt man einen Keramikschlicker auf Wasserbasis, der
Materialien ausgewählt
aus der Gruppe Aluminasilikate, Mullit, Al2O3, SiO2, SiC, Si3N4 und ZrO2 enthält.
Von diesen Materialien ist Mullit besonders bevorzugt. Zum Aufbau
einer hochtemperaturbeständigen,
nichtoxidischen SiC-Matrix werden besonders vorteilhaft das Flüssigsilicierverfahren,
das PIP bzw. LPI-Verfahren (Polymerinfiltration
und Pyrolyse bzw. Liquid Polymer Infiltration) oder das CVI-Verfahren
(Chemical Vapour Infiltration) eingesetzt.
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1 zeigt
einen Teilquerschnitt der erfindungsgemäßen Brennkammerauskleidung.
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In
dieser konkreten Ausgestaltungsform ist die Hitzeschutzschicht (1)
von der Trägerschicht
(2) beabstandet durch Abstandselemente (3) in
Form von Rippen bzw. Stegen. Sowohl die Hitzeschutzschicht (1)
als auch die Trägerschicht
(2) sind mit Öffnungen
(4) durchbrochen. Zudem sind in dieser konkreten Ausführungsform
zwei Schindeln durch Verschraubung (5) miteinander verbunden.
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2 zeigt
ebenfalls einen Teilquerschnitt der erfindungsgemäßen Brennkammerauskleidung, bei
der das Material der Hitzeschutzschicht (1) und der Trägerschicht
(2) einheitlich ist, so dass eine Trennschicht zwischen
diesen beiden nicht vorhanden ist.