DE102019204746A1 - Hitzeschildkachel mit Dämpfungsfunktion - Google Patents

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Stefan Werner Kiliani
Andre Kluge
Claus Krusch
Friederike Lange
Christian Nikasch
Christian Eigenbrod
Daniel Malangré
Hans-Christoph Ries
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Universitaet Bremen
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/007Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hitzeschildkachel (01) zur Verwendung bei einer Brennkammer einer Gasturbine. Diese (01) weist hierbei eine auf einer Heißseite (02) angeordnete Abdeckschicht (07) und eine auf einer der Heißseite (02) gegenüberliegenden Kaltseite (03) angeordneten porösen gasdurchlässigen Grundkörper (05) auf. Die Hitzeschildkachel (01) besteht hierbei aus einem keramischen Material. Zur Schwingungsdämpfung bei minimalem Kühlluftverbrauch wird zwischen dem Grundkörper (05) und dem Abdeckelement (07) ein Hohlraumkörper (06) mit einer Mehrzahl zum Grundkörper (05) offener Kammern angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hitzeschildkachel zur Verwendung in einer Brennkammer, wobei zur Dämpfung von Schwingungen ein poröses keramisches Material eingesetzt wird.
  • Bei den Verbrennungsvorgängen in Gasturbinen kann es je nach Betriebszustand zu Verbrennungsschwingungen kommen, welche sich als Druckschwankungen in der Form von Schallwellen in der Brennkammer ausbreiten und die gesamte Brennkammerstruktur belasten können. Dabei besteht grundsätzlich die Gefahr, dass es zu Resonanzanregungen kommt, welche bei unzureichender Dämpfung zu Schäden an der Brennkammerstruktur führen können. Daher ergibt sich die Notwendigkeit, solche thermoakustischen Instabilitäten in Gasturbinen zu dämpfen.
  • Üblicherweise werden zur Dämpfung kritischer Schwingungen in Brennkammern von Gasturbinen daher sogenannte Helmholz-Resonatoren eingesetzt.
  • So ist aus der EP 1319153 B1 eine Anordnung von Resonatoren an einer Brennkammer einer Gasturbine bekannt. Hierzu sind am Umfang der Brennkammer eine Mehrzahl im Umfang verteilte Hohlräume angeordnet, welche einerseits von der Brennkammerwand und anderseits von einem topfartigen Gehäuse umschlossen werden. Der Hohlraum bildet hierbei ein Resonatorvolumen, wobei zur Erfüllung dessen Funktion notwendigerweise Öffnungen in der Brennkammerwand vorhanden sind. Dies hat den nachteiligen Effekt, dass ohne besondere Maßnahmen ebenso der Hohlraum und insofern dessen Gehäuse einer hohen Temperaturbelastung ausgesetzt ist. Daher weist das Gehäuse ebenso eine Anzahl an Öffnungen auf, durch die gezielt Kühlluft in den Hohlraum eingebracht werden kann.
  • Hierbei ist jedoch von Nachteil, dass die bisher bekannten metallischen Helmholtz-Resonatoren aufwendig mit Kühlluft versorgt werden müssen, um eine hinreichende Kühlung des Metalls zu gewährleisten. Zur Steigerung des Wirkungsgrads ist es jedoch erforderlich, dass die Menge an Kühlluft reduziert wird.
  • Weiterhin ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass demgegenüber keramische Werkstoffe eine bessere Dämpfungseigenschaft aufweisen. Daher werden in einigen Brennkammern vorzugsweise Hitzeschildkacheln aus keramischen Werkstoffen eingesetzt. Beispielhafte Ausführungsform sind hierzu beispielsweise aus der EP 1701095 B1 bekannt. Diese zeigen den weiteren Vorteil auf, dass diese eine hohe thermische Beständigkeit besitzen, so dass im Gegensatz zu rein metallischen Brennkammern ein geringerer Kühlluftbedarf erforderlich ist. Zu kühlen ist hierbei insbesondere deren Halterung. Hierfür sind weitere Ausführungen aus der EP 1884713 B1 , EP 2270395 B1 , EP 2596290 B1 und EP 2992270 bekannt. Weiterhin ist es bekannt, dass die in aller Regel poröse Keramik der Hitzeschildkachel durch eine Abdeckschicht vor einer vorzeitigen Erosion geschützt werden kann. Ausführungen hierzu zeigen beispielsweise die WO 2017186547 A1 und die WO 2018011126 A1 .
  • Wenngleich die keramischen Hitzeschildkacheln bessere Dämpfungseigenschaften als metallische Strukturen aufweisen, so können dennoch diese nicht in jedem Fall nicht die hinreichende Dämpfung erzielen, um auf den Einsatz von Helmholtz-Resonatoren verzichten zu können.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, geeignete Maßnahmen zur Dämpfung von Schwingungen in der Brennkammer zur Verfügung zu stellen, welche mit einem geringeren Kühlluftbedarf auskommen.
  • Die gestellte Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Hitzeschildkachel nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die gattungsgemäße Hitzeschildkachel wird in der Regel bei einer Brennkammer einer Gasturbine eingesetzt. Die Ausführung kann jedoch ebenso bei andersartigen Brennkammern Verwendung finden. Als Hitzeschildkachel weist diese eine zum Inneren der Brennkammer weisende Heißseite sowie eine gegenüberliegende Kaltseite auf. Dabei umfasst die Hitzeschildkachel einen Grundkörper, welcher auf der Kaltseite angeordnet ist. Dabei bildet der Grundkörper zugleich auf der Kaltseite die Oberfläche der Hitzeschildkachel. Der Grundkörper besteht hierbei aus einem keramischen Material mit einer porösen Struktur und bietet dabei eine Gasdurchlässigkeit. Diese ist gegeben, wenn der Grundkörper bei einer Durchströmung von der Kaltseite zur Heißseite eine Strömungsresistanz von höchsten 3000 kPas/m2 aufweist.
  • Demgegenüber wird auf der Heißseite eine Tragschicht angeordnet, welche ebenso aus einem keramischen Material besteht, jedoch im Vergleich mit dem Grundkörper im Wesentlichen für Gase undurchlässig ist.
  • Erfindungsgemäß wird nunmehr zugleich eine hohe Temperaturbeständigkeit bei geringem Kühlluftverbrauch und eine verbesserte Dämpfung erzielt, indem die Tragschicht mit einer Mehrzahl sich von der Heißseite bis zum Grundkörper erstreckender Ausnehmungen versehen wird. Entsprechend wird eine Strömung von der Kaltseite durch den Grundkörper und durch die Ausnehmungen bis zur Heißseite ermöglicht.
  • Zugleich ermöglichen die Ausnehmungen die Dämpfung von Schwingungen im Brennraum durch die offene Verbindung zum Grundkörper, der eine schwingungsdämpfende Eigenschaft aufweist. Die Tragschicht hierbei sichert die Stabilität der Hitzeschildkachel und verbessert weiterhin die Beständigkeit gegenüber einem Verschleiß im Gegensatz zu einer Lösung, bei der der Grundköper als schalldämpfendes Element an der Heißseite angeordnet ist.
  • Durch die Bildung einer Mehrzahl von Ausnehmungen in der keramischen Hitzeschildkachel wird eine deutlich verbesserte Dämpfung gegenüber üblichen Hitzeschildkacheln erzielt. Dabei weist die erfindungsgemäße Hitzeschildkachel jedoch unvermindert die vorteilhafte Eigenschaft üblicher Hitzeschildkacheln aus einem keramischen Material mit deren hohen thermischen Beständigkeit auf, so dass der Kühlluftbedarf aufgrund des Wegfalls oder zumindest der Reduzierung von ansonsten eingesetzten Helmholtz-Resonatoren reduziert werden kann.
  • In vorteilhafter Ausführung weist der Grundkörper eine Strömungsresistanz von höchstens 500 kPas/m2 auf. Hierdurch wird sowohl die Kühlung der Hitzeschildkachel verbessert als auch die schalldämpfenden Eigenschaften. Besonders bevorzugt wird eine Ausführung, bei der die Strömungsresistanz höchstens 120 kPas/m2 beträgt.
  • Weiterhin weist Grundkörper in vorteilhafter Ausführung eine Strömungsresistanz von zumindest 10 kPas/m2 auf. Bei einem Wert unterhalb dieses Mindestwertes eignet sich der Grundkörper nur noch bedingt zur Schalldämmung und insbesondere besteht die Gefahr einer zu geringen Stabilität. Besonders bevorzugt wird eine Strömungsresistanz von zumindest 50 kPas/m2 gewählt.
  • Die Bestimmung der spezifischen Strömungsresistanz ermöglicht die Ermittlung des Schallabsorptionsgrads. Die Strömungsresistanz kann über die Schaumdichte gezielt eingestellt werden, sodass eine gute Absorption in bestimmten Frequenzbereichen erzielbar ist.
  • Im Gegenzug wird die Tragschicht als mechanisch tragendes Element umso wichtiger, je größer die Porosität des Grundkörpers ist. Dies führt zu einer weitgehenden Undurchlässigkeit des Materials der Tragschicht.
  • Zur Realisierung einer optimalen Dämpfung ist es vorteilhaft, wenn die Ausnehmungen auf eine große Oberfläche des Grundkörpers treffen. Zugleich ist es jedoch aus Gründen der Stabilität und der Verschleißbeständigkeit vorteilhaft, wenn der Ausnehmungen an der Heißseite möglichst klein gehalten sind. Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn der Querschnitt der Ausnehmungen am Grundkörper größer ist als der Querschnitt der Ausnehmungen an der Heißseite.
  • Entsprechend ist es besonders vorteilhaft, wenn der Querschnitt der Ausnehmungen am Grundkörper zumindest doppelt so groß ist wie der Querschnitt der Ausnehmungen an der Heißseite. Dieses lässt sich vorteilhaft weiter steigern, in dem in bevorzugter Ausführung die Ausnehmungen derart gestaltet werden, so dass der Querschnitt am Grundkörper zumindest dem 5-fachen des Querschnitts an der Heißseite entspricht.
  • Hinsichtlich der Stabilität und Verschleißfestigkeit der Tragschicht und somit der Hitzeschildkachel unter Berücksichtigung der geforderten Dämpfungseigenschaften unter Einbringung der Ausnehmungen ist es vorteilhaft, wenn die Ausnehmungen im Querschnitt an der Heißseite eine Querschnittsfläche von zumindest 1 mm2 und/oder höchstens 20 mm2 aufweisen. Besonders vorteilhaft ist eine Größe der Ausnehmung an der Heißseite, wenn die Querschnittsfläche zwischen 4 mm2 und 10 mm2 beträgt.
  • Zur optimalen Dämpfung hat es sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn die freie Oberfläche des Grundkörpers an der jeweiligen Ausnehmung eine Querschnittsfläche von zumindest 20 mm2 aufweist. Besonders vorteilhaft ist eine Querschnittsfläche der Ausnehmung am Grundkörper von zumindest 50 mm2.
  • Demgegenüber sollte die Querschnittsfläche maximal 500 mm2 betragen, wobei es besonders vorteilhaft ist, die Querschnittsfläche der Ausnehmung am Grundkörper mit jeweils weniger als 200 mm2 vorzusehen.
  • Zur vorteilhaften Nutzung des vorteilhaften Dämpfungseffektes mit der Anordnung der Ausnehmungen in der Tragschicht ist es vorteilhaft, wenn die vorhandene Fläche betrachtet parallel zur Heißseite bzw. Kaltseite möglich ausgenutzt wird. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die notwendige Stabilität gewährleistet wird. Daher ist es von Vorteil, wenn die Ausnehmungen in einem Schnitt entlang des Grundkörpers gemeinsam eine Querschnittsfläche von zumindest der Hälfte der Gesamtfläche der Tragschicht bzw. des Grundkörpers einnehmen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Summe der einzelnen Querschnittsflächen der jeweiligen Ausnehmungen insgesamt zumindest 2/3 der Gesamtfläche des Grundkörpers in der Trennfläche zur Tragschicht beträgt.
  • Die jeweiligen Ausnehmungen können verschiedenartig gestaltet werden. In einer ersten vorteilhaften Ausführung wird die jeweilige Ausnehmung von einer auf der Heißseite angeordneten Bohrung und auf der zum Grundkörper weisenden Seite von einer prismatischen Kammer gebildet. Dabei können die Kammern unterschiedliche Formen aufweisen und insbesondere in einfachste Form einen Zylinder darstellen. Eine vorteilhafte Ausnutzung der vorhandenen Fläche unter Berücksichtigung der notwendigen Stabilität wird jedoch erzielt, wenn der Hohlraumkörper eine Wabenform aufweist.
  • In einer alternativen Ausführung ist es möglich, die jeweilige Ausnehmung in Art eines Trichters auszuführen, wobei sich der Trichter zum Grundkörper öffnet. Wenngleich eine Rotationsform einfacher zur realisieren ist, kann ebenso in vorteilhafter Weise der Trichter zumindest am zum Grundkörper weisenden Ende der Ausnehmung eine Wabenform aufweisen.
  • Grundsätzlich ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Ausnehmung eine zusammenhängende Querschnittsfläche auf der Heißseite und eine zusammenhängende Querschnittsfläche am Grundkörper aufweist. Hiervon abweichend wäre es jedoch auch denkbar, eine Ausnehmung mit beispielsweise zwei getrennten Öffnungen an der Heißseite vorzusehen. Gleichfalls ist es denkbar nur eine Öffnung, d.h. nur eine zusammenhängende Querschnittsfläche an der Heißseite vorzusehen, demgegenüber jedoch die Ausnehmung am Grundkörper beispielsweise durch Rippen und Stege zu unterteilen. Hierdurch könnte ein besseres Verhältnis von Querschnittsfläche auf der Heißseite zur Querschnittsfläche am Grundkörper erzielt werden, wobei sich die Herstellung demgegenüber jedoch schwieriger gestaltet.
  • Zur Gestaltung der Hitzeschildkachel zur Verwendung in einer Brennkammer, insbesondere unter Berücksichtigung der Größe üblicher Hitzeschildkachel ist es von Vorteil, wenn die Schichtstärken von Tragschicht und Grundkörper vorteilhaft zueinander gewählt werden. Um eine vorteilhafte Stabilität der Hitzeschildkachel zu gewährleisten ist es vorteilhaft, wenn die Stärke der Tragschicht gemessen senkrecht zur Heißseite zumindest der 0,15-fachen Materialstärke der Hitzeschildkachel an gleicher Stelle gebildet von Tragschicht und Grundkörper entspricht. Eine besonders vorteilhafte Stabilität wird erzielt, wenn die Tragschicht zumindest der 0,25-fachen Materialstärke der Hitzeschildkachel entspricht.
  • Demgegenüber ist es zur Realisierung einer vorteilhaften Dämpfung vorteilhaft, wenn der Grundkörper zumindest eine in Relation zur Materialstärke der Hitzeschildkachel gemessen senkrecht zur Kaltseite 0,5-fache Materialstärke aufweist. Besonders vorteilhaft ist hier eine Materialstärke des Grundkörpers mit zumindest der 0,6-fachen Materialstärke der Hitzeschildkachel gebildet von Grundkörper und Tragschicht.
  • Zur Erhöhung der Stabilität der Hitzeschildkachel, insbesondere unter Berücksichtigung des porösen Grundkörpers und des mit einer Mehrzahl an mit Ausnehmungen versehener Tragschicht, ist es von besonderem Vorteil, wenn die Hitzeschildkachel von umlaufenden Seitenwänden umgeben ist. Hierbei ist es weiterhin von Vorteil, wenn sich die Seitenwände auf der Kaltseite bis über den Grundkörper hinaus erstrecken. D.h. auf der Kaltseite gibt es einen Freiraum zwischen dem Grundkörper und einer durch die Seitenwände definierten Fläche.
  • Unter Berücksichtigung der Dämpfung zur Erzielung einer vorteilhaften Stabilität ist es vorteilhaft, wenn die Seitenwände aus einem ebenso im Wesentlichen für Gase undurchlässigen keramischen Material hergestellt sind.
  • Zur vorteilhaften Befestigung der Hitzeschildkachel in der Wandung der Brennkammer ist es weiterhin von besonderem Vorteil, wenn an zumindest zwei gegenüberliegenden Seitenwänden eine Befestigungsgeometrie vorhanden ist, an der entsprechende Befestigungsmittel angebracht werden können. Bei den Befestigungsmitteln kann es sich hierbei beispielsweise um federnde Steinhalter oder um starre, winkelförmige Steinhalter zur Anbringung von Befestigungsschrauben handeln. Alternativ ist es ebenso möglich, die Hitzeschildkachel an gegenüberliegenden Seitenwänden mit einer Nut-Feder-Geometrie auszuführen, so dass Hitzeschildkachel ineinander verzahnt bzw. innerhalb einer Tragstruktur verspannt werden können. Dieser Ausführung bietet sich insbesondere bei kleinbauenden Brennkammern an.
  • Hinsichtlich der Auswahl der Materialien kommen verschiedene Kombinationen in Betracht. Zumindest bedarf es beim Grundkörper eines von der Tragschicht verschiedenen Materials, wobei der Ausgangsstoff bzw. die chemischen Elemente gleich gewählt sein können. Vielmehr kommt es auf die Eigenschaften einer Porosität beim Grundkörper und einer möglichst kompakten Schicht bei der Tragschicht an. Dabei ist es möglich, die Seitenwände und die Tragschicht aus dem gleichen Material mit den gleichen Eigenschaften auszuführen.
  • Hinsichtlich des Materials für den Grundkörper ist es von besonderem Vorteil, wenn ein zu allen Seiten offenporige Struktur aufweist. Durch die Art der offenen Porosität ist die Strömungsresistanz definierbar. Vorzugsweise hat der Grundkörper eine Porosität in einem Bereich von 60% bis 90% und besonders vorteilhaft ist eine Porosität von 70% bis 80%. Die Porenverteilung kann über den gesamten keramischen Grundkörper homogen sein.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Poren als Kugelporen und/oder Matrixporen ausgebildet. Die Kugelporen haben vorzugsweise einen Durchmesser, welcher größer als 0,06 mm, besonders bevorzugt größer als 0,1 mm ist. Demgegenüber ist es hinreichend, wenn der Durchmesser der Kugelporen kleiner als 0,6 mm ist. Hierbei wird ein Durchmesser unterhalb von 0,3 mm bevorzugt. Die Matrixporen haben vorzugsweise eine Porengröße unterhalb von 0,03 mm, wobei Werte kleiner als 0,01 mm besonders zu bevorzugen sind. Durch die Porengeometrie und die Porengröße ist die Strömungsresistanz definierbar.
  • In besonderer Ausgestaltung des Grundkörpers hat dessen Material mit den Kugelporen Porenfenster. Der Durchmesser der Porenfenster liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,04 mm und 0,06 mm. Besonders bevorzugt werden hierbei Abmessungen der Porenfenster mit einem Durchmesser mit 0,05 mm. Durch die Einhaltung der bevorzugten Größe für die Porenfenster ist die Strömungsresistanz noch genauer definierbar.
  • In der vorteilhaften Ausführung weist der Grundkörper eine Dichte in einem Bereich von 0,55 g/cm3 bis 0,70 g/cm3 auf. Dabei kann die Dichte über die offenporige Schaumstruktur eingestellt werden.
  • Vorzugsweise werden das Material des Grundkörpers und insbesondere dessen Porosität derartig eingestellt, dass eine schallabsorbierende Wirkung in einem Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz erzielt wird. Dieser Frequenzbereich umfasst die Frequenzen von Verbrennungsschwingungen, beispielsweise in einer Gasturbine und kann daher zur Dämpfung solcher Verbrennungsschwingungen, vorzugsweise in Gasturbinen eingesetzt werden.
  • In den nachfolgenden Figuren wird eine beispielhafte Ausführungsform für eine erfindungsgemäße Hitzeschildkachel skizziert. Es zeigen:
    • 1 Ein Längsschnitt durch eine erste beispielhafte Hitzeschildkachel;
    • 2 eine Ansicht auf die Heißseite sowie abschnittweise ein Schnitt parallel zur Heißseite;
    • 3 einen Längsschnitt durch eine zweite beispielhafte Hitzeschildkachel.
  • In der 1 wird eine beispielhafte Ausführungsform für eine Hitzeschildkachel 01 schematisch dargestellt, wobei in dieser Ansicht die Hitzeschildkachel 01 in einem Längsschnitt skizziert wird. Auf der Oberseite befindet sich die Heißseite 02, welche 02 sich auf der zu Brennkammerinneren weisenden Seite befindet. Gegenüberliegend befindet sich die Kaltseite 03, an der 03 sich in aller Regel eine Tragstruktur zur Aufnahme der Hitzeschildkachel 01 befindet. Auf der Kaltseite 03 angeordnet befindet sich der Grundkörper 05. Diese 05 weist eine poröse gasdurchlässige Eigenschaft auf. Gegenüberliegend an der Heißseite 02 befindet sich die Tragschicht 07. Dessen 07 Material ist im Gegensatz zum Grundkörper 05 im Wesentlichen für Gase undurchlässig.
  • Die Tragschicht 07 eine Mehrzahl in der Fläche verteilt angeordnete Ausnehmungen 12 auf. Diese 12 weisen in diesem Ausführungsbeispiel jeweils in Form zunächst Kammern in Form eines wabenförmigen Prismas auf, wobei die Öffnung 11 der Ausnehmung 12 an der Heißseite von einer zylindrischen Bohrung gebildet wird. Die Ausnehmungen 12 stellen eine Verbindung von der Heißseite 02 zum porösen Grundkörper 05 her. Hierzu ist jede Ausnehmung von der auf der Heißseite 02 angeordneten Öffnung 11 bis zum Grundkörper 05 offen ausgeführt. Die Kammern stellen Hohlräume dar und wirken zudem als Resonanzkörper.
  • Die Beständigkeit der Hitzeschildkachel 01 sowie zugleich die vorteilhaften Dämpfungseigenschaften werden erzielt, wenn die Materialstärke 17 der Tragschicht 07 ein geeignetes Verhältnis zur Materialstärke 15 des Grundkörpers 05 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Materialstärke 17 der Tragschicht knapp 30% und die Materialstärke 15 des Grundkörpers ungefähr 70% der gesamten Materialstärke der Hitzeschildkachel 01 mit Tragschicht 07 und Grundkörper 05 beträgt.
  • An den beiden gegenüberliegenden Seiten befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel jeweils eine erste Seitenwand 09, welche 09 jeweils eine Befestigungsnut 10 zur Anbringung von Befestigungsmitteln, beispielsweise verhinderten Steinhaltern, aufweist.
  • In der nachfolgenden 2 wird zum Ausführungsbeispiel aus 1 eine Ansicht auf die Heißseite der Hitzeschildkachel 01 skizziert. Zu erkennen ist zunächst einmal die Außenseite der Tragschicht 07 mit den in der Fläche verteilten Öffnungen 11. Weiterhin dargestellt ist ein Schnitt parallel zur Heißseite durch die Tragschicht 07. Zu erkennen ist dort die Verteilung der Kammern der Ausnehmungen 12, wobei die Kammern jeweils eine Wabenform aufweisen. Umgeben wird die Tragschicht 07 an zwei gegenüberliegenden Seiten der Hitzeschildkachel 01 von jeweils einer zweiten Seitenwand 19. In einem weiteren parallelen Schnitt ist der Grundkörper 05 angrenzend an die erste Seitenwand 09 und angrenzend an die zweite Seitenwand 19 zu erkennen.
  • In der 3 wird ein zweites Beispiel für eine erfindungsgemäße Hitzeschildkachel 21 gleichfalls in einem Längsschnitt analog 1 skizziert. Zu erkennen ist wiederum der auf der Kaltseite 03 angeordnete Grundkörper 25 mit dem angrenzend auf der Heißseite 02 angeordneten Tragschicht 27. Begrenzt wird die Tragschicht 07 und der Grundkörper 25 analog der Ausführung aus 1 umlaufend von einem Seitenrand 09.
  • Analog der Ausführung aus 1 weist in diesem Beispiel die Tragschicht 27 eine Mehrzahl an Ausnehmungen 32 auf, welche 32 die Tragschicht 27 von der Heißseite 02 bis zum Grundkörper 25 durchdringen. Im Gegensatz zur vorherigen Ausführung wird hier die jeweilige Ausnehmung 32 trichterförmig ausgeführt, wobei die Querschnittsfläche der Ausnehmung 32 an der Heißseite 02 mit der Öffnung 31 wiederum deutlich geringer ist als die Querschnittsfläche der Ausnehmung 32 am Grundkörper 25.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1319153 B1 [0004, 0005]
    • US 7080514 B2 [0005]
    • EP 1557607 B1 [0005]
    • EP 1605209 B1 [0005]
    • EP 1989486 [0005]
    • EP 2188571 B1 [0005]
    • EP 2513560 B1 [0005]
    • EP 2580433 [0005]
    • US 9546558 B2 [0005]
    • EP 2739905 [0005]
    • EP 3189274 [0005]
    • EP 3194850 [0005]
    • EP 3189275 [0005]
    • WO 2018021996 A1 [0005]
    • EP 1701095 B1 [0007]
    • EP 1884713 B1 [0007]
    • EP 2270395 B1 [0007]
    • EP 2596290 B1 [0007]
    • EP 2992270 [0007]
    • WO 2017186547 A1 [0007]
    • WO 2018011126 A1 [0007]

Claims (14)

  1. Hitzeschildkachel (01,31) zur Verwendung bei einer Brennkammer, insbesondere einer Gasturbine, bestehend aus einem keramischen Material, aufweisend eine dem Brennkammerinneren zugewandten Heißseite (02) und eine gegenüberliegende Kaltseite (03), mit einem Grundkörper (05,35), welcher (05,35) eine Oberfläche der Hitzeschildkachel (01) auf der Kaltseite (03) bildet und eine Strömungsresistanz von höchstens 3000 kPas/m2 aufweist, und mit einer Tragschicht (07,37), welche (07,37) eine Oberfläche der Hitzeschildkachel (01,31) auf der Heißseite (02) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragschicht (07,37) eine Mehrzahl sich von der Heißseite (02) bis zum Grundkörper (05,35) erstreckender Ausnehmungen (11,31) aufweist.
  2. Hitzeschildkachel (01,31) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Grundkörper (05,35) eine Strömungsresistanz von höchstens 500 kPas/m2, insbesondere von höchstens 120 kPas/m2 aufweist; und/oder dass Grundkörper (05,35) eine Strömungsresistanz von zumindest 10 kPas/m2, insbesondere von zumindest 50 kPas/m2 aufweist.
  3. Hitzeschildkachel (01,31) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Ausnehmung (11,31) am Grundkörper (05,35) größer ist als der Querschnitt auf der Heißseite (02).
  4. Hitzeschildkachel (01,31) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Ausnehmung (11,31) am Grundkörper (05,35) zumindest dem 2-fachen, insbesondere zumindest dem 5-fachen, der Querschnittsfläche auf der Heißseite (02) beträgt.
  5. Hitzeschildkachel (01,31) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Ausnehmung (11,31) auf der Heißseite (02) minimal 1 mm2, insbesondere minimal 4 mm2, und/oder maximal 20 mm2, insbesondere maximal 10 mm2, beträgt.
  6. Hitzeschildkachel (01,31) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Ausnehmung (11,31) am Grundkörper (05,35) zumindest 20 mm2, insbesondere zumindest 50 mm2, und/oder maximal 500 mm2, insbesondere von maximal 200 mm2, beträgt.
  7. Hitzeschildkachel (01,31) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Querschnittsflächen der Ausnehmungen (11,31) am Grundkörper (05,35) zumindest 50%, insbesondere zumindest 66%, der Gesamtfläche beträgt.
  8. Hitzeschildkachel (01) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (11) auf der Heißseite (02) von einer Bohrung (12) und auf der zum Grundkörper (05) weisenden Seite von einer prismatischen Kammer (13) gebildet wird, wobei insbesondere die Kammer (13) eine Wabenform aufweist.
  9. Hitzeschildkachel (31) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (31) in Form eines zum Grundkörper (35) weisend öffnenden Trichters ausgeführt ist.
  10. Hitzeschildkachel (01,31) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragschicht (07,37) zumindest 15%, insbesondere zumindest 25%, und der Grundkörper (05,35) zumindest 50%, insbesondere zumindest 60%, der Materialstärke von Tragschicht (07,37) und Grundkörper (05,35) aufweisen.
  11. Hitzeschildkachel (01,31) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (05,35) und die Tragschicht (07,37) von umlaufenden Seitenwänden (09,19) umgeben sind.
  12. Hitzeschildkachel (01,31) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (09,19) auf der Kaltseite (03) erhaben gegenüber dem Grundkörper (05,35) hervorstehen.
  13. Hitzeschildkachel (01,31) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (09,19) und die Tragschicht (07,37) die gleichen Materialeigenschaften aufweisen.
  14. Hitzeschildkachel (01,31) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gegenüberliegende erste Seitenwände (09) eine Befestigungsgeometrie aufweisen, an welcher Befestigungsmittel, insbesondere geschraubte oder federnde Steinhalter, angebracht werden können; und/oder dass zwei gegenüberliegende erste Seitenwände und/oder zweite Seitenwände eine Nut-Feder-Geometrie oder dergleichen aufweisen, wobei die Seitenwände (07) benachbarter Hitzeschildkacheln ineinandergreifen.
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