DE1278319B

DE1278319B - Verfahren zum Schuetzen von durch heisse Medien ueberstrichenen Oberflaechenteilen eines hitzebestaendigen Koerpers

Info

Publication number: DE1278319B
Application number: DEA44840A
Authority: DE
Inventors: Giger Johannes
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1963-11-28
Filing date: 1963-12-19
Publication date: 1969-04-17
Also published as: SE306141B; GB1035148A; CH427118A; US3307616A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schützen von durch heiße Medien überstrichenen Oberflächenteilen eines hitzebeständigen Körpers.
Es ist bekannt, daß insbesondere Brennkammerninnenflächen, die der Flamme direkt ausgesetzt sind, relativ kurze Standzeiten aufweisen, sofern diese Wände nicht kräftig gekühlt werden. Es sind verschiedene derartige Kühlsysteme bekanntgeworden, um die Lebensdauer von Körpern, die von heißen Medien überstrichene Wände besitzen, insbesondere von Brennkammern, zu verlängern.
Bei einem z. B. aus dem deutschen Patent 959 423 bekannten Kühlsystem wird ein Kühlmittel durch einen porös ausgebildeten Teil der Brennkammerwand hindurch quer in den Mediumstrom eingeblasen.
Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren aufzuzeigen, bei dem der Schutz der Oberflächenteile noch weitergetrieben wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens einem Teil des Kühlmittels und mindestens zeitweise Feinteile eines Feststoffes zusetzt und diese durch den Körper durchbläst, wodurch dieser Feststoff auf die heißesten Wandteile aufgebrachtund dadurch einTeil der durch das heiße Medium weggebrannten Wandpartien ersetzt wird.
Die Erfindung wird anschließend an Hand von Figuren beispielsweise erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems mit einem Ausschnitt aus einer Brennkammerwand, F i g. 2 den Ausschnitt aus der Brennkammerwand im Schnitt nach Linie II-II der F i g. 1, F i g. 3 einen Ausschnitt aus einer zylinderförmigen Brennkammer in perspektivischer Darstellung, F i g. 4 eine perspektivische Darstellung eines hitzebeständigen Körpers mit Kühlmediumanschluß, F i g. 5 einen Schnitt durch ein Brennkammerbauelement mit Kühleinrichtung.
Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte Brennkammerformkörper 1 besitzt ein Innenwandelement 3 und ein Außenwandelement 5. Das Innenwandelement 3 besteht aus zusammengesinterten Brocken 7, während sich das Außenwandelement 5 aus Formsteinen 9 zusammensetzt, wie dies aus F i g. 1 ersichtlich ist. In Öffnungen 37 der Formsteine 9 sind Einblasrohre 11 verschiebbar angeordnet. Diese Einblasrohre 11 führen zu einer Sammelleitung 13, welche ihrerseits von einer Luftversorgerleitung 31 gespeist wird. Die Leitung 31 verzweigt sich in einem T-Stück und führt zu Ventilen 27 und 29, von welchen je eine Druckleitung 25 entweder direkt in die Sammelleitung 13 bzw. indirekt über einen Mischbehälter 15 und eine Zuspeiseleitung 23 in die Sammelleitung 13 mündet.
Auf dem Behälterboden 19 des Misclibähälters 15 befindet sich ein gelochter Verteilerkörper 11,--über welchem eine Schicht Keramikpulver 21 lagert.
Auf der Brennkammerinnenseite ist ferner ein Düsenmund 33 dargestellt, aus welchem Brennstoff ausströmt, der, wenn entzündet, eine Flamme 35 erzeugt. Bedingt durch die Flamme 35 werden die durch die Einblasrohre 11 ausströmenden Strahlen des Kühlmediums in Pfeilrichtung 39 abgelenkt.
Während des Betriebes der Brennkammer ist insbesondere deren Innenteil, d. h. die Innenwandelemente 3 einem Verschleiß unterworfen, welcher um so größer ist, je höher die in der Brennkammer auftretenden Temperaturen ansteigen. Zur Abschwächung des Temperatureinflusses wird während des Betriebes durch die Luftversorgerleitung 31 über die Druckluftleitung 25 und die Sammelleitung 13 Kühlluft in die Einblaserohre 11 gepreßt, welche durch die Brennkammerformkörper 1 durchströmt und als kühlender Schleier die Brennkammerwand überstreicht. Infolge ihrer tiefen Temperatur schützt sie die Brennkammerwand vor den Einflüssen der Flamme 35. Die Achsen der Kühlluftstrahlen stehen mindestens annähernd senkrecht auf der zu kühlenden Brennkammerwand.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine derartige Kühlung in vielen Fällen ungenügend ist und die Innenwandelemente 3 trotzdem einem starken Verschleiß ausgesetzt sind und ihre Schutzwirkung nach und nach einbüßen. Um nun diesen Abtrag zu kompensieren, leitet man bei geschlossenem Ventil 29 die Druckluft aus der Luftversorgerleitung 31 über das offene Ventil 27 und die Druckluftleitung 25 in den gelochten Verteilerkörper 17, wo die Luft in feine Strahlen aufgeteilt wird, die in das Keramikpulver 21 gelangen und dieses entsprechend ihrer hohenAustrittsgeschwindigkeit hochwirbeln. Ein Teil des hochgewirbelten Keramikpulvers wird von der durchstreichenden Luft mitgenommen und gelangt über die Zuspeiseleitung 23 und die Sammelleitung 13 in die Einblaserohre 11 und hierauf mit der Kühlluft in das Innere der Brennkammer. Infolge der Trägheit der Teilchen schießen diese bedeutend weiter in das Brennkammerinnere vor als die sie transportierende Trägerluft, so daß sie in den Bereich der Flamme 35 gelangen, wo sie zumindest an ihrer Außenfläche derart erhitzt werden, daß sie anschließend beim Auftreffen auf die Innenwandelemente 3 sich an diesen festsetzen und damit einen Materialauftrag auf dieser Wand bilden.
Das Zurückführen der an seiner Oberfläche aufgeweichten Keramikteilchen ist bedingt durch die turbulente Mischbewegung und die sich verbreiternde Mischzone des Flammenstrahls und der Luftstrahlen, welche durch die Innenwandelemente 3 in den Brennkammerraum austreten. Es wird damit möglich, den Abbau der Innenwandelemente 3 zu kompensieren und durch entsprechende Dosierung der mitgeführten Keramikpulvermenge den jeweiligen Abbrand wieder zu ersetzen.
Die Innenwandelemente 3 können beispielsweise als poröse Formkörper aus A1.03 bestehen -und in folgender Art hergestellt werden: Keramische Kugeln aus A1203 mit einem Durchmesser von beispielsweise 6 mm werden in eine Form aus Keramik (A1203) oder aus Graphit eingeschüttet und -dichtgerüttelt. Die Formen mit dem Kugelbett werden anschließend, z.B. während 3 Stunden, bei etwa 1650°C zu einem Block gesintert. Bei Verwendung einer keramischen Gußform erfolgt diese Sinterung in Luft; während das Sintern in Graphitformen unter Schutzgas geschieht, beispielsweise in einer Stickstoffatmosphäre. Bei keramischen Formen müssen nach dem Brennen deren Böden und Wände entfernt werden.
Es ist auch möglich, poröse Wandelemente in der. Weise herzustellen, daß Chrom- oder andere Metallrollen, -kugeln oder -würfel in einer Keramik- oder Graphitform, im Vakuum oder unter Schutzgas, bei 1700°C zusammengesintert werden. Die Sinterung von Chromkugeln oder anderen Chromkörpern kann dadurch begünstigt werden, daß man diese Körper vorher mit einem anderen Metall, z. B. Nickel, oberflächenbedampft.
Es ist indessen auch möglich, für die Schaffung von Innenwandelementen 3 offene Rohre aus Mg0, z. B. in der Größe von 12 - 9 mm und einer Länge von 12 mm aufeinanderzuschichten und diese nach vorherigem Bestreichen der Berührungsstellen mit Hochtemperaturzement durch Sinterung bei 1800°C an Luft zu porösen Wandelementen zusammenzubrennen.
Der Zusammenbau derartiger Formteile kann auf verschiedene Weise erfolgen: Keramische Ziegel z.B. fügt man vorteilhafterweise mittels Hochtemperaturzement zusammen. Metall- oder Zementformteile können derart kombiniert werden, daß sie über Abstufungen oder Rillen, im Baukastenprinzip zusammengebaut, ineinandergreifen.
Die Verteilung der Öffnungen in den Brennkammerformkörpern ist derart, daß die Innenwandelemente 3 von den Kühlluftstrahlen überall erreicht und geschützt werden. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Luftmenge in der Größenordnung zwischen 5 bis 101/Sek. und Quadratdezimeter Innenwandfläche zu wählen.
Die porösen Innenwandelemente 3, wie solche in den F i g. 1 und 2 dargestellt sind, können auch aus nichtmetallischen Werkstoffen (Oxyden) hergestellt werden, beispielsweise aus Aluminiumoxyd, Beryliumoxyd, Magnesiumoxyd, Zirkonoxyd, Thoriumoxyd, oder aus Gemischen von verschiedenen, hochschmelzenden keramischen Oxyden. Es eignen sich ferner verschiedene Karbide, Nitride, Boride, Silizide und Sulfide für die Herstellung derartiger Innenwandteile, so beispielsweise Siliziumkarbid, Borkarbid, Bornitride, Molybdändisilizid, Titanbromid, Cersulfid u. ä.
Wenn beispielsweise das Innenbauelement 3 eines Brennkammerformkörpers aus Siliziumkarbid besteht, so ist dieses bis 1450°C an Luft beständig. In feuchter Atmosphäre führt eine starke Oxydation zu deren schnellem Zerfall. Die sich oberflächlich bildende Siliziumoxydschutzhaut ist bei höheren Temperaturen durchlässig und reißt, womit die Schutzwirkung des Siliziumoxyds aufhört. Um nun eine verbesserte Schutzwirkung und Beständigkeit bei höheren Temperaturen zu erreichen, wird beispielsweise durch Einblasen eines vorgeschmolzenen und nachträglich pulverisierten Gemisches von K20, A1203 und SiO2 aus dem Mischbehälter 15 durch die Zuspeiseleitung 23 und die Sammelleitung 13 sowie die Einblaserohre 11 in die Brennkammer ausgeblasen, womit erreicht wird, daß die Innenwandelemente 3 mit einer stabilen, dichten, glasartigen Schicht überzogen werden. Durch Anpassung des Pulvergemisches bezüglich Schmelzpunkt und Zusammensetzung wird bei Siliziumkarbid ein Schutz bis über 2000°C erreicht. Auf diese Weise ist es möglich, den Verschleiß der innersten Schichten der Innenwandelemente 3 von Zeit zu Zeit durch Auftrag eines derartigen Überzuges wettzumachen und damit die Lebensdauer der Formkörper 1 und damit der ganzen Brennkammer ganz wesentlich zu erhöhen.
Es ist jedoch auch möglich, anstelle reiner Keramikstoffe Verbundwerkstoffe (sogenannte Cermets: Ceramics-Metals) zu verwenden, beispielsweise Oxydcermets, Fe-A1203, Älz03-Cr, Cr-W-A1203, Cr-Mo-Ti-A1203 oder weitere Oxydcermets in Form von A1203 und Be0 mit Co, Ni, Fe, W-Cr, Be0-Nb, Th02-Mo und CaO-Co.
Als metallische Werkstoffe, die sich zum Einblasen in die Brennkammer und Bilden einer Aufbauschicht der Innenwandelemente 3 eignen, sind z. B. hochchromhaltige Legierungen sowie Metalle Chrom, Titan u. ä. zu erwähnen. Chrom hat einen Schmelzpunkt von 1900°C und besitzt, verglichen mit keramisch dichten Werkstoffen, eine bedeutend bessere Wärmeleitfähigkeit. Das Chromoxyd Cr203, das sich auf dem Chrom bildet, hat bezüglich Wandaufbau die folgenden sehr günstigen Eigenschaften: Der Übergang vom metallischen Chrom auf Cr203 ist selten dicht und weist an der Übergangsschicht Metall-Oxyd sehr gute Haftfestigkeit auf.
Der Schmelzpunkt von Cr203 ist mit 1900 bis 2200°C relativ hoch.
Cr203 ist an und für sich gegen Korrosion sehr gut beständig.
Cr203 bildet mit zweiwertigen Metalloxyden, z. B. Mg0, Zn0, Fe0, NO, BeO und ähnlichen sogenannte Spinelle vom Typus MgO - Cr2O3.
Alle Hochtemperaturoxyde gehen mit Cr203 sehr leicht Verbindungen ein, wie z. B. A1203 - Cr203. Als Einblasepulver kommen somit alle Keramikpulver, Pulvergemische, vorgeschmolzenen und pulverisierten Schmelzen aller Art sowie Cermetpulver, Carbide, Boride, Nitride, Sulfide und auch Metallpulver in Frage. Sie können einzeln, gemischt, wahlweise nacheinander usw. eingeblasen werden.
Es ist auch möglich, daß z. B. ein hochschmelzendes Oxyd, wie Mg0, Zr02 u. ä. mit einem niedrigschmelzenden Material, wie etwa SiO2, LiF, Ba0, ZnO oder Mullit, zusammen eingeblasen wird oder aber, daß das hochschmelzende Oxyd Carbid, Borid u.ä. zuerst mit einem niedrigschmelzenden Flußmittel ummantelt und hierauf in das Brennkammerinnere befördert wird. Dadurch kann im einzelnen Fall ein Verbacken oder Ansintern an der Innenwand der Brennkammer merklich erleichtert werden. Das Flußmittel wird im Betrieb verdampfen oder eine neue keramische Verbindung eingehen, die in vorbestimmtem Rahmen gesteuert werden kann.
Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, das MgO-Korn mit einem Schmelzpunkt von 2800°C vor dem Einblasen im Sinter- und Schmelzprozeß mit einer Hülle von LiF -f- 0,4 Molprozent Zr02 zu ummanteln. Der Kern des Kornes hat immer noch einen Schmelzpunkt von 2800°C, der Mantel des Kornes aber nur noch einen solchen von etwa 1600 bis 1800°C. Dies erleichtert das Ansintern des Pulvers an der heißen, z. B. Mg0-Brennkammerwand. Bei der hohen Betriebstemperatur verschmelzen die MgO-Körner sehr leicht an der inneren Oberfläche der heißen Wand des Innenwandelements 3. Das Flußmittel in der Kornmantelhülle verdampft sehr schnell nach dem Anbacken und der Gesamtschmelzpunkt der aufgeblasenen und in der Betriebstemperatur gesinterten Oberfläche steigt sofort wieder auf 2800°C.
In F i g. 3 ist ein Brennkammerformkörper 44 zum Bau einer zylinderförmigen Brennkammer dargestellt. Dieser besitzt ein Innenwandelement 46 und ein Außenwandelement 48. Das Innenwandelement 46 ist als gesinterter Rollenkörper mit Rollen 50 ausgebildet, während das Außenwandelement 48 aus Formsteinen 52 zusammengesetzt ist. Die Kühlung erfolgt analog F i g. 1 durch Einblasen von Kühlmedium durch die Einblaserohre 11, welchen im Sinn der vorstehenden Erklärungen zum Aufbau der Innenwandelemente 46 entsprechende Pulver oder Pulvergemische beigegeben werden.
Der Austritt der Luft in die Brennkammer erfolgt durch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Rollen 50. Durch Wahl der Durchmesser der Rollen 50 wird die Größe der Luftkanäle und deren Zahl beeinflußt.
Es ist auch möglich, Brennkammerformkörper 60 mit einem Innenwandteil 62 und einem Außenwandteil 64 aus einem Stück derart zu sintern, daß der Innenwandteil 62 porös und mithin luftdurchlässig bleibt, während der Außenwandteil 64 dicht ist. Durch den dichten Außenwandteil 64 ist ein Einblaserohr 66 eingeführt, welches der Zufuhr von Kühlluft und allenfalls die Innenwand der Brennkammer aufbauenden Pulvers dient. Die feine Struktur des Innenwandteils 62 sorgt für die genügende und gute Verteilung der Luft und des mitgeführten Pulvers, so daß an der Innenseite der Brennkammer eine sehr gleichmäßige Beaufschlagung der Innenwand mit Luft und Pulver erfolgt.
In F i g. 5 ist eine Ausführung ersichtlich, in welcher ein Brennkammerformkörper 70 ein Innenwandelement 72 aufweist, auf dessen Außenseite sich ein Luftschacht 74 anschließt, welcher von einer Schachtwand 76 umschlossen ist. Kühlluftrohre 78 bringen die Kühlluft in den Luftschacht 74, während ein Keramikstaubaufgaberohr 80 mit Kühlluft als Träger die nötige Wandinnenaufbausubstanz für die Brennkammerinnenwandelemente 72 heranführt. Das Staub-Luft-Gemisch wird durch die feinen Poren des porösen Innenwandelements 72 in das Innere der Brennkammer geblasen und dient in erwähnter Art und Wise einesteils dem Kühlen der Brennkammerwände und anderenteils deren materiellem Wiederaufbau.
Die Innenwandelemente können grundsätzlich aus gesinterten Brocken, Rollen, Kugeln oder anderen regelmäßigen oder unregelmäßigen Formkörpern aufgebaut werden. Das Wesentliche ist, daß die Porenanzahl und Weite derart sind, daß mit einem Minimum an Luft eine gleichmäßige Kühlung der vom heißen Medium überstrichenen Fläche sichergestellt wird und beim Aufbauen bzw. dem Aufsintern von eingeblasenem Pulver eine gleichmäßige Schicht entsteht. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Kühlrohre verschiebbar im hitzebeständigen Körper anzuordnen.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Schützen von durch heiße Medien überstrichenen Oberflächenteilen eines hitzebeständigen Körpers, wobei ein Kühlmittel durch den mindestens zum Teil porös ausgebildeten Körper hindurch quer in den Mediumstrom eingeblasen wird, dadurch gekennzeichn e t, daß man mindestens einem Teil des Kühlmittels und mindestens zeitweise Feinteile eines Feststoffes zusetzt und diese durch den Körper durchbläst, wodurch dieser Feststoff auf die heißesten Wandteile aufgebracht und dadurch ein Teil der durch das heiße Medium weggebrannten Wandpartien ersetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens ein Keramikpulver einbläst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch aus K20, A1203 und Si02 einbläst.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens ein Metalloxyd einbläst.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Verbundwerkstoffpulver einbläst.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man metallische Materialien einbläst.
7. Verfahren nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß man hochchromhaltige Legierungen einbläst. B.
Verfahren nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß man Titanpulver einbläst.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das zum Einblasen vorgesehene Pulver vor dem Einblasen mit einem niedriger schmelzenden Flußmittel ummantelt.
10. Verfahren nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als Flußmittel LiF -j- Zr02 und als Kern Mg0 verwendet.
11. Verfahren nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß man das Pulver mit Spinell ummantelt.