DE19730751A1 - Keramisches Bauteil für eine Wärmeschutzschicht sowie Wärmeschutzschicht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein keramisches Bauteil für eine Wär­ meschutzschicht, insbesondere zum Schutz einer Wand gegenüber heißen Gasen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Wärme­ schutzschicht aus einer Vielzahl keramischer Bauteile.

In der EP 0 419 487 B1 ist eine Hitzeschildanordnung, insbe­ sondere zur Verwendung in einer Gasturbinenanlage, beschrie­ ben, welche aus einzelnen keramischen Elementen aufgebaut ist. Diese Elemente besitzen die Form eines Pilzes mit einem Hutteil und einem jeweiligen Schaftteil. An dem Schaftteil sind sie jeweils mittels einer Klammer an einer Tragstruktur befestigt. Die Hutteile haben die Form ebener oder gekrümmter Vielecke mit geraden oder gebogenen Randlinien und überdecken die Tragstruktur bis auf Dehnungsspalte vollständig. Hier­ durch wird allenfalls in geringem Maße Kühlluft zur Verhinde­ rung des Eindringens von heißem Fluid in den Zwischenraum zwischen den jeweiligen Hutteilen und der insbesondere metal­ lischen Tragstruktur benötigt. Die Klammer zur Halterung des Schaftteiles ist mit der Tragstruktur fest verbunden, insbe­ sondere verschraubt.

Die GB 22 11 285 A betrifft eine Brennkammer, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk. Die Brennkammer weist eine zy­ lindrische Wand auf, deren radial nach innen gewandte Ober­ fläche durch eine aus einem keramischen Material gebildete Wand ausgekleidet ist. Das keramische Material umfaßt eine Mehrzahl diskreter, aneinandergrenzender keramischer Ziegel. Die Ziegel sind so aneinander angeordnet, daß sie gegenseitig eine Bewegung in radialer Richtung verhindern. Die Ziegel ha­ ben jeweils eine längliche Ausdehnung, wobei die längliche Ausdehnung parallel zu der Zylinderachse der zylindrischen Wand gerichtet ist. Die keramischen Ziegel sind vorzugsweise in zwei Lagen radial nach innen übereinandergelegt. Sie wei­ sen in einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse einen fünfec­ kigen Querschnitt auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil für eine Wärme­ schutzschicht anzugeben, welches einen hohen Wärmedämmeffekt gewährleistet und einen geringen Kühlfluidbedarf aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Wärme­ schutzschicht, insbesondere für die Wand einer mit Heißgas beaufschlagbaren Komponente einer Verbrennungsmaschine, bei­ spielsweise einer Gasturbinenanlage, anzugeben, die einfach herstellbar ist und eine hohe Wärmedämmwirkung besitzt.

Erfindungsgemäß wird die auf ein Bauteil gerichtete Aufgabe durch ein solches gelöst, welches aus einer Keramik besteht und entlang einer Längsachse von einem Fußendbereich zur An­ ordnung an einer Wand zu einem Kopfendbereich gerichtet ist und in Richtung der Längsachse eine Längsausdehnung aufweist, die größer als ein maximaler Durchmesser senkrecht zur Längs­ achse ist, wobei der Kopfendbereich eine einer hohen Tempera­ tur aussetzbare Stirnfläche aufweist. Das Bauteil ist mithin stabförmig entlang der Längsachse gerichtet und für eine An­ ordnung an einer Wand vorgesehen, bei der die Längsachse im wesentlichen senkrecht auf der Wand steht. In Richtung dieser Längsachse weist das Bauteil eine größere Ausdehnung auf als in einer Querebene senkrecht zu der Längsachse.

Durch Verwendung eines keramischen Bauteils für eine Wärme­ schutzschicht wird eine hohe Wärmedämmwirkung in Richtung der Längsachse erzielt. Das Bauteil ist aufgrund seiner Längs­ orientierung lediglich an einer kleinen Stirnfläche unmittel­ bar einem heißen Fluid, beispielsweise aus einem Verbrennungs­ prozeß, ausgesetzt. Durch die unterschiedlichen Abmessungen in Längs- und Querrichtung werden stationäre sowie instatio­ näre Wärmespannungen klein gehalten. Dies beruht insbesondere auf dem Effekt, daß bei kleiner Querausdehnung fast keine Temperaturdifferenzen in Querrichtung auftreten. Temperatur­ differenzen, die zu Wärmespannungen führen können, treten so­ mit im wesentlichen nur in Längsrichtung auf. Die Isothermen verlaufen somit senkrecht zur Längsachse und haben eine annä­ hernd lineare Form. Mit einer aus einer Mehrzahl solcher (stiftförmiger, stabförmiger) Bauteile hergestellten Wärme­ schutzschicht ist somit eine wirksame Isolierung einer metal­ lischen Wand gegenüber einem heißen Fluid gewährleistet.

Zur Erreichung einer im wesentlichen parallel zur Längsachse gerichteten thermischen Belastung des Bauteils ist die Längs­ ausdehnung vorzugsweise mehr als 1,5mal so groß wie die Quer­ ausdehnung. Sie beträgt vorzugsweise etwa das Zweifache der Querausdehnung. Der maximale Durchmesser senkrecht zur Längs­ achse liegt vorzugsweise zwischen 30 mm und 80 mm, insbeson­ dere etwa bei 50 mm.

Für eine Befestigung gleichartiger Bauteile untereinander weist jedes Bauteil vorzugsweise zumindest einen Vorsprung und eine Nut auf, wodurch eine Wärmeschutzschicht nach dem Nut-Federsystem aufbaubar ist. Ein Vorsprung eines Bauteils ragt dabei vorzugsweise in eine Nut eines benachbarten Bau­ teils hinein. Nut und Vorsprung sind vorzugsweise im wesent­ lichen senkrecht zur Längsachse gerichtet, so daß benachbarte Bauteile in Richtung der Längsachse (im wesentlichen senk­ recht zur Wand) gegeneinander im wesentlichen unverschieblich sind. Für den Aufbau einer Wärmeschutzschicht ist somit le­ diglich eine Halterung eines Bauteils im Hinblick auf eine absolute Verschiebung in Richtung der Längsachse, d. h. im we­ sentlichen senkrecht zur Wand, erforderlich. Eine relative Verschieblichkeit benachbarter Bauteile ist durch das Nut-Fe­ dersystem bereits unterbunden. Weiterhin bewirkt das Nut-Fe­ dersystem eine Unterbindung der Strömung eines insbesondere heißen Fluides in Richtung der Längsachse. Für ein solches heißes Fluid stellt ein in eine Nut hineinragender Vorsprung eine Drosselstelle dar. Hierdurch wird ein Durchströmen von heißem Gas durch eine aus den Bauteilen aufgebaute Wärme­ schutzschicht in Richtung der Längsachse hindurch wirksam un­ terbunden. Darüber hinaus bewirkt das Nut-Federsystem, daß sich gegebenenfalls ablösende Keramikpartikelchen an einer Bewegung in Richtung der Längsachse gehindert werden. Hier­ durch wird wirksam verhindert, daß solche Keramikpartikelchen in ein an der Wärmeschutzschicht vorbeiströmendes heißes Fluid hineingelangen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das heiße Fluid zum Antrieb eines Kompressors, eines Turboladers oder einer Gasturbine verwendet wird, da solche Keramikpartikel eine Beschädigung entsprechender rotierender Teile bewirken könnten.

Das Bauteil hat in der Querebene vorzugsweise einen vielecki­ gen Querschnitt. Hierdurch hat es eine sehr kompakte Form, die eine einfache Herstellbarkeit gewährleistet. Insbesondere bei einem sechseckigen Querschnitt ist eine Wabenstruktur er­ reicht, die eine zusätzliche Drosselung und damit Verminde­ rung der Einströmung von heißem Gas in Zwischenräume zwischen benachbarte Bauteile bewirkt. Durch eine sechseckige Form ist bei Wahl entsprechender Toleranzen eine Wärmeschutzschicht aus einer Vielzahl gleichartiger keramischer Bauteile gewähr­ leistet. Mithin können durch gleichartige Bauteile mit einem sechseckigen Querschnitt sowohl konvexe als auch konkave Wände mit einer Wärmeschutzschicht verkleidet werden.

Jedes Bauteil hat vorzugsweise an einer in Richtung der Längsachse verlaufenden Oberfläche eine Ausnehmung, in die eine Halterung zur Unterbindung einer Längsverschieblichkeit des Bauteils, d. h. senkrecht zur Wand, eingreifen kann. Das Bauteil besteht vorzugsweise aus einer Keramik hoher Festig­ keit, die insbesondere aus einem gemahlenen und gepreßten Pulver besteht, welches bei einer hohen Temperatur gebrannt wird. Als Keramik eignet sich eine Feinkeramik, insbesondere eine sogenannte Ingenieurkeramik (Strukturkeramik, Konstruk­ tionskeramik), beispielsweise mit Siliziumkarbid, Siliziumni­ trid oder Mullit. Eine Ingenieurkeramik besteht häufig aus synthetischen Rohstoffen, um eine vorgegebene Reinheit und Korngröße zu erzielen. Ingenieurkeramiken sind für jeweils bestimmte strukturelle Zwecke ausgelegt, beispielsweise hin­ sichtlich mechanischer, thermischer, chemischer oder abrasi­ ver Belastungen mit Anwendungen z. B. für Gleitlager, Dichtun­ gen oder als Schmierstoffe.

Die auf eine Wärmeschutzschicht gerichtete Aufgabe wird durch eine Wärmeschutzschicht an einer Wand, insbesondere einer mit Heißgas beaufschlagbaren Komponente einer Verbrennungsma­ schine, gelöst, die eine Vielzahl keramischer Bauteile auf­ weist, welche Bauteile entlang einer Längsachse stabförmig gerichtet und mit der Längsachse im wesentlichen senkrecht zur Wand angeordnet sind. Vorzugsweise sind zumindest zwei benachbarte Bauteile durch eine gemeinsame Halterung an der Wand gehaltert. Durch eine gemeinsame Halterung ist selbst bei Verwendung eines keramischen Bauteils, welches eine größere Längs- als Querausdehnung aufweist, eine einfache und kostensparende Herstellung der Wärmeschutzschicht gewährlei­ stet. Die Wärmeschutzschicht kann an eine Wand einer Tragstruktur, beispielsweise einer Brennkammer einer Gastur­ binenanlage, angeordnet sein, wobei die Tragstruktur aus ei­ nem Metall besteht, welches geschweißt oder gegossen ist. Vorzugsweise ist das Metall ein austenitischer Stahl, da die­ ser selbst eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist, so daß selbst bei einem teilweise Versagen der Wärmeschutzschicht ein Versagen der Wand vermieden ist.

Die Halterung weist vorzugsweise ein Kopfteil, insbesondere ein zylinderförmiges Kopfteil auf, das jeweils in eine Aus­ nehmung zwischen benachbarten Bauteilen eingreift. Die Aus­ nehmungen sind in ihrer Form dem Kopfteil der Halterung ange­ paßt. Die Halterung weist vorzugsweise einen Kühlkanal auf, der bis in das Kopfteil reicht und gegebenenfalls in die Aus­ nehmung mündet. Durch den Kühlkanal ist in die insbesondere metallische Halterung und in die Ausnehmung hinein Kühlfluid, insbesondere Kühlluft, führbar. Dadurch ist eine Kühlung der Halterung an einer Berührungsstelle zu den keramischen Bau­ teilen erreicht. Die Kühlluft zur Kühlung der Halterung be­ wirkt bei einem Ausströmen aus dem Kühlkanal auch eine Sper­ rung der Wärmeschutzschicht gegenüber dem heißen Fluid. Die­ ses heiße Fluid wird somit von der Kühlluft zumindest teil­ weise aus Spalten zwischen benachbarten keramischen Bauteilen verdrängt.

Die Halterung ist vorzugsweise gegossen und weist beispiels­ weise eine Nickel-Basislegierung auf. Zur Erzielung einer ho­ hen Präzision in bezug auf die Geometrie der Halterung, wird diese vorzugsweise in einem Feingußverfahren hergestellt, bei dem beispielsweise ein Wachsmodell der Halterung in eine Mi­ schung aus Harz und Keramik getunkt wird. Bei Erreichen einer hinreichenden Schichtdicke der Mischung aus Keramik und Harz an der Oberfläche des Wachsmodells wird diese Misch-Struktur gebrannt. Die nach dem Brand entstehende Hohlform dient als verlorene Schalung zum Guß der Halterung. Gegenüber einem herkömmlichen Sandgußverfahren ist die geometrische Form der Halterung in engen Toleranzen erzielbar. Nach einem ähnlichen Verfahren kann auch das keramische Bauteil als Feinguß herge­ stellt sein.

Die Befestigung der einzelnen Bauteile der Wärmeschutzschicht an der Wand erfolgt vorzugsweise elastisch, indem die Halte­ rung elastisch gegenüber der Wand befestigt ist. Hierzu ist die Halterung vorzugsweise als hohler Stift ausgeführt, wel­ cher durch die Wand hindurchragt und verschraubt ist, wobei zwischen der der Verschraubung dienenden Mutter bzw. einer Unterlegscheibe und der Wand eine elastische Feder, insbeson­ dere eine Tellerfeder, angeordnet ist. Durch die elastische Halterung sind die auf die Bauteile ausgeübten mechanischen Kräfte selbst bei hohen Temperaturschwankungen gering gehal­ ten, so daß ein Bruch der keramischen Bauteile sicher vermie­ den ist, auch bei auftretenden Druckschwingungen.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispie­ les werden das Bauteil und die Wärmeschutzschicht näher er­ läutert. Es zeigen schematisch und in nicht maßstäblicher Darstellung

Fig. 1 einen Ausschnitt eines Längsschnittes durch eine Gasturbinenbrennkammer mit einer Tragstruktur und ei­ ner Wärmeschutzschicht sowie

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Wärmeschutzschicht.

In Fig. 1 ist schematisch ein Ausschnitt eines Längsschnittes durch eine Gasturbinenbrennkammer dargestellt. Die Brennkam­ mer weist eine Tragstruktur mit einer metallischen Wand 10 auf, auf der eine Wärmeschutzschicht 6 aus keramischen stabförmigen Bauteilen 1 angeordnet ist. Die keramischen Bau­ teile 1 sind jeweils entlang einer Längsachse 2 von einem Fußendbereich 24 zu einem Kopfendbereich 25 gerichtet und haben in Richtung dieser Längsachse eine größere Abmessung als in einer Querebene 3 senkrecht zur Längsachse 2. Die Bau­ teile 1 sind mit einer Stirnfläche 15 des Kopfendbereichs 25 einem Raumbereich zugewandt, in dem ein Heißgas 13 strömt. Die Längsachse 2 steht im wesentlichen senkrecht auf der Wand 10, wobei die Bauteile 1 mit dem Fußendbereich 24 jeweils an die Wand 10 angrenzen. Die Bauteile 1 haben in der Querebene 3 einen Querschnitt 7, welcher sechseckig ist (siehe Fig. 2). Jedes Bauteil 1 hat senkrecht zur Längsachse 2 einen maxima­ len Durchmesser D, welcher geringer ist als die Ausdehnung des Bauteils 1 entlang der Längsachse (siehe Fig. 2). Jedes Bauteil 1 hat an einer Seitenfläche 20, vorzugsweise an drei Seitenflächen 20, welche parallel zur Längsachse 2 verlaufen, je eine Nut 4 sowie einen Vorsprung 5. Nut 4 und Vorsprung 5 sind jeweils im wesentlichen senkrecht zur Längsachse 2 ge­ richtet. Benachbarte Bauteile 1 sind unmittelbar, gegebenen­ falls unter Beabstandung durch einen Spalt 19, aneinander an­ geordnet, wobei ein Vorsprung 5 eines Bauteils 1 in eine zu­ geordnete Nut 4 eines benachbarten Bauteils 1 eingreift. Der der Wand 10 zugeordnete Teilbereich 21 jedes Bauteils 1 ist schwalbenschwanzartig ausgebildet. Hierdurch ist in der Nähe der Wand 10 eine im wesentlichen zylinderförmige Ausnehmung 8 an jedem Bauteil 1 gebildet. Zwei an einer jeweiligen Kante aneinandergrenzende Bauteile 1 bilden somit in dem Teilbe­ reich 21 eine im wesentlichen zylinderförmige Ausnehmung 8, in der ein zylinderförmiger Kopfteil 11 einer Halterung 9 an­ geordnet ist. Die Halterung 9 ist ein metallisches stiftför­ miges Gußelement, welches entlang einer Längsachse 2a gerich­ tet ist. Die Halterung 9 weist einen Stiel 22 auf, der durch die Wand 10 hindurchgeführt ist und der an der dem Heißgas 13 zugewandten Seite der Wand 10 in den Kopfteil 11 übergeht. Kopfteil 11 sowie Stiel 22 sind hohl ausgeführt und weisen einen Kühlkanal 12 zur Führung von Kühlluft 14 auf. Diese Kühlluft 14 ist dem Stiel 21 an der dem Heißgas 13 abgewand­ ten Seite der Wand 10 zuführbar. Der Kopfteil 11 weist in der Ausnehmung 8 eine Öffnung 23 auf, aus der Kühlluft 14 in die Ausnehmung 8 sowie gegebenenfalls einen daran angrenzenden Spalt 19 strömen kann. Die Ausnehmung 8 ist beispielhaft in Fig. 2 punktiert dargestellt. An der dem Heißgas 13 abgewand­ ten Seite der Wand 10 ist der Stiel 22 über eine Schrauben­ mutter 16, eine Unterlegscheibe 17 und einem zwischen der Wand 10 und der Unterlegscheibe 17 angeordneten Tellerfeder­ paket 18 befestigt. Durch das Nut-Federsystem ist die Wärme­ schutzschicht 6 weitgehend für Heißgas 13 undurchlässig auf­ gebaut. Die Schutzschicht 6 ist durch die im Feingußverfahren hergestellten Halterungen 9 elastisch an der Wand 10 befe­ stigt, so daß die mechanischen Kräfte, welche durch die Hal­ terungen 9 auf die keramischen Bauteile 1 übertragen werden, für eine Befestigung ausreichend, aber zur Vermeidung einer Beschädigung der keramischen Struktur hinreichend klein sind. Der sechseckige Querschnitt 7 der Bauteile 1 erlaubt den Auf­ bau einer Wärmeschutzschicht 6 aus gleichartigen Bauteilen 1, selbst dann, wenn die Wand 10 sowohl konkav als auch konvex (z. B. sphärisch) gebogen ist. Sowohl der sechseckige Quer­ schnitt 7, als auch das Ineinanderwirken der Nuten 4 und der Vorsprünge 5 sowie die als Sperrfluid wirkende Kühlluft 14 zur Kühlung der Halterungen 9 verhindern wirksam ein Eindrin­ gen von Heißgas 13 in die Wärmeschutzschicht 6.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine Wärmeschutzschicht aus, die aus keramischen Bauteilen aufgebaut ist, welche eine größere Längs- als Querausdehnung aufweisen. Durch diesen stabförmigen Aufbau der Bauteile ist selbst bei Verwendung gleichartiger Bauteile eine Wärmeschutzschicht an einer so­ wohl konvex (z. B. sphärisch) als auch konkav gekrümmten Wand ermöglicht. Diese Wärmeschutzschicht hat eine hohe Wärmedämm­ wirkung und eine hohe Sperrwirkung gegenüber dem Eindringen von Heißgas. Um eine wirksame Isolierung einer metallischen Wand zu gewährleisten, bedarf es daher allenfalls einer ge­ ringen Menge an als Sperrfluid wirkender Kühlluft. Als Kera­ mik für die Bauteile eignen sich auch gepreßte und gebrannte siliziumcarbidhaltige oder siliziumnitridhaltige Pulvermate­ rialien, die eine hohe Festigkeit und Wärmebeständigkeit auf­ weisen.

Claims (14)

1. Keramisches Bauteil (1) für eine Wärmeschutzschicht (6) einer Wand (10), welches entlang einer Längsachse (2) von ei­ nem Fußendbereich (24) zur Anordnung an der Wand (10) zu ei­ nem Kopfendbereich (25) gerichtet ist und in Richtung der Längsachse (2) eine Längsausdehnung aufweist, die größer als ein maximaler Durchmesser (D) senkrecht zur Längsachse (2) ist, wobei der Kopfendbereich (25) eine einer hohen Tempera­ tur aussetzbare Stirnfläche (15) aufweist.

2. Bauteil (1) nach Anspruch 1, bei dem die Längsausdehnung mehr als das 1,5fache, insbesondere das Zweifache, der Quer­ ausdehnung beträgt.

3. Bauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, das zumindest eine Nut (4) und einen Vorsprung (5) zum Aufbau einer Wärmeschutz­ schicht (6) nach dem Nut-Federsystem ausweist.

4. Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das in einer Querebene (3) senkrecht zur Längsachse (2) einen vieleckigen, insbesondere sechseckigen, Querschnitt (7) auf­ weist.

5. Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das zumindest eine Ausnehmung (8) für eine Halterung (9) zur Ver­ meidung einer Längsverschiebung in Richtung der Längsachse (2) aufweist.

6. Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das aus einer Feinkeramik, insbesondere einer Ingenieurkeramik, besteht.

7. Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der maximale Durchmesser (D) senkrecht zur Längsachse (2) 30 mm bis 80 mm, insbesondere etwa 50 mm, beträgt.

8. Wärmeschutzschicht (6) an einer Wand (10), insbesondere einer mit Heißgas beaufschlagbaren Komponente einer Verbren­ nungsmaschine, mit einer Vielzahl keramischer Bauteile (1), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche Bauteile (1) entlang einer Längsachse (2) stabförmig gerich­ tet und mit der Längsachse (2) im wesentlichen senkrecht zur Wand (10) angeordnet sind.

9. Wärmeschutzschicht (6) nach Anspruch 8, bei der zumindest zwei benachbarte Bauteile (1) durch eine gemeinsame Halterung (9) an der Wand (10) gehaltert sind.

10. Wärmeschutzschicht (6) nach Anspruch 8 oder 9, bei der die Halterung (9) ein Kopfteil (11) aufweist, das jeweils in eine Ausnehmung (8) benachbarter Bauteile (1) eingreift.

11. Wärmeschutzschicht (6) nach Anspruch 10, wobei die Halte­ rung (9) einen Kühlkanal (12) aufweist, der bis in das Kopf­ teil (11) reicht.

12. Wärmeschutzschicht (6) nach Anspruch 11, wobei der Kühl­ kanal (12) in die Ausnehmung (8) mündet.

13. Wärmeschutzschicht (6) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei der die Halterung (9) entlang einer Längsachse (2a) ge­ richtet und mit sowie gegenüber der Wand (10) elastisch ver­ schieblich in Richtung der Längsachse (2a) verbunden ist.

14. Wärmeschutzschicht (6) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei der die Halterung (9) metallisch, insbesondere gegossen, ist.