DE19920655A1 - Hochtemperaturisolation - Google Patents

Abstract

Die bis jetzt für die Aus- und/oder Verkleidungen von Bauteilen (6) verwendeten Hochtemperaturisolationen (1) werden durch die in einem heißen strömenden Medium (100) mitgeführten Teilchen sehr schnell abgetragen, bzw. durch zu große und schnelle Temperaturänderungen beschädigt. Die erfindungsgemäße Hochtemperaturisolation (1) weist diesen Nachteil nicht auf. Sie hat einen Aufbau, der mehrschichtig ausgebildet ist. Die erste Schicht (2), die mit dem heißen Medium (100) in Kontakt steht, ist gegen den Abrieb durch Teilchen, gegen große Hitze sowie gegen große und schnelle Temperaturschwankungen widerstandsfähig. Die unmittelbar daran angrenzende zweite Schicht (3, 31, 32) ist aus einem stabilen und kriechfesten Werkstoff gefertigt, welche die dritte Schicht (4) unter gewissen Bedingungen alleine schützen kann. Die dritte Schicht (4) ist aus einem thermisch isolierenden Werkstoff hergestellt, der das Bauteil (6) in optimaler Weise vor Hitze und den korrosiven Einwirkungen eines heißen strömenden Mediums (100) schützen kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochtemperaturisolation gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Hochtemperaturisolation wird beispielsweise bei der Aus- oder Verkleidung von Bauteilen verwendet, durch die heiße strömende Medien geleitet werden, oder die mit solchen Medien in einem direkten Kontakt stehen. Beispiele hierfür sind die Brenn­ kammern bzw. die inneren Bauelemente von Gasturbinen.

Die bis jetzt als Hochtemperaturisolationen verwendeten feuerfesten Steine sind nicht ausreichend thermoschockfest. Sie werden in einer Zeit, die wesentlich kürzer ist, als die Lebensdauer einer solchen Brennkammer, durch die hohen und schnellen Tempe­ raturänderungen zerstört, welche in diesen Brennkammern auftreten.

Feuerfeste thermische Isolationen aus keramischen Fasern sind nicht ausreichend erosionsfest. Sie werden von den Teilchen, die von heißen strömenden Gasen mit­ geführt werden, sehr schnell abgetragen, so daß sie keine große Lebensdauer haben.

Ferner ist die Verwendung von keramischen Schutzkacheln als Hochtemperaturisola­ tion bekannt, die einen inneren Bereich aufweisen, der aus keramischen Fasern gefer­ tigt ist. Von Nachteil ist hierbei, daß die äußere Struktur dieser Kacheln sehr oft be­ schädigt wird. Damit verliert auch der innere Bereich dieser Kacheln sehr schnell seine Isolationswirkung, da die Fasern bei Temperaturen oberhalb 1300°C verspröden und zudem schnell von Teilchen abgetragen werden, die in einem heißen strömenden Me­ dium enthalten sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochtemperaturisolation zu schaffen, die gegen das Abtragen durch Teilchen, gegen hohe und schnelle Temperatur­ schwankungen und große Hitze widerstandsfähig und damit in der Lage ist, ein Bauteil optimal gegen diese zerstörenden Einwirkungen zu schützen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Hochtemperaturisolation kann in Bauelementen verwendet werden, die von strömenden Medien beaufschlagt werden, deren Temperaturen bis 1500°C betragen können. Die erfindungsgemäße Hochtemperaturisolation hat einen mehrschichtigen Aufbau, der wenigstens drei Schichten umfaßt. Eine erste Schicht be­ steht aus Fasern, die beispielsweise aus Al₂O₃ gefertigt sind. Sie hat direkten Kontakt mit dem zu schützenden Bauteil. An diese Schicht schließt sich eine zweite Schicht aus einem mechanisch stabilen und kriechfesten keramischen Schaum an. Die beiden erst genannten Schichten werden vorzugsweise über einen Kleber miteinander ver­ bunden. Den Abschluß bildet eine Schicht aus einer Strukturkeramik. Sie kann in Form einer Schutzkachel ausgebildet sein, ihre Außenfläche steht mit dem heißen strömen­ den Medium in direktem Kontakt. Wenn diese Schicht beschädigt wird, und damit ihre Schutzfunktion nicht mehr wirksam ist, übernimmt die darunter befindliche Schicht aus Schaumkeramik die erosions- und thermoschockstabiliserenden Funktion dieser äu­ ßeren Schicht. Diese Schicht sorgt dafür, daß die im Normalbetrieb einer Brennkam­ mer auftretenden Gasströme kein Material aus der darunterliegenden Schicht abtragen können. Der Schutz dieser Schicht wirkt bei einer Beschädigung der äußeren Schicht mindestens bis zur nächsten Inspektion, die bei solchen Hochtemperaturisolationen in definierten zeitlichen Abschnitten vorgenommen werden. Die Hochtemperaturisolation wird mit Hilfe eines zentralen Bolzens an der jeweils zu schützenden Be­ grenzungsfläche, beispielsweise der Innenwand einer Brennkammer, befestigt. Die Hochtemperaturisolation und die Begrenzungsfläche sind mit je einer Öffnung verse­ hen, die miteinander Fluchten. Durch diese Öffnungen wird der aus einem kerami­ schen Werkstoff gefertigte Bolzen gesteckt. Der Bolzen ist mit Ringen versehen, die in definierten Abständen voneinander in Ebenen senkrecht zu seiner Längsachse ange­ ordnet sind. Diese Ringe sind ebenfalls aus einem keramischen Werkstoff gefertigt. Sie verhindern, daß heiße Gase entlang des Bolzen bis in den Innenbereich der Hochtem­ peraturisolation bzw. bis zu den Begrenzungsflächen des zu schützenden Bauteils ge­ langen können. Sie halten zudem die Hitze vom Innenbereich der Hochtemperaturiso­ lation und dem Bauteils fern. Die zwischen den Ringen und der Hochtemperaturisolati­ on verbleibenden Räume können zusätzlich mit einem Isolationsmaterial aus Fasern ausgespritzt werden. Dadurch wird die thermische Isolationswirkung in diesem Bereich noch verbessert wird. Jeder Bolzen ist an seinem ersten Ende nach außen zu konisch verbreitert. Der Rand dieses ersten Endes wird gegen die als Schutzkachel ausgebil­ dete Schicht gepreßt. Damit wird eine vollflächige Verbindung zwischen der Schutzka­ chel und der zweiten Schicht der Hochtemperaturisolation erreicht. Der Bolzen ist an seinem zweiten Ende ist mit einem Verankerungselement versehen. Dieses wird in ei­ ner Muffe angeordnet, und dort mit Hilfe einer Feder gehalten. Die Muffe wird auf der Rückseite der Begrenzungsfläche installiert, die von der Hochtemperaturisolation überdeckt ist. Mit Hilfe des so befestigten Bolzens wird erreicht, daß die Hochtempe­ raturisolation vollflächig an der zu schützenden Begrenzungsfläche anliegt. Gleichzeitig werden die Schichten der Hochtemperaturisolation so gehalten, daß auch bei starken Vibrationen eine Verschiebung der Schichten ausgeschlossen ist. Es wird damit si­ chergestellt, daß sich die Schichten nicht gegenseitig abreiben.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand schematischer Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Hochtemperaturisolation, die an einem Bauteil befestigt ist, im Ausschnitt,

Fig. 2 eine Variante der erfindungsgemäßen Hochtemperaturisolation.

Die in Fig. 1 im Ausschnitt dargestellte Hochtemperaturisolation 1 ist aus drei Schichten 2, 3 und 4 aufgebaut. Sie wird mit Hilfe eines zentral angeordneten Bolzens 5 an der Begrenzungsfläche 6F eines Bauteil 6 befestigt, das beispielsweise als Brennkammer einer Gasturbine (hier nicht dargestellt) ausgebildet ist. Die Schichten 2, 3 und 4 sind in Form eines Stapels angeordnet. Die Schicht 2 bildet die Begrenzung der Hochtempe­ raturisolation 1 nach außen. Ihre Oberfläche 2S steht mit einem strömenden Medium 100, beispielsweise einem heißen Gas in direktem Kontakt, welches durch das Bauteil 6 geleitet wird. Die Schicht 2 ist korrosion- und thermoschockbeständig. Sie ist aus ei­ ner Strukturkeramik oder Ingenieurkeramik gefertigt. Für die Herstellung der Schicht 2 werden Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder ein Komposit auf der Basis von Si-C-B-N Fa­ sern und eine hochtemperaturbeständige Matrix verwendet. Solche Werkstoffe sind gegenüber wiederholten Abkühlraten von mehr als 30 K/s sehr beständig. Die Schicht 2 ist zum Schutz der nachfolgenden Schichten vorgesehen. Erst wenn sie beschädigt ist, übernimmt die darunterliegende Schicht 3 die Schutzfunktion für die Schicht 4. Die­ se wird aus einem keramischen Schaum hergestellt, dessen Porosität 60% bis 90% beträgt. Für die Herstellung der Schicht 3 kann auch eine Reticulärkeramik in Form ei­ nes Schaums mit offenen Poren verwendet werden. Vorzugsweise wird ein Schaum verwendet, der einen Anteil an Al₂O₃ von mehr als 70% aufweist. Für die Fertigung der Schicht 3 kann auch ein Schaum verwendet werden, der einen Anteil an ZrO₂ von mehr als 70% hat. Ein Schaum aus einer Legierung, die aus Al₂O₃ und ZrO₂ besteht, kann ebenfalls zur Ausbildung der Schicht 3 verwendet werden. Ein Schaum aus Mullit eignet sich ebenfalls für die Herstellung der Schicht 3. Selbstverständlich kann auch ein anderer Schaum mit den gleichen Eigenschaften verwendet werden. In jedem Fall muß sichergestellt werden, daß die Schicht 3 integral eine thermische Leitfähigkeit von weniger als 2 W.m^-1.K^-1 aufweist. Zwischen der Schicht 3 und der Schicht 4 ist eine sehr dünne Zwischensicht 7 angeordnet, über welche die beiden Schichten 3 und 4 stoffschlüssig verbunden sind. Es handelt sich dabei um einem keramischen Kleber, der als Füllstoff Al₂O₃ oder ZrO₂ enthält. Die stoffschlüssige Verbindung der beiden Schichten 3 und 4 hat den Vorteil, daß ein komplettes nicht mehr verrückbares und trennbares Isolationspaket aus diesen beiden Schichten 3 und 4 vorgefertigt werden kann. Eine Verbindung der beiden Schichten 3 und 4 mit Hilfe von formschlüssigen Mitteln wie Nuten und Federn ist selbstverständlich auch möglich. Die Schicht 4 wird aus einem hoch thermischen und isolierenden Werkstoff gefertigt. Vorzugsweise be­ steht die Schicht 4 aus einer gegossenen keramischen Faserisolation auf der Basis von Al₂O₃. Für die Herstellung der Schicht 4 wird ein Material gewählt, dessen thermi­ sche Leitfähigkeit bei Raumtemperatur kleiner als 0,3 W.m^-1.K^-1 ist. Für die Ausbildung der vollständigen Hochtemperaturisolation 1 muß dann nur noch die nach außen be­ grenzende Schicht 2 auf dem Stapel der Schichten 3 und 4 angeordnet werden. Die erfindungsgemäße Hochtemperaturisolation 1 wird mit Hilfe eines zentral angeordne­ ten Bolzens 5, der aus einem keramischen Material gefertigt ist, an der Begrenzungs­ fläche 6F des Bauteils 6 befestigt. Der Bolzen 5 ist an seinem ersten Ende 5A, das mit dem heißen, strömenden Medium 100 in Kotakt steht, nach außen zu konisch verbrei­ tert. Um den Bolzen 5 senkrecht durch die Hochtemperaturisolation 1 bis zur Rückseite der Begrenzungsfläche 6F des Bauteils 3 führen zu können, sind die Hochtemperatu­ risolation 1 und die Begrenzungsfläche 6F mit jeweils einer durchgehenden Öffnung 7 vorgesehen. Die beiden Öffnungen 7 sind so angeordnet, daß sie miteinander fluchten. Der Teil des Bolzens 5, der innerhalb der Öffnungen 7 angeordnet ist, ist in definierten Abständen von Ringen 5R aus Keramik umgeben. Diese sind in Ebenen senkrecht zur Längsachse des Bolzens 5 angeordnet. Die Ringe 5R sind fest mit dem Bolzen 5 ver­ bunden und weisen einen Durchmesser auf, der an den Durchmesser der Öffnungen 7 angepaßt ist. Diese Ringe 5R haben die Aufgabe das Medium 100 am Eindringen in die Öffnungen 7 zu hindern, und die Schichten 2, 3 und 4 und das Bauteil 3 vor Hitze und einer Beschädigung durch das Medium 100 zu schützen. Einen zusätzlichen Schutz bildet das konisch verbreiterte erste Ende 5A des Bolzens 5. Falls es erfor­ derlich ist, können insbesondere zum Schutz der Schichten 3 und 4 die Räume 8, die zwischen den Ringen 5R bzw. dem ersten und dem zweiten Ende des Bolzens 5 ver­ bleiben mit einem isolierenden Fasermaterial ausgefüllt werden. Für eine dauerhaft und feste Verbindung des Bolzens 5 mit dem Bauteil 3 ist der Bolzen 5 an seinem zweiten Ende 5B mit einem Verankerungselement 5K vorgesehen. Das Verankerung­ element 5K wird mit Hilfe einer Feder 9 in vorgespanntem Zustand innerhalb einer Muffe 10 gehalten. Die Muffe 10 ist auf der Rückseite der Begrenzungsfläche 6F an­ geordnet. Dort wird das Verankerungselement 5K mit Hilfe der Feder 9 in einer vorge­ spannten Position gehalten, derart, daß die Schicht 2 fest gegen die Schicht 3 gepreßt und die gesamte Hochtemperaturisolation 1 ebenfalls vollflächig an der Begrenzungs­ fläche 6F anliegt. Die Schicht 2 ist im Bereich der Öffnung 7 so geformt, daß sie die Schicht 3 teilweise oder vollständig überdeckt. Damit wird ein zusätzlicher Schutz für diese Schicht 3 erreicht. Die Verbindungen der Schichten 2, 3 und 4 mit einander so­ wie die Befestigung der Hochtemperaturisolation 1 an der Begrenzungsfläche 6F sind so ausgelegt, daß ein Verschieben der Schichten 2, 3, 4 gegeneinander oder ein Ver­ rutschen der Hochtemperaturisolation 1 auf der Begrenzungsfläche 6F auch bei sehr starken Vibrationen ausgeschlossen ist. Das Abtragen der Schichten 2, 3, 4 durch Rei­ bungskräfte wird damit verhindert.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Hochtemperaturisolation 1 wird abweichend von dem in Fig. 1 dargestellten und in der zugehörigen Beschreibung erläuterten Ausführungsbei­ spiel die Schicht 3 durch zwei Schichten 31 und 32 ersetzt. Die erste Schicht 2, welche mit dem heißen strömenden Medium 100 in Kontakt steht, ist auch hierbei so ausgebil­ det, wie in der Beschreibung zu Fig. 1 erläutert. Wird die Hochtemperaturisolation 1 nur Anwendungen unterzogen, bei denen die Abkühlgeschwindigkeiten kleiner 30 K/s sind und die Temperatur des strömenden Medium 100 unterhalb von 1450°C liegt, kann die Schicht 2 auch weggelassen werden. Die beiden Schichten 31 und 32, haben unter­ schiedliche Funktionen. Die Schicht 31 ist so gefertigt, daß sie gegenüber schnellen Abkühlungsgeschwindigkeiten beständig ist, während die zweite Schicht 32 so gefertigt ist, daß sie kriechfest ist. Die Schicht 31 wird aus ZrO₂ oder einer Al₂O₃-ZrO₂ Legierung gefertigt. Damit die Schicht 32 die gewünschte Kriechfestkeit aufweist, wird sie aus ei­ nem Material hergestellt, das zu mehr als 90% aus Al₂O₃ besteht. Die Schichten 31 und 32 können stoffschlüssig mit einem keramischen Kleber 7A, der ein oxidisches Füllmaterial enthält, aneinander gefügt werden. Andererseits ist es auch möglich, die beiden Schichten 31 und 32 formschlüssig mit Hilfe von Nuten oder Stiften (hier nicht dargestellt) zu verbinden, und gegen ein Verdrehen zu sichern. An die Schicht 32 schließt sich die Schicht 4 an. Sie ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem hoch thermischen und isolierenden Werkstoff in Form einer keramischen Faserisolation auf der Basis von Al₂O₃ gefertigt. Der verwendete Werkstoff sollte in jedem Fall eine thermische Leitfähigkeit aufweisen, die bei Raumtemperatur kleiner als 0,3 W.m^-1.K^-1 ist. Für die Ausbildung der vollständigen Hochtemperaturisolation 1 ist nun noch die nach außen begrenzende Schicht 2 auf dem Stapel der Schichten 31, 32 und 4 anzu­ ordnen. Die erfindungsgemäße Hochtemperaturisolation 1 wird auch hierbei mit Hilfe eines zentral angeordneten Bolzens 5 mit der Begrenzungsfläche 6F des Bauteils 6 verbunden. Die Verbindung erfolgt auch hierbei wie in der zu Fig. 1 gehörenden Be­ schreibung erläutert.

Claims (16)

1. Hochtemperaturisolation für die Aus- oder Verkleidung von Bauteilen (6), die mit heißen strömenden Medien (100) in einem direkten Kontakt stehen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens ein mehrschichtiger Aufbau vorgesehen ist, dessen er­ ste mit dem heißen Medium (100) in Kontakt stehend Schicht (2) aus einem gegen Abtragung, Hitze sowie gegen große und schnelle Temperaturschwankungen wider­ standsfähigen Werkstoff gefertigt ist, während die unmittelbar angrenzende Schicht (3) aus einem stabilen und kriechfesten Werkstoff besteht, und daß die unmittelbar an das Bauteil (6) angrenzende Schicht (4) aus einem thermisch isolierenden Werkstoff her­ gestellt ist.

2. Hochtemperaturisolation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (2) aus einer Strukturkeramik oder Ingenieurkeramik besteht, die aus Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder einem Komposit auf der Basis von Si-C-B-N Fasern und einer hochtemperaturbeständigen Matrix hergestellt ist.

3. Hochtemperaturisolation nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweite Schicht (3) aus einem keramischen Schaum, dessen Porosität 60% bis 90% beträgt oder einer Reticulärkeramik in Form eines Schaums mit offenen Poren gefertigt ist.

4. Hochtemperaturisolation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweite Schicht (3) aus einem Schaum gefertigt ist, bei dem der Anteil an Al₂O₃ mehr als 70% beträgt.

5. Hochtemperaturisolation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweite Schicht (3) aus einem Schaum gefertigt ist, bei dem der Anteil an ZrO₂ mehr als 70% beträgt.

6. Hochtemperaturisolation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweite Schicht (3) aus einem Schaum gefertigt ist, der aus einer Legierung besteht, die sich aus Al₂O₃ und ZrO₂ zusammensetzt.

7. Hochtemperaturisolation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweite Schicht (3) aus einem Schaum gefertigt ist, der aus Mullit besteht.

8. Hochtemperaturisolation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweite Schicht in zwei Teilschichten (31 und 32) unterteilt ist, und daß die beiden Teilschichten (31 und 32) stoffschlüssig mit einem keramischen Kleber (7A), der ein oxidisches Füllmaterial enthält, aneinander gefügt sind oder form­ schlüssig mittels Nuten oder Stiften mit einander verbunden sind.

9. Hochtemperaturisolation nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (31) aus ZrO₂ oder einer Al₂O₃-ZrO₂-Legierung gefertigt ist.

10. Hochtemperaturisolation nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (32) aus einem Material gefertigt ist, das zu mehr als 90% aus Al₂O₃ besteht.

11. Hochtemperaturisolation nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schicht (4) aus einer keramischen Faserisolation auf der Basis von Al₂O₃ besteht, deren thermische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur kleiner als 0,3 W.m^-1.K^-1 ist.

12. Hochtemperaturisolation nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schichten (3 und 4), sowie die Schichten (4 und 32) über eine Zwischenschicht (7, 7B) in Form eines keramischen Klebers, der als Füllstoff Al₂O₃ oder ZrO₂ enthält, dauerhaft miteinander verbunden sind.

13. Hochtemperaturisolation nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die Verbindung der Hochtemperaturisolation (1) mit dem Bauteil (6) ein zentral angeordneter Bolzen (5) vorgesehen ist, der durch jeweils eine Öffnung (7) in der Hochtemperaturisolation (1) und dem Bauteil (6) gestellt und mit seinem zweiten Ende in einem vorgespannten Zustand in einer Muffe (10) gehalten ist, welche auf der Rückseite des Bauteils (6) angeordnet ist.

14. Hochtemperaturisolation nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Bolzen (5) aus einem keramischen Werkstoff gefertigt und an seinem ersten Ende (5A) nach außen konisch verbreiterten und wenigstens mit dem Rand des ersten Endes (5A) gegen die Oberfläche (2S) der ersten Schicht (2) gepreßt ist.

15. Hochtemperaturisolation nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Bolzen (5) an seinem zweiten Ende (5B) mit einem Veranke­ rungselement (5K) versehen ist, das mittels einer Feder (9) in der Muffe (10) gehalten ist.

16. Hochtemperaturisolation nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in definiertem Abstand voneinander keramische Ringe (5R) in Ebe­ nen senkrecht zur Längsachse des Bolzens (5) angeordnet und fest mit dem Bolzen (5) verbunden sind, und daß die verbleibenden Räume (8) zwischen dem Bolzen (5) und den Schichten (2, 3, 31, 32 und 4) mit einem Fasermaterial ausgefüllt sind.