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Publication number: DE2145595A1
Application number: DE19712145595
Authority: DE
Priority date: 1970-10-23
Filing date: 1971-09-13
Publication date: 1972-05-04
Also published as: JPS528543B1; CA962182A; US3770557A; GB1352534A

Description

Wärmeisoliermaterial, insbesondere für die Verwendung in Gasturbinen

Die Erfindung betrifft ein Wärmeisoliermaterial, insbesondere für die Verwendung in Gaskanälen von Gasturbinen.

Während Wärmeisoliermaterial für die Verwendung bei niedrigen Temperaturen in der Regel mit der zu schützenden Oberfläche durch Kleben verbunden wird, ist dieses Verfahren beim Schutz von Oberflächen gegen Einwirkung von hohen Temperaturen nicht anzuwenden. Der Grund dafür liegt insbesondere darin, daß die Wärmeausdehnung der verschiedenen Materialien nicht beherrscht werden kann. Hier ist bereits vorgeschlagen worden, zur Abdeckung von Oberflächen, die einer großen Temperatur ausgesetzt sind, ein Metallgeflecht zu verwenden, das mit der zu schützenden Oberfläche durch Schraubverbindungen verbunden ist.

Diese Konstruktionen weisen jedoch Nachteile auf. Hier sind insbesondere die Turbulenzerscheinungen zu erwähnen, die sehr nachteilig sind,

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1. September 1971

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Sitz der Gesellschaft: Köln Registergericht Köln, HRB 84 ■ Vorsitzender des Aufsichtsrates: Max Ueber - Vorstand: John A. Banning, Vorsitzender Dr Klaus B. Amedick ■ Hans-Adolf Barthelmeh - Waldemar Ebers ■ Wilhelm Inden - Alfred Langer · Hans Schaberger Stellvertretend: Horst Bergemann - Hans-Joachim Lehmann

wenn die Gase die sehr unregelmäßig geformten Oberflächen des Metallgeflechtes überstreichen. Das Metallgeflecht heizt sich auch sehr stark auf, so daß eine rasche Übertragung der Wärme zu der zu schützenden Oberfläche stattfindet. Zwar kann hier Isoliermaterial verwendet werden, doch führte das bei bekannten Anordnungen sehr rasch dazu, daß das Isoliermaterial rasch bei den herrschenden hohen Temperaturen abblätterte. Das Ergebnis der Abblätterung führte dann oft dazu, daß Kanäle innerhalb des Systems verstopft wurden.

Entsprechend ist es das Ziel der Erfindung, eine Wärmeisolierung zum Schutz von Oberflächen insbesondere in Gaskanälen von Gasturbinen vorzuschlagen, die die Nachteile bekannter Anordnungen vermeidet und in zufriedenstellenderweise ein Schutz der Oberfläche bei den herrschenden hohen Temperaturen und großen Temperaturschwankungen vornimmt, ohne daß ein Lösen von mechanischen Teilen von dem Wärmeisoliermaterial erfolgt.

Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß das Wärmeisoliermaterial aus einem Metallgitter besteht, das in Isoliermaterial eingebettet ist und daß das Metallgitter durch Befestigungsmittel mit der zu schützenden Oberfläche verbunden ist. Erfindungsgemäß kann dabei das Metallgitter gewellt ausgeführt sein, wobei Erhebungen und Täler vorzugsweise im Bereich der Kreuzungspunkte des Metallgitters vorgesehen sind.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Metallgitter nach Art eines Strickmetalls ausgebildet ist.

Erfindungsgemäß kann auch zwischen den Tälern des Metallgitters und der zu schützenden Oberfläche eine Schicht aus Isoliermaterial angeordnet sein.

Erfindungsgemäß besteht das Isoliermaterial aus einem feuerfesten Material, dessen Partikel durch einen anorganischen Binder verbunden sind.

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Dabei kann das feuerfeste Material aus einer Mischung aus Aluminiumoxyd und Kieselsäure sowie aus Bohroxyd bestellen, während kolloidales Aluminiumoxyd als Binder verwendet werden.

Es ist vorteilhaft, daß die Außenfläche des Wärmeisoliermaterials mit einer Abdeckschicht überzogen ist. Damit wird eine glattere Oberfläche des Wärmeisoliermaterials erreicht, wodurch eine Herabsetzung der Strömungswiderstände möglich ist.

Das Isoliermaterial kann, vorliegend in Form eines dicken Breies, durch Spachteln oder auf ähnliche Weise auf das Metallgitter aufgebracht wer- ■ den. Hier können viele Verfahren angewendet werden, vorausgesetzt, daß das gesamte Metallgitter von der Isoliermaterialschicht umschlossen wird. Es ist auch möglich, das Metallgitter durch den Brei hindurchzuziehen und sodann eine Aushärtung vorzunehmen.

N^:ihero Einzelheiten der Erfindung ergeben sich an Hand eines in Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles.

Es zeigt:

Figur 1 einen Querschnitt durch einen Teil einer Gasturbine, die Erfindung beinhaltend;

Figur 2 die Draufsicht auf ein Metallgitter gemäß der Erfindung; Figur 3 die Seitenansicht der Anordnung nach Figur 2;

Figur 4 einen Querschnitt durch die in einer Gasturbine angeordnete Schicht aus Wärmeisoliermaterial gemäß der Erfindung.

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Wie insbesondere aus der Figur 1 hervorgeht, ist die Wand eines Gehäuses einer Gasturbine mit 10 bezeichnet. Innerhalb des Gehäuses befindet sich eine Innenwand 12. Eine Querwand ist mit 13 bezeichnet; sie besitzt zwei Teilwände 14 und 15, die zwischen sieh einen Zwischenraum l6 einschließen. Oberhalb der Querwand 13 befindet sich ein routierender Wärmetauscher 18, der an einem Ende auf der Innenwand 12 und mit dem anderen Ende auf Wand 10 aufliegt. Ein Deckel 20 ist oberhalb des Gehäuses angeordnet und besitzt einen Vorsprung 22, der direkt oberhalb der Querwand 13 angeordnet ist. Eine Auspuffleitung 24 befindet sich auf der rechten Seite des Deckels 20.

Durch die Innenwand 12 und die linke Seite der Wand 10 wird ein Gaskanal 24 gebildet, durch den komprimierte Gase vom Kompressor der Gasturbine (nicht dargestellt) in Richtung des Pfeils 28 strömen. Diese Gase gelangen dann in einen Kanal 30, der durch einen Teil des Deckels 20 und den Vorsprung 22 gebildet wird. Die komprimierten Gase im Kanal 30 strömen dann durch den linken Teil des Wärmetauschers 18 in den Kanal 32, der durch die Innenwand 12 und die Teilwand 14 gebildet wird. Der Kanal 32 leitet dann die Gase zur Brennkammer der Gasturbine (nicht dargestellt), wo eine Vermischung mit Kraftstoff erfolgt und entsprechend eine Zündung des Gemisches vorgenommen wird.

Die heißen Gase fließen dann von der Brennkammer zu der nicht dargestellten Turbine. Die Gase verlassen die Schaufeln der Turbine durch den Kanal 34* der durch die Teilwand 15 und die rechte Seite der Wand 10 gebildet wird. Die Strömung der Gase erfolgt in Richtung des Pfeiles 36 und durch den rechten Teil des Wärmetauschers l8 durch die Auspuffleitung 24. Ein gewisser Teil der komprimierten Gase aus dem Gaskanal 26 strömt am Wärmetauscher vorbei und kühlt die Querwand 13. Diese Gase vereinigen sich dann wieder mit den Gasen im Kanal 32, bevor diese die Brennkammer erreichen.

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Der Wärmetauscher l8 ist in bekannter Weise drehbar angeordnet und überträgt die Wärme von den Gasen, die den Kanal 34 verlassen, an die Gase, die in den Kanal 32 eintreten. Üblicherweise haben die Gase in dem Gaskanal 26 eine Temperatur von etwa 200 ° C und einen Druck von etwa 4 Atmosphären. Die Gase in dem Kanal 32 haben eine Temperatur von etwa 6fjO C und einen Druck etwas oberhalb von 4 Atmosphären. Die Gase an der Teilwand 14 haben eine Temperatur von etwa 1.040 C und einen Druck etwas oberhalb von 4 Atmosphären, während die Gase in dem Kanal 34 eine Temperatur von etwa 730 C besitzen sowie einen Druck von etwas oberhalb einer Atmosphäre. Die Wand 10, die Innenwand 12 und die Querwand 13 sind üblicherweise aus Kugelgraphiteisen hergestellt. Die Strömungsgeschwindigkeiten für die Gase in diesen Kanälen schwanken zwischen 3*05 m/sek. beim Leerlauf der Turbine bis 12,2 m/sek bei maximalem Drehmoment.

Die Querwand 13 ist somit einer Situation ausgesetzt, bei der infolge der Temperatur die Festigkeit des Materials relativ klein ist. Die Querwand ist weiterhin beträchtlichen Kräften ausgesetzt, da der Druckunterschied zwischen den Drücken im Kanal 22 und im Kanal 24 beträchtlich ist. Bei einem Ausführungsbeispiel betrug etwa die dem Druckunterschied ausgesetzte Fläche etwa 1.8c
diese Fläche den Wert von 5·72ο kp.

schied ausgesetzte Fläche etwa I.806 cm , so daß die gesamte Kraft auf

An der Querwand I3 ist gemäß der Erfindung Wärmeisoliermaterial 40 auf beiden Seiten angeordnet. Wäremeisoliermaterial 40 besteht aus einem gewellten Metallgitter 42, das in Isoliermaterial 44 eingebettet ist. Die Erhebungen des gewellten Metallgitters sitzen außen, während die Täler des gewellten Metallgitters auf der Innenseite angeordnet sind. Zwischen den Tälern des Metallgitters und der zu schützenden Wand ist ebenfalls Isoliermaterial angeordnet.

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Wie insbesondere aus den Figuren 2 und 3 hervorgeht, besteht das Metallgitter 42 aus einer Vielzahl von Kreuzungspunkten 46, die miteinander durch schmale Metallstreifen 48 verbunden sind. Die Kreuzungspunkte und Metallstreifen bilden eine Vielzahl von rhombenförmigen Öffnungen 50. Das Metallgitter gemäß der Erfindung kann nach Art eines Strickmetalls in der V/eise hergestellt werden, daß in eine Metallplatte eine Vielzahl von parallellaufenden Schlitzen eingestanzt wird und die Metallplatte dann auseinandergezogen wird. Wie insbesondere aus der Figur 2 hervorgeht, erfolgt das Auseinanderziehen in Richtung des Pfeiles 52.

Nach dem Auseinander2Bihen des Metallgitters wird dieses wellenförmig hergerichtet, so daß sich Erhebungen 54 und Täler 56 bilden. Die Erhebungen 54 und Täler 56 fallen vorzugsweise mit den Kreuzungspunkten 46 zusammen. Das auf diese Weise hergestellte Metallgitter besitzt eine beachtliche Flexibilität in Richtung des Pfeiles 52. Das Metallgitter ist jedoch ausreichend stabil in Richtung des Pfeiles 58 in Figur 5.

Das auf diese Weise hergestellte Metallgitter wird sodann in Isoliermaterial 60 eingebettet, das verbunden ist mit einem Bindemittel, das aushärtbar ist, so daß sich das fertige Isoliermaterial 40 auf diese Weise bilden läßt. Das Isoliermaterial 44 kann so hergestellt werden, daß ein dicker Brei aus dem Isoliermaterial hergestellt wird und daß dann das Metallgitter durch diesen Brei gezogen wird. Auf diese Weise baut sich zwischen den Teilen des Metallgitters und oberhalb und unterhalb des Metallgitters eine ausreichend dicke Isolierschicht auf.

Die Seite 64 des Isoliermaterials wird an den Wänden 10, 12 und IjJ befestigt. Kleine Mengen von Isoliermaterial werden auf der Rückseite oberhalb von Tälern des Metallgitters entfernt, so daß kleine metallische Unterlegscheiben 66 angeordnet werden können. Schrauben 68 er-

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strecken sich durch Bohrungen in den Unterlegscheiben und befestigen das Wärmeisoliermaterial mechanisch an den zu schützenden Wänden. Nach Anordnung der Unterlegscheiben und Schrauben wird die Öffnung, durch die sich diese Teile erstreckten, wieder mit Isoliermaterial geschlossen, so daß sich eine ebene, glatte Oberfläche bildet.

Als Material für das Metallgitter kann vorzugsweise rostfreier Stahl verwendet werden, wobei die Dicke der Metallplatten etwa O,5O8 mm betragen kann. Die rombenförmigen Öffnungen 50 innerhalb des Metallgitters hatten eine Größe von 12,7 mm χ 25,4 mm. Die Metallstreifen 48 waren etwa 1,27 mm breit. Die wellenförmige Ausbildung war bei einem Ausführungsbeispiel etwa 12,7 mm lang.

Für das Isoliermaterial eignet sich insbesondere eine Mischung aus 51 Gew£ Aluminiumoxyd, 47 Gew# Kieselsäure und 0,5 Gew# Bohroxyd. Der Rest der Mischung bestand aus Eisenoxyd, Natriumoxyd und anderen anorganischen Stoffen, die mit einem kolloidalen Aluminiumoxydbinder eingesetzt werden.

Die Pasern des Isoliermaterials haben eine Länge bis zu 33,1 mm und einen Durchmesser bis zu 10 Mikron. Innerhalb des Isoliermaterials sind etwa 10 bis 40 Gev% Binder enthalten. Ein solcher Binder mit kolloidalen Eigenschaften 1st beispielsweise handelsüblich von der Firma Dupont Company USA. Der Abstand zwischen der zu isolierenden Wand und dem Metallgitter betrug bei einem Ausführungsbeispiel 0, 35 - 12,7 ran.

Es ist hier darauf hinzuweisen, daß auch Asbest, Quarz oder ähnliche faserförmige Isoliermaterialien verwendet werden können. Das Fasermaterial kann zerhackt und geschliffen werden, bis eine gewünschte Größe der Partikel gewünscht ist. Als Binder kann Äthylsilikat, wasserlösliche Silikate oder kolloidales Aluminiuraoxyd verwendet werden. Für die Verwendung bei niedrigeren Temperaturen können auch organische Bindemittel

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verwendet werden, so beispielsweise Epoxyharz, Polyamide usw. Um die Glattheit der Oberfläche zu verbessern, kann auf der Oberfläche eine Abdeckschicht 70 angebracht werden. Diese Abdeckschicht 70 deckt vorzugsweise hervorstehende Erhebungen des Metallgitters ab, ist jedoch ausreichend dünn genug, um einem Abblättern zu widerstehen.

K ine gute mechanische Befestigung des Metallgitters auf der zu schützenden Oberfläche kann durch die Verwendung von Unterlagscheiben aus rostfreiem Stahl erreicht werden. Die Abmessungen der Unterlagscheiben betragen vorzugsweise 6,25 χ 25Λ rom» sie sind in einem Abstand zwischen 152 mm bis 203 n»n angeordnet. Die Befestigung erfolgt durch Schrauben von etwa 3 mn Querschnittsdurchmesser. Neben rechteckigen Unterlagscheiben können auch runde Unterlagscheiben verwendet werden.

Selbstverständlich ist es Jedoch auch möglich, das Metallgitter auf andere Weise an der zu schützenden Oberfläche zu befestigen.

Abweichungen von der Erfindung sind möglich, sofern der Erfindungsgedanke nicht verlassen wird.

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Claims

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Pn tent ans pri iehe

Ti) Vv'ärmeisoliermaterial, insbesondere für die Verwendung in Gaskanälen von Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeisoliermaterial (40) aus einem Metallgitter (42) besteht, das in Isoliermaterial (44) eingebettet ist und daß das Metallgitter (42) durch Befestigung mit der zu schützenden Oberfläche verbunden ist.
2. Wärmeisoliermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennze Ichnet, daß das Metallgitter (42) gewellt ausgeführt ist, wobei Erhebungen (54) und Täler (5b) vorzugsweise im Bereich der Kreuzungspunkte (46),des Metellgitters (42) vorgesehen sind.
3· Wärmeisoliermaterial nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallgitter (42) streckmetallartig ausgebildet ist.
4. Wärmeisoliermaterial nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den Tälern (56) des Metallgitters (42) und der zu schützenden Oberfläche eine Schicht aus Isoliermaterial (6o) angeordnet ist.
5· WürmeJsrtliermaterial nach Anspruch 1 bis 4, dadurch Gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial (44, oO) aus feuerfestem Material besteht, dessen Partikel durch einen anorganischen Binder verbunden sind.
6. Wärmeisoliermaterial nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennze ichnet , daß das feuerfeste Material aus einer Mischung aus Aluminiumoxyd, Kieselsäure und Boroxyd besteht, während kolloidales Aluminiumoxyd als Binder dient.

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7· Warmeisoliermaterial nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Außenfläche des Wärmeisolationsmaterials (4o) mit einer Abdeckschicht (70) überzogen ist.

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