DE3112839A1

DE3112839A1 - "hitzeschild"

Info

Publication number: DE3112839A1
Application number: DE19813112839
Authority: DE
Inventors: Toshio Komae Abe; Hiroshi Zama Ishikawa; Shigeo Hachioji Suhara
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1980-04-02
Filing date: 1981-03-31
Publication date: 1982-01-07
Also published as: DE3112839C2; GB2075659B; US4441324A; JPS56141496A; JPS5857658B2; GB2075659A

Description

Hitzeschild

Die Erfindung betrifft ein Hitzeschild aus Keramikblöcken zum Schutz der Oberfläche von Wandungen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Anordnung zur Anbringung von Keramikblöcken an zu schützenden Wandungen.

Bei Vorrichtungen mit Wandflächen, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden, beispielsweise der Innenwand der Brennkammer einer Gasturbine, ist es bekannt, zum Schutz der Wandoberfläche gegen die hohen Temperaturen und zur Erhaltung ihrer mechanischen Festigkeit die Wandoberfläche mit Keramikblöcken abzudecken. Zur Befestigung der Keramikblöcke ist es allgemein üblich, keilförmige Tragnuten in axialer Richtung in die Oberfläche der Kammerwand einzuschneiden und in diese Nuten keilförmige Vorsprünge bzw. Tragrippen einzubringen, die sich an den Keramikblöcken befinden. In der Praxis tritt jedoch oft der Fall auf, daß einige der keilförmigen Tragrippen nicht in die Nuten eingebracht werden können und daß selbst dann, wenn die Rippen in die Nuten passen, sich ein verhältnismäßig großes Spiel ergibt. Demgemäß ist es erforderlich, aus einer Anzahl von Keramikblöcken diejenigen auszuwählen, die mit einem kleinen Spiel in die Nuten passen. Der Zusammenbau der Keramik-

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blöcke ist deshalb oft sehr mühsam, weil der Wärmeausdehnungskoeffizient des die Kammerwand bildenden Metalls und

und es derjenige der Keramikblöcke unterschiedlich ist, /ergibt sich häufig während der Erhitzung in der Anordnung infolge der stärkeren Wärmeausdehnung der Kammerwand bezüglich der Wärmeausdehnung der Keramikblöcke ein Spiel, und zwar selbst dann, wenn ursprünglich die Tragrippen der Keramikblöcke exakt in die Nuten der Kammerwand eingepaßt worden sind.

Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Schaffung einer Befestigung für die Keramikblöcke, die frei von den erwähnten Nachteilen ist, nämlich frei ist von den Schwierigkeiten der Anbringung der Keramikblöcke an der zu schützenden Wand und vom Auftreten eines Spiels in der Anordnung infolge von Wärmeausdehnung .

Ausgehend von der eingangs erwähnten Anordnung besteht die Lösung dieser Aufgabe darin, daß zwischen jedem Verbindungspaar eines keilförmigen Tragkörpers und eines keilförmigen Gegenkörpers ein Spiel gewählt ist, das zwar klein genug ist, ein Auseinanderfallen der beiden Verbindungsteile zu verhindern, jedoch eine Bewegung der Keramikblöcke gegenüber der Wandoberfläche erlaubt, und daß eine öffnung für eine Luftzuführung in jedem keilförmigen Tragkörper vorgesehen ist, so daß jeder keilförmige Gegenkörper durch den Druck der zugeführten Luft so belastet wird, daß er im keilförmigen Tragkörper festgehalten wird, mit der Folge, daß die Keramikblöcke auf der Wandoberfläche festgehalten werden.

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Auf der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 perspektivische Teilansichten einer inneren Kammerwand einer Gasturbine, die gemäß dem Stand der Technik gegen hohe Temperaturen durch Keramikelemente geschützt ist,

Fig. 3, Ansichten einer Ausführungsform nach der Erfindung, 4 u 5

wobei in Fig. 3 zur Sichtbarmachung der inneren Wandfläche einige Keramikblöcke weggenommen sind, Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt nach der Linie A-A¹ von Fig. 3 darstellt und Fig. 5 schließlich ebenfalls ein vergrößerter Schnitt nach der Linie A-A¹ ist, jedoch die Betriebsstellung darstellt, und

Fig. 6, vergrößerte Teilschnitte zur Erläuterung einer wei^u" teren Ausführungsform der Erfindung.

Um die Unterschiede zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik klar herauszustellen, soll zunächst anhand der Figuren 1 und 2 eine Ausführungsform nach dem Stand der Technik erläutert werden.

Bei Vorrichtungen, deren Innenwand hohen Temperaturen ausgesetzt ist, beispielsweise die Innenwand der Brennkammer einer Gasturbine, ist es bekannt, die Innenwand dadurch gegen hohe Temperaturen zu schützen und so deren mechanische Festigkeit zu erhalten, daß die Oberfläche der Wandung des Kammergehäuses 1 mit Keramikblöcken 2 abgedeckt wird, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 3 ein Zylin-

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der bezeichnet, und das Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Kühlluft-Durchgang. Für die Anbringung der Keramikblocke 2 ist es allgemein üblich, in die innere Oberfläche der Kammerwand 1 keilförmige Tragnuten 5 einzuformen, die in axialer Richtung verlaufen und in die keilförmige Tragrippen 6 eingreifen, die sich an den Keramikblöcken 2 befinden, wie dies in der vergrößerten Ansicht von Fig. 2 zu sehen ist. Die Blöcke 2 können beispielsweise aus gesintertem Zirkon bestehen. Bei dieser Art der Verbindung ist es notwendig, darauf zu achten, daß die Keramikblöcke 2 an der inneren Oberfläche der Kammerwand mit einem so minimalen Spiel wie nur möglich befestigt sind, was bedeutet, daß die Größentoleranzen der Tragrippen 6 der Keramikblöcke 2 und der Keilnuten 5 der Kammerwand äußerst klein gehalten werden müssen. In der Praxis ist es jedoch äußerst schwierig, derart strengen Toleranzforderungen nachzukommen, und deshalb tritt öfter in der Praxis der Fall ein, daß die keilförmigen Tragrippen 6 nicht in die Keilnuten passen, oder aber, wenn die Rippen in die Nuten passen, es zu einem sehr großen Spiel kommt. Diese Schwierigkeiten stellen einen wesentlichen Nachteil der diesbezüglichen Einrichtungen nach dem Stand der Technik dar.

Nachfolgend soll nun eine Ausführungsform nach der Erfindung anhand der Figuren 3, 4 und 5 dargestellt werden. Fig. stellt dabei eine Draufsicht auf die Oberfläche der Kammerwand der Brennkammer einer Gasturbine dar, wobei einige Keramikblöcke weggenommen sind. Die Fig. 4 und 5 sind vergrößerte Teilschnitte nach der Linie A-A¹ von Fig. 3, wobei die Fig.

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den Betriebszustand verkörpert. Für gleiche Teile sind dieselben Bezugszeichen verwendet wie bei den Fig. 1 und 2. So bezeichnet in Fig. 3 das Bezugszeichen 1 eine Kammerwand und das Bezugszeichen 2 Keramikblöcke/ welche an der Kammerwand 1 befestigt sind, und zwar dadurch, daß die keilförmigen Tragrippen 6 der Keramikblöcke 2 in die keilförmigen Nuten 5 der inneren Oberfläche der Kammerwand eingebracht sind. Bei der vorliegenden Erfindung sind jedoch, wie nachfolgend näher erläutert wird, zusätzliche Maßnahmen zur Befestigung der Keramikblöcke getroffen, um so den Zusammenbau zu erleichtern.

Zunächst ist wesentlich, daß die keilförmigen Tragrippen 6 kleinere Abmessungen besitzen als die keilförmigen Tragnuten 5, so daß sich beim Zusammenbau zwischen den Teilen ein Spiel

7 ergibt, wobei dieses Spiel 7 lediglich so klein sein muß, daß ein Herausfallen der Keilrippen 6 aus den Keilnuten 5 verhindert wird (Fig. 4). Die Größe der Keramikblöcke 2 ist so gewählt, daß sie beim Zusammenbau untereinander einen bestimmten Abstand einhalten, wie dies in den Fig. 3 und 4 bei

8 angedeutet ist. Bei dieser Anordnung wird gemäß Fig. 5 die Oberfläche der Keilrippen 6 in radialer Richtung der Kammerwand 1 belastet, wodurch dann die linke und die rechte Seitenwand der Tragrippen 6 gegen die linke und rechte innere Seitenfläche der Keilnut 5 gepreßt werden, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, wodurch die Rippen festgehalten werden. Weiterhin sind eine oder mehrere Kühlluft-Zuführbohrungen 9 vorgesehen, über die der vorerwähnte Kühlluft-Durchgang 4 mit den keilförmigen Tragnuten 5 in Verbindung steht, wobei die

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Bohrungen 9 in die Kammerwand 1 eingeformt sind und sich benachbart dem Mittelpunkt jedes Keraiuikblocks 2 durch die Wand 1 hindurch erstrecken, wie dies aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht. Kühlluft wird über die erwähnten Zuführbohrungen der Tragnut 5 zugeführt, womit auf die Oberfläche der Tragrippe 6 ein Druck ausgeübt wird, und zwar in der in Fig. 5 durch einen Pfeil angedeuteten Richtung.

Aufgrund des erwähnten Spiels zwischen den Tragnuten 5 und den Tragrippen 6, wobei letztere durch den Druck der Kühlluft gegen die inneren Seitenwände der Tragnuten 5 belastet wird, ergibt sich für den Zusammenbau der Keramikblöcke mit der Kammerwand ein äußerst einfacher Vorgang_/ und darüberhinaus werden die Herstellungskosten wesentlich gesenkt, weil keine strengen Forderungen an die Maßhaltigkeit gestellt werden müssen. Selbst dann,wenn sich die keilförmige Tragnut 5 durch Hitzeausdehnung vergrößert,wird der Keramikblock 2 bzw. seine Keilrippe 6 durch den Druck der Kühlluft so belastet, daß sich die Seitenwände der Rippe gegen die Seitenwände der Nut 5 legen, wodurch eine Lockerung der Verbindung und ein Lösen des Keramikblocks aus der Nut verhindert wird. Wenn der Keramikblock 2 durch die Kühlluft belastet wird, ergibt sich gemäß der Erfindung von selbst ein Luftspalt 10 zwischen der Oberfläche der Keilrippe 6 und dem Boden der Keilnut 5; außerdem ergibt sich ein Luftspalt 11 zwischen der inneren Oberfläche der Wandung 11, in welcher sich keine Tragnut 5 befindet, und der Rückseite des Keramikblocks 2. Die thermische Abschirmung durch die Keramikblöcke 2 wird

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somit noch zusätzlich gesteigert durch die Luftspalte 10 und 11, was die Abschirmung der Wand 1 gegenüber hohen Temperaturen wesentlich verbessert. Darüberhinaus wirkt der Luftspalt 10 als pneumatische Feder, die einen auf den Keramikblock ausgeübten Stoß abzufangen vermag.

Bei dem eben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Keilnut 5 in die Oberfläche der zu schützenden Wandung eingeschnitten. Es ist aber auch möglich, an der Wandoberfläche zwei Halterungsstücke 12 mit im wesentlichen L-förmigen Querschnitt zu befestigen, derart, daß sie eine keilförmige Aufnahme bilden, wie dies im Schnitt von Fig. 6 dargestellt ist. Bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel befinden sich die keilförmigen Tragnuten 5 in der Wandung 1 und die keilförmigen Tragrippen 6 an den Keramikblöcken 2; es ist aber auch möglich, die Anordnung umzukehren, also die Nuten an den Blöcken und die Rippen an der Wandung anzubringen. Weiterhin sind beim obigen Ausführungsbeispiel die Keramikblöcke 2 so geformt, daß sie sich der gekrümten Oberfläche der Wandung 1 anpassen; es ist aber auch möglich, die Oberfläche der Wandung 1 mehreckig auszubilden, so daß flache Oberflächenbereiche entstehen, an denen dann Keramikblöcke 2 ebener, plattenartiger Gestalt befestigt werden. Ferner ist es beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel so, daß die Keramikblöcke an der Kammerwand der Brennkammer einer Gasturbine befestigt werden; die Erfindung ist aber auch mit großem Vorteil dann anwendbar, wenn beispielsweise die Schaufel der Gasturbine oder die hohen Temperaturen ausgesetzten Wandflächen eines MHD-Generators geschützt werden sollen. Schließlich

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wird bei dem vorerwähnten Ausführungsbeispiel Kühlluft dazu herangezogen, die Keramikblöcke 2 entsprechend zu belasten; bei einer Vorrichtung ohne Kühlluftquelle oder bei Anwendungen, wo zwar eine Kühlluftquelle vorhanden, jedoch schwierig für den vorliegenden Zweck zu verwenden ist, kann man so vorgehen, daß eine gesonderte Luftquelle vorgesehen wird.

Die Ausführungsbeispiele zeigen, daß die Erfindung für hohen Temperaturen ausgesetzte Wandflächen ein Hitzeschild schafft, dessen Keramikblöcke schnell und einfach an der zu schützenden Wand angebracht werden können.

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Leer^elte

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 ./ Hitzeschild aus Keramikblöcken zum Schutz von hohen Temperaturen ausgesetzten Wandflächen, wobei an der Wandfläche und an den Keramikblöcken keilförmige Aufnahmen und keilförmige Vorsprünge angeordnet sind, derart, daß zwischen der Wandfläche und den Keramikblöcken Verbindungen in Art einer Feder-Nut-Verbindung vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden keilförmigen Elementen (5, 6) jeder Verbindung ein Spiel (7) vorgesehen ist, das einerseits eine Lösung der Verbindung verhindert, andererseits eine Bewegung der Keramikblöcke (2) gegen die Wand (1) erlaubt, und daß in jede keilförmige Verbindungsaufnahme (5) ein Luftzuführungskanal (9) mündet, womit die keilförmigen Vorsprünge (2) durch den Druck zugeführter Luft so belastbar sind, daß sie in den keilförmigen Aufnahmen (5) festhaltbar sind.
2. Hitzeschild nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Keramikblöcke (2) derart gewählt sind, daß im zusammengebauton Zustand die Keramikblöcke (2) untereinander einen Abstand (8) einhalten.
3. Hitzeschild nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der schützenden Wand (1) mehreckig ist.

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