DE3112839C2

DE3112839C2 - Hitzeschild aus Keramikblöcken

Info

Publication number: DE3112839C2
Application number: DE3112839A
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: 1982-12-02
Also published as: JPS5857658B2; GB2075659B; JPS56141496A; DE3112839A1; US4441324A; GB2075659A

Description

₃₀

Die Erfindung betrifft ein Hitzeschild aus Keramikblöcken zum Schutz von hohen Temperaturen ausgesetzten Wandf'ächen, wobei an der Wandfläehe und an den Keramikblöcken keilförmige Aufnahmen und keilförmige Vorsprünge angeo. Jnet sind, derart, daß zwischen der Wandflächv. und den Keramikblöcken Verbindungen in Art einer F Jer-Nut-Verbindung j5 vorhanden sind. Ein derartiges Hitzeschild ist aus der DE-OS 23 62 633 bekannt.

Wandflächen, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden, beispielsweise die Innenwände der Brennkammern von Gasturbinen, werden zum Schutz gegen die hohen Temperaturen und zur Erhaltung ihrer mechanischen Festigkeit oftmals mit Keramikblöcken abgedeckt. Zur Befestigung der Keramikblöcke ist es dabei aus der erwähnten DE-OS 23 62 633 bekannt, in. die Oberfläche der zu schützenden Innenwand keilförmige Ausnehmungen einzuschneiden und in diese keilförmige Vorsprünge einzubringen, die sich an den Keramikblökken befinden. In der Praxis tritt jedoch häufig die Schwierigkeit auf, daß einige der keilförmigen Vorsprünge nicht oder nur mit großer Mühe in die jo Aufnahmen eingebracht werden können und daß andererseits dann, wenn die Vorsprünge leicht in die Aufnahmen passen, sich ein vergleichsweise großes, keinen festen Halt der Keramikblöcke gewährleistendes Spiel ergibt. Demgemäß ist es bei der Montage meist erforderlich, aus einer Anzahl von Keramikblöcken diejenigen auszuwählen, deren Vorsprünge mit einem kleinen Spiel in die Aufnahmen passen. Der Zusammenbau des Hitzeschilds ist deshalb oft sehr mühsam. Weiterhin ist von Bedeutung, daß die Wärmeausdehnungskocffi/icntcn des die Kammerwand der Turbine bildenden Metalls und der Keramikblöcke unterschiedlich -sintl. mit der Folge, daß sich wahrend des Betriebs infolge der stärkeren Wärmeausdchnung der Kammerwand und damit der keilförmigen Ausnehmungen ein beträchtliches Spiel ergibt, und /war seihst dann, wenn ursprünglich bei der Montage darauf geachtet worden ist. daIi die Vorsprünge der Keramikblöcke möglichst

t>o exakt in die Aufnahmen der Kammerwand einpassen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das Hitzeschild der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß einerseits eine leichte und schnelle Montage (Einbringen der Vorsprünge der Keramikblökkc in die Aufnahmen der zu schützenden Wand) ermöglicht, andererseits aber verhindert wird, daß sich während des Betriebs infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ein die Festigkeit der Feder-Nut-Verbindung beeinträchtigendes Spiel ergibt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet.

Gemäß der Erfindung wird also ein verhältnismäßig großes Spiel zwischen den Vorsprüngen und den Aufnahmen zugelassen, was nicht nur die Montage wesentlich erleichtert, sondern auch infolge der verringerten Anforderungen an die Maßhaltigkeit die Herstellungskosten senkt. Während des Betriebs des Hitzeschilds wird dann in den Spalt zwischen Aufnahmegrund und keilförmigem Vorsprung Luft eingeblasen, mit der Folge, daß der Vorsprung gegen die Seitenwände der Aufnahme gepreßt und der Keramikblock somit fest in seiner Position fixiert wird. In der Zeichnung zeigen

Fig. I und 2 perspektivische Teilansichten einer inneren Kammerwand einer Gasturbine, die gemäß dem Stand der Technik gegen hohe Temperaturen durch Keramikblöcke geschützt ist,

Fig. 3 eine Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, wobei zur Sichtbarmachung der inneren Wandfläehe einige Keramikblöcke weggenommen sind,

Fig.4 einen vergrößerten Schnitt nach der Linie A -A 'von Fig. 3,

Fig.5 ebenfalls einen vergrößerten Schnitt nach der Linie A-A' von Fig. 3, der jedoch die Betriebsstellung darstellt, und

Fig. 6, 7 und 8 vergrößerte Teilschnitte zur Erläuterung weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Um die Unterschiede zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik klar herauszustellen, soll zunächst anhand der Fig. 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, wird die Innenwand dadurch gegen hohe Temperaturen geschützt und so deren mechanische· Festigkeit erhalten, daß die Oberfläche der Wandung des Kammergehäuses 1 mit Keramikblöcken 2 abgedeckt wird, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. In F i g. I ist mit dem Bezugszeichen 3 ein äußeres Gehäuse bezeichnet, und das Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Kühlluft-Durrhgang. Für die Anbringung der Keramikblöcke 2 ist es allgemein üblich, in die innere Oberfläche der Kammerwand 1 keilförmige Aufnahmen 5 einzuformen, die in axialer Richtung verlaufen und in die keilförmige Vorsprünge 6 eingreifen, die sich an den Keramikblöcken 2 befinden, wie dies in der vergrößerten Ansicht von F i g. 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 kleinen Spiel wie möglich befestigt sind, was bedeutet, daß die Gröi.tcntnlcran/en der Vorsprünge 6 der Keramikblöcke 2 und der Aufnahmen S tier Kammerwand äußerst klein gehalten

werden müssen. In tkr Praxis ist rs jedoch äußerst schwierig, derart strengen Toleranzanforderungen nachzukommen, und deshalb tritt öfter in der Praxis der Fall ein, daß die keilförmigen Vorsprünge 6 nicht in a,c Aufnahmen 5 passen, oder aber, wenn die Vorsprünge in die Aufnahmen passen, es zu einem sehr großen Spiel kommt. Diese Schwierigkeiten steilen einen wcsnnili cr.cn Nachteil der diesbezüglichen Einrichtungen nach dem Stand der Technik dar.

Nachfolgend soll nun eine Ausführungsform nach der h> Erfindung anhand der F i g. 3, 4 und 5 erläutert werden.

dabei eine Draufsicht auf die Oberfläche

der Kammerwand der Brennkammer einer Gasturbine dar, wobei einige Keramikblöcke weggenommen sind. Die F i g. 4 und 5 sind vergrößerte Teilschnitte nach der 1 <; Linie A-A' von Fig. 3, wobei die Fig. 5 den Betriebszustand darstellt. Für gleiche Teile sind dieselben Bezugszeichen verwendet wie bei den Fig. 1 und 2. So bezeichnet in F i g. 3 das Bezugszeichen 1 eine Kammerwand und das Bezugszeichen 2 die Keramik- 2η blöcke, welche an der Kammerwand 1 befestigt sind, und zwar dadurch, daß die keilförmigen Vorsprünge 6 der Keramikblöcke 2 in die keilförmigen Aufrahmen 5 der inneren Oberfläche der Kammerwand eingebracht sind. Bei der vorliegenden Erfindung sind jedoch, wie nachfolgend näher erläutert wird, zusätzliche Maßnahmen zur Fixierung der Keramikblöcke getroffen, um so den Zusammenbau zu erleichtern.

Zunächst ist wesentlich, daß die keilförmigen Vorsprünge 6 kleinere Abmessungen besitzen als die ;₍₎ keilförmigen Aufnahmen 5, so daß sich beim Zusammenbau ein Spiel 7 ergibt, wobei dieses Spiel 7 lediglich so klein sein muß, daß ein Herausfallen der Vorsprünge 6 aus den Aufnahmen 5 verhindert wird (Fig.4). Die Größe der Keramikblöcke 2 ist so gewählt, daß sie beim j; Zusammenbau untereinander einen bestimmten Abstand einhalten, wie dies in F i g. 3 und 4 bei 8 angedeutet ist. Bei dieser Anordnung wird gemäß F i g. 5 die Oberfläche der Vorsprünge 6 in radialer Richtung der Kammerwand 1 belastet, wodurch dann die linke und die rechte Se'tenwand der Vorsprünge 6 gegen die linke und rechte innere Seitenfläche der Aufnahmen 5 gepreßt werden, wie dies in F i g. 5 dargestellt ist, so daß die Keramikblöcke festgehalten werden. Weiterhin sind eine oder mehrere Luftzuführungskanäle 9 vorgesehen, die den vorerwähnten Kühlluft-Durchgang 4 mit den keilförmigen Aufnahmen 5 verbinden wobei die Kanäle 9 in die Kammerwand 1 eingeformt sind und sich benachbart dem Mittelpunkt jedes Keramikblocks 2 durch die Wand 1 hindurch erstrecken, wie dies aus den ><> F i g. 3 und 4 hervorgeht. Kühlluft wird über die Kanäle 9 der Aufnahme 5 zugeführt, womit auf die Oberfläche der Vorspringe 6 ein Druck ausgeübt wird, und zwar in der in Fig. 5 durch einen Pfeii angedeuteten Richtung.

Aufgrund des erwähnten Spiels zwischen den Aufnahmen 5 und den Vorsprüngen 6, wobei letztere durch den Druck der Kühlluft gegen die inneren Seitenwände der Aufnahmen 5 belastet werden, ergibt sich für den Zusammenbau der Keramikblöcke mit der Kammerwand ein äußerst einfacher Vorgang, und ho darüberhmutis won'>;n die Herstellungskosten wesentlich gesenkt, weil keine strengen Forderungen an clic Maßhaltigkeit gesHlt wurden rnüssf. ν Gelt»,! dann, wenn sich die keilförmige Aufnahm= is d:ircn Hh.ieairdshm.'ng vergrößert, wird der Keramikblock 2 bzw. sein Vorsprung 6 durch den Druck der Kühlluft so belastet, UaS. sich die Seisenwände des Vorsprungs gpeer, die Seitenwände der Aufnahme 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 von selbst ein Luftspalt 10 zwischen der Oberfläche des keilförmigen Vorsprungs 6 und dem Borlen der keilförmigen Aufnahme 5; außerdem ergibt sich ein Luftspalt 11 zwischen der inneren Oberfläche der Wandung 1, in welcher sich kein Vorsprung 5 befindet, und der Rückseite des Keramikblocks 2. Die thermische Abschirmung durch die Keramikblöcke 2 wird somit noch zusätzlich durch die Luftspalte 10 und 11 gesteigert, was die Abschirmung der Wand 1 gegenüber hoher Temperaturen wesentlich verbessert. Darüber hinaus wirkt der Luftspalt 10 als pneumatische Feder, die einen auf den Keramikblock ausgeübten Stoß abzufangen vermag.

Bei dem eben beschriebenen Ausführungsbeisp^:el ist die keilförmige Aufnahme 5 in die Oberfläche der zu schütze.,den 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 in Fig. 6 dargestellt ist. Bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel befinden sich die keilförmigen Aufnahmen 5 in der Wandung 1 und die keilförmigen Vorsprünge 6 an den Keramikblöcken 2; es ist aber gemäß F i g. 7 auch möglich, die Anordnung umzukehren, also die Aufnahmen an den Blöcken und die Vorsprünge an der Wandung anzubringen. Weiterhin sind bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen die Keramikblöcke 2 so geformt, daß sie sich der gekrümmten Oberfläche der Wandung 1 anpassen; es ist aber gemäß Fig. 8 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 bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen so, daß die Ker?mikblörke 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 '.ollen. Schließlich wird bei dem vorerwähnten Ausführungsbeispiel Kühlluft dazu her angezogen, die Keramikblöcke 2 entsprechend zu belasten; bei einer Vorrichtung ohne Kühlluftqucllc oder bei Anwendungen, wo zwar eine Kühlluftquolle vorhanden, jedoch schwierig für den vorlegenden Zweck zu verwenden ist, kann man so vorgehen, daß eine gesonderte Luftquelle vorgesehen wird.

Hierzu 3 BIaK Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hitzeschild aus Keramikblöcken zum Schutz von hohen Temperaturen ausgesetzten Wandflächen, wobei an der Wandfläehe und an den Keramikblöcken keilförmige Aufnahmen und keilförmige Vorsprünge angeordnet sind, derart, daß zwischen der Wandfläehe und den Keramikblöcken Verbindungen in Art einer Feder-Nut-Verbindung vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, 1» daß zwischen den beiden keilförmigen Elementen (5,

6) jeder Verbindung ein Spiel (7) vorgesehen ist, das bei der Montage eine Bewegung der Keramikblöcke (2) gegen die Wand (1) erlaubt, und daß in jede keilförmige Aufnahme (5) ein Luftzuführungskanal (9) mündet, womit die keilförmigen Vorsprünge (6) durch den Druck zugeführier Luft so belastbar sind, daß sie in den keilförmigen Aufnahmen (5) festgehalten sind.

2. Hitzeschild nach Anspruch 1, dadurch gekenn- >o zeichnet, daß die Abmessungen der Keramikblöcke (2) derart gewählt sind, daß im zusammengebauten Zustand die Keramikblöcke (2) untereinander einen Abstand (8) einhalten.