DE3638658C1 - Waermedaemmende Auskleidung fuer eine Gasturbine - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine wärmedämmende Aus­ kleidung für eine Gasturbine, bestehend aus einer aus kera­ mischen Fasern gebildeten Matte, die auf ihrer dem Heiß­ gas zugewandten Seite mit einer metalloxidhaltigen Schicht versehen ist.

Gasturbinen, wie sie insbesondere für den Einsatz im Kraft­ fahrzeugbau vorgesehen sind, müssen aus Wirtschaftlichkeits­ gründen bei sehr hohen Prozeßtemperaturen, die um 1300°C und mehr liegen, betrieben werden. Die tragenden metallischen Teile des Turbinengehäuses müssen gegenüber diesen hohen Tem­ peraturen thermisch isoliert werden.

Aus der DE-OS 26 30 247 ist eine wärmedämmende Isolierung bekannt, die aus einer Keramikfaser-Matte gebildet wird, auf die auf ihrer den heißen Gasen zugewandten Seite eine metall­ oxydische Schicht aufgebracht ist. Aus der DE-OS 34 46 649 ist jedoch bekannt, daß diese Auskleidungen keine ausreichen­ de Thermoschockbeständigkeit besitzen, so daß im Betrieb Risse in der Auskleidung auftreten, die bei der hohen mechanischen Energie des strömenden Gases sehr bald zu Beschädigungen der Auskleidung führen.

Aus DE-OS 32 24 361 ist ein Verbundbauteil aus zwei unter­ schiedlichen Fasermaterialien bekannt, das eine erhöhte Druckfestigkeit besitzt. Das eine, mechanisch stabilere Fa­ sermaterial ist wabenartig aufgebaut, wobei der Hohlraum der Waben durch das andere Fasermaterial ausgefüllt wird und wobei die Belastung parallel zur Wabenachse erfolgt. Eine einer Heißgasseite zugewandte metalloxidhaltige Schicht ist nicht vorhanden. US-PS 40 75 364 beschreibt eine Aus­ kleidung für eine Gasturbine bestehend aus einer aus Metall­ fasern bestehenden Matte, die auf einer Seite mit dem me­ tallischen Untergrund verlötet ist und auf ihrer dem Heiß­ gas zugewandten Seite eine durch plasma-Spritzen aufgebrach­ te Keramikschicht trägt. Die Metallfaserschicht soll ther­ mische Spannungen zwischen dem metallischen Untergrund und der Keramikschicht ausgleichen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine wärmedämmen­ de Auskleidung für eine Gasturbine, bestehend aus einer aus keramischen Fasern gebildeten Matte, die auf ihrer dem Heiß­ gas zugewandten Seite mit einer metalloxidhaltigen Schicht versehen ist, so weiterzubilden, daß bei thermischen Wechsel­ beanspruchungen keine Schäden in der Auskleidung mehr ent­ stehen können.

Diese Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch beschrie­ bene Auskleidung gelöst.

Die Gefahr des Auftretens von Spannungsrissen und damit der Zerstörung der Auskleidung wird dadurch beseitigt, daß man zum einen eine Keramikfaser-Matte verwendet, die eine Roh­ dichte von 350 bis 450 kg/m³ besitzt und daß zum anderen die mit der metalloxidhaltigen Schicht in Kontakt stehenden Fasern in der Matte überwiegend so gerichtet sind, daß die Längsachse der Fasern mit der metalloxidhaltigen Schicht einen Winkel von 30 bis 90° bildet. Am günstigsten ist es, wenn die metall­ oxidhaltige Schicht auf die Stirnflächen der Fasern aufge­ bracht ist, d.h. wenn die Längsachse der Faser mit der metall­ oxidhaltigen Schicht etwa einen Winkel von 90° bildet.

Als Fasermaterial für die Keramikfaser-Matte kommen die übli­ chen hochtemperaturfesten Fasern auch mit kolloidaler Kiesel­ säure als Binder, in Frage. Im allgemeinen handelt es sich um Fasern aus dem System Al₂O₃ × SiO₂ mit sehr hohen Al₂O₃-Ge­ halten. Sie werden je nach Al ₂ O ₃-Gehalt entweder durch Ver­ blasen oder Verdüsen silicatischer Schmelzen hergestellt (Alu­ miniumsilicatfasern) oder aus Lösungen gesponnen (Mullit-, Aluminiumoxidfasern). Aluminiumsilicatfasern können gegebenen­ falls mit geringen Mengen Cr₂O₃ stabilisiert sein. Die Rohdichte der aus diesen Fasern gebildeten Fasermatten soll zwischen etwa 350 und 450 kg/m³ liegen. Unterschreitet man diese Dichte, so verringert sich die Festigkeit sowie Beschichtbarkeit des Fasermaterials, überschreitet man die Dichte von 450 kg/m³, so erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit des Fasermaterials und die Temperaturwechselbeständigkeit nimmt ab. Bevorzugt wird eine Matte mit einer Rohdichte von etwa 400 kg/m³. Die Dicke der Matte kann je nach den technischen Gegebenheiten erheb­ lich sein und beträgt häufig 30 mm und mehr.

Die Matte wird mit einem solchen Faserverlauf hergestellt, daß die metalloxidhaltige Schicht im wesentlichen in einem Winkel von etwa 90° zur Längsachse der Fasern verlaufen kann. Durch diese Anbindung der metalloxidhaltigen Schicht an den Stirnflächen der Fasern wird eine besonders gute Thermoschock­ beständigkeit erreicht. Es hat sich aber auch gezeigt, daß eine ausreichende Thermoschockbeständigkeit noch bis zu einem Winkel von etwa 30° erreichbar ist. Wird der Winkel flacher, so ist keine ausreichende Dauerfestigkeit der Auskleidung mehr erreichbar.

Als Material für die metalloxidhaltige Schicht kommen in erster Linie Beschichtungen aus dem System Al₂O₃ × SiO₂ in Frage, sofern sie die erforderliche Temperaturbeständigkeit besitzen. Zu den Hauptbestandteilen Al₂O₃ und gegebenenfalls SiO₂ können auch noch andere oxidische Bestandteile in unter­ schiedlichen Mischungsverhältnissen als Stabilisatoren oder Binder hinzugemengt sein. Dadurch können verschiedene Eigen­ schaften der Beschichtung, wie z.B. Wärmedehnung oder Erwei­ chungstemperatur, in einer beachtlichen Bandbreite variiert und denen des Fasermaterials angepaßt werden. Mitunter ist es vorteilhaft, die metalloxidhaltige Schicht noch um die Kanten der Matte herumzuziehen, so daß nur die Rückseite der Matte unbeschichtet bleibt.

Die metalloxidhaltige Schicht kann nach verschiedenen Methoden auf die Fasermatte aufgebracht werden. Nach dem Plasmaspritz­ verfahren lassen sich besonders einfach feuerfeste Schichten aus Mullit-, Spinell- und Al₂O₃-Pulver herstellen. In dem Plasmastrahl werden die Pulverteilchen gut aufgeschmolzen, sie sind dünnflüssig und können beim Auftreffen auf die Faser­ matte eine gute Verzahnung mit dem Fasermaterial bilden. Glei­ ches gilt für das Flammspritzen, bei dem die gleichen Materi­ alien Verwendung finden.

Außer durch diese thermischen Spritzverfahren kann die metall­ oxidhaltige Schicht auch als Glasur aufgebracht werden. Glasu­ ren lassen sich aus vielen Oxiden aufbauen. Sie bilden während des Brandes eine flüssige Phase, die nach dem Erstarren durch Benetzung auf dem Grundmaterial haftet. Aufgrund der guten chemischen Verträglichkeit mit der Keramikfaser-Matte werden Schichten aus dem System Al₂O₃ × SiO₂ bevorzugt. Je nach Be­ schichtungsverfahren, Spritzen oder Tauchen, dringt die Glasur mehr oder weniger tief in die Fasermatte ein. Da die Beschich­ tungen bei Temperaturen von bis zu 1250°C und höher beständig sein sollen, ist der Einsatz von reinen Fritteglasuren unge­ eignet. Sie enthalten nämlich in der Regel größere Mengen von B₂O₃, das oberhalb von 1200°C abdampft. Ebenso sollen größere Anteile an Alkalien in der Glasur vermieden werden, da sie zu einer Erweichung der Glasur schon bei niedrigen Temperaturen beitragen. Aufgrund der chemischen Verträglich­ keit sollen Zuschläge von PbO und ZnO in der Glasur vermieden werden, da Reaktionen mit den Fasern im Kontaktbereich zu erwarten sind.

Außer den klassischen Glasuren können auch sogenannte Engoben verwendet werden. Engoben sind Tonglasuren, die nach dem Brand meist noch porös sind und kaum einen Glanz zeigen. Sie bestehen aus einer Mischung von Kaolinschamotte und einer silicatischen Glasur als Bindemittel. Eine Suspension dieser beiden Bestandteile wird als Paste oder Schlicker auf die Fasermatte aufgebracht und nach Verdampfen des Suspensions­ mittels, im allgemeinen Wasser, auf die Matte gebrannt.

Eine weitere Möglichkeit, die metalloxidhaltige Schicht, die die Fasern der Fasermatte vor der Erosion durch die strömen­ den Gase schützen soll, herzustellen, besteht darin, sie mit Al₂O₃ mittels Tonerdeschlicker zu beschichten und an­ schließend zu brennen. Ein Vorteil dieser Tonerdebeschich­ tungen besteht darin, daß der Grundkörper, nämlich die Faser­ matte und die Deckschicht ähnliche chemische und physikali­ sche Eigenschaften haben.

Phosphatgebundene Tonerdeschlicker binden schon beim Trocknen gut ab, so daß Beschichtungen mit ausreichender Rohbruch­ festigkeit bestehen. Das sich bildende Aluminiumphosphat AlPO₄ wirkt als sogenannter Hochtemperaturbinder und ver­ leiht tonerdehaltigen Massen eine hohe Abriebfestigkeit. Der Tonerdeschlicker kann besonders günstig durch Streichen auf die Faserkörper aufgebracht werden. Außer den phosphatge­ bundenen Tonerdeschlickern können auch kieselsäuregebundene Tonerdeschlicker eingesetzt werden. Ein Vorteil beim Einsatz von kolloidaler Kieselsäure als Binder ist darin zu sehen, daß die Beschichtung dem System Al₂O₂ × SiO₂ zugeordnet wer­ den kann und die gewünschte Mullitbildung an den Kontakt­ stellen begünstigt wird. Der Schlicker kann außer Al₂O₃ und SiO₂ auch noch MgO, sowie in geringeren Mengen CaO und K₂O enthalten.

Die Herstellung von für die Beschichtung geeigneten Faser­ matten kann neben Pressen auch dadurch geschehen, daß aus einer Suspension von Fasern die Suspendierflüssigkeit ab­ gesaugt wird. Die Fasern orientieren sich dann beim Ab­ saugvorgang senkrecht zur Saugrichtung. Bei sehr dicken einzusendenden Fasermatten kann es von Vorteil sein, wenn man zunächst eine Fasermatte benutzt, bei der die Fasern üblicherweise parallel zur Oberfläche verlaufen, und daß man dann auf diese Matte eine zweite, z.B. unterschiedlich dicke Schicht von Fasern, ggfs. unter Zwischenschaltung einer Binde­ mittelschicht aufbringt, bei der die Fasern mit der auf­ zubringenden metalloxidhaltigen Schicht einen Winkel von 30 bis 90° bilden. Die Stärke der metalloxidhaltigen Schicht muß je nach Wärmedehnung und Elastizitätsmodul auf das Grund­ material abgestimmt sein, um Spannungsüberhöhungen im Ver­ bund zu verhindern. Im allgemeinen haben sich Schichtdicken von mehr als 200 µm als ausreichend erwiesen. Bevorzugt werden Schichtdicken von 200 bis 500 µm, da sie eine sehr gute Festigkeit besitzen.

In der Abbildung werden zwei verschiedene Ausführungsformen einer wärmedämmenden Auskleidung in Ausschnitten beispiel­ haft dargestellt. In Fig. 1 erkennt man die im wesentlichen aus Al₂O₃ bestehende Faserschicht 1, deren Fasern in der Hauptsache in einem Winkel von etwa 30 bis 90° zu der durch Plasmaspritzen aufgebrachten Al₂O₃ Schicht 2 verlaufen. In Fig. 2 besteht die Faserschicht aus zwei Teilschichten 11 und 12. Die metalloxidhaltige Schicht befindet sich auf der Schicht 12, bei der die Fasern im wesentlichen senkrecht zu der metalloxidhaltigen Schicht verlaufen, während die Schicht unter Zwischenschaltung einer keramischen Bindeschicht 13 mit der Schicht 11 verbunden ist, in der die Fasern wie bisher üblich parallel zu der Schicht 20 verlaufen. Außer als flacher Körper kann die Matte auch kompliziertere Raumformen bilden, z.B. mit Vorsprüngen versehen sein, kegelpyramiden- oder konusförmig ausgebildet sein und dgl.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen vor allem darin, daß man bei der Einhaltung der erfindungsgemäßen Para­ meter von Rohdichte und Faserverlauf auf einfache Weise wärme­ isolierende Auskleidungen herstellen kann, die mechanisch dauerhaft sind und eine außerordentlich gute Thermoschockbe­ ständigkeit aufweisen.

Claims (1)

1. Wärmedämmende Auskleidung für eine Gasturbine, bestehend aus einer aus keramischen Fasern gebildeten Matte, die auf ihrer dem Heißgas zugewandten Seite mit einer metalloxid­ haltigen Schicht versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die aus keramischen Fasern gebildete Matte eine Rohdichte von 350 bis 450 kg/m³ besitzt und daß die mit der metalloxid­ haltigen Schicht in Kontakt stehenden Fasern in der Matte überwiegend so gerichtet sind, daß die Längsachse der Fasern mit der metalloxidhaltigen Schicht einen Winkel von 30 bis 90° bildet.