DE4314160A1 - Fügeverbindung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fügeverbindung zwischen zwei an einer Fügefläche aneinanderliegenden Komponenten einer Gas­ turbinenanlage, welche Fügeverbindung bestimmt ist durch ein Fügeteil, das in einer Belastungsrichtung belastbar ist.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Fügeverbindungen zwischen keramischen Komponenten in Gasturbinenanlagen, wobei als solche Komponenten insbesondere Bestandteile von Heißgas führenden Strukturen, z. B. Brennkammern und Heißgaskanälen, in Frage kommen. Insbesondere werden in Gasturbinenanlagen Hitzeschilde aus keramischen Komponenten gebildet.

Beispiele für Heißgas führende Strukturen, insbesondere von Gasturbinenanlagen, bewehrt mit Hitzeschilden, gehen hervor aus der EP 0 224 817 B1, der WO 89/12789 A1, der WO 92/01891 A1, dem US-Patent 4,840,131 und dem US-Patent 4,569,659.

Die WO 89/12789 A1 und die genannten US-Patente betreffen keramische Hitzeschildanordnungen bzw. keramische Auskleidun­ gen und geben dazu auch Hinweise für die Fügung und Befesti­ gung keramischer Komponenten an Trägerstrukturen, die ins­ besondere aus Metall bestehen.

Die Fügung keramischer Werkstoffe muß die diesen Werkstoffen eigene Sprödheit und eingeschränkte mechanische Belastbarkeit, insbesondere unter Zug- und Scherbelastungen, berücksichtigen. Darüber hinaus ist auch dann, wenn metallische Befestigungs­ elemente zum Einsatz kommen, auf deren gegenüber der Keramik eingeschränkte thermische Belastbarkeit Rücksicht zu nehmen. Dementsprechend sind die bekannten Fügeverbindungen für kera­ mische Komponenten und Komponenten aus anderen spröden Werk­ stoffen sehr aufwendig, weshalb ihre Anwendung aus Kosten­ gründen nur in beschränktem Umfang sinnvoll war. Insbesondere konnte mit den bekannten Fügetechniken ein Aufbau keramischer Komponenten von Gasturbinenanlagen u. dgl. aus kleineren Bau­ teilen durch Aneinanderfügen derselben zur Herstellung kompli­ ziert geformter Strukturen nicht in wirtschaftlich vertret­ barer Weise realisiert werden.

In Anbetracht dessen basiert die vorliegende Erfindung auf folgende Aufgabe: Es soll eine Fügeverbindung der oben bestimmten Gattung angegeben werden, die einfach und kosten­ günstig herstellbar ist, die anwendbar ist zur Fügung kera­ mischer oder aus anderen spröden Materialien bestehender Bauteile ohne Beeinträchtigung aufgrund der bei solchen Bauteilen üblicherweise vorliegenden, relativ großen Her­ stellungstoleranzen, die den Verzicht auf metallische Be­ festigungselemente ermöglicht und die insbesondere geeignet sein soll zum Aufbau größerer, nicht unbedingt einstückig herstellbarer Komponenten. Außerdem soll mit der Erfindung ein Verfahren zur einfachen und kostengünstigen Her­ stellung einer solchen Fügeverbindung angegeben werden.

Die erfindungsgemäße Fügeverbindung zwischen zwei an einer Fügefläche aneinanderliegenden Komponenten einer Gasturbinen­ anlage, welche Fügeverbindung bestimmt ist durch ein Füge­ teil, das in einer Belastungsrichtung belastbar ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Fügeteil in einem von der Fügefläche durchschnittenen Fügekanal liegt, welcher aus an der Fügefläche ineinander übergehenden Nuten in den Komponenten gebildet ist;
• b) jede Komponente von der in ihr befindlichen Nut, entlang der Belastungsrichtung gesehen, hinterschnitten wird.

Das der Erfindung zugrunde liegende Fügeprinzip beruht auf der Kraftübertragung durch ein Fügeelement, das in einem von beiden aneinander gefügten Komponenten gebildeten Fügekanal liegt und das jede Komponente, in der Belastungsrichtung ge­ sehen, durch eine Hinterschneidung kraftschlüssig erfaßt. Diese Kraftübertragung erfolgt über einen Formschluß und kann somit charakterisiert werden als eine "formschlüssige Klebung".

Besonders wichtig, insbesondere für die Anwendung im Zu­ sammenhang mit keramischen Komponenten und/oder einem keramischen Fügeteil, ist auch, daß die Belastungen der Fügeverbindung insbesondere am Fügeteil hauptsächlich als Druck- oder Scherkräfte wirken, nicht wesentlich aber als Zugkräfte, gegen die Keramik am empfindlichsten ist und unter denen Keramik am leichtesten brechen kann.

Zur Bildung der erfindungsgemäßen Fügeverbindung sind die aneinander zu fügenden Komponenten in einer Richtung, die der umgekehrten Belastungsrichtung entspricht, aneinander zu legen, worauf in den Fügekanal, der durch zwei an der Fügefläche ineinander übergehende Nuten in den Komponenten gebildet wurde, das Fügeteil eingefügt wird. Die Belastungs­ richtung ist diejenige Richtung, in der die aneinander­ gefügten Komponenten durch die Fügeverbindung aneinander festgehalten werden.

Die erfindungsgemäß notwendigen Hinterschneidungen in den aneinander zu fügenden Komponenten, die sich entlang Belastungsrichtung ergeben müssen, damit jede Komponente von dem Fügeteil kraftschlüssig erfaßt werden kann, können durch geeignete räumliche Anordnungen der Nuten relativ zu der Fügefläche und darüber hinaus durch geeignete Formge­ bung der Nuten erreicht werden; so sind beispielsweise Nuten mit T-förmigem oder trapezförmigem Querschnitt denkbar, die einen Fügekanal mit H-förmigem oder nach Art einer Garnrolle mittig eingeschnürtem Querschnitt ergeben.

Insbesondere im Hinblick auf die Fügung keramischer Kompo­ nenten ist es aber wünschenswert und vorteilhaft, den Nuten einfache Gestalten, insbesondere etwa rechteckige oder abge­ rundete, vorzugsweise halbkreisförmige Querschnitte zu geben. Mit solchen einfachen Nuten wird die erfindungsgemäße Füge­ verbindung gebildet, indem die Fügefläche zumindest zum Teil derart relativ zu der Belastungsrichtung ausgerichtet wird, daß sich auch durch die einfach strukturierten Nuten Hinter­ schneidungen entlang der Belastungsrichtung ergeben. Eine solche Hinterschneidung ergibt sich im Fall einer halb­ kreisförmigen Nut bereits dann, wenn die Fügefläche in einer Umgebung der Nut nicht senkrecht, sondern winklig zu der Be­ lastungsrichtung ausgerichtet ist. Dementsprechend ist vor­ teilhafterweise die Fügefläche zumindest teilweise nicht senkrecht zu der Belastungsrichtung ausgerichtet; besonders günstig ist es, wenn ein den Fügekanal umfassender Ausschnitt der Fügefläche nirgends etwa senkrecht zu der Belastungs­ richtung ausgerichtet ist, da sich auf diese Weise ein Kraft­ schluß entlang des gesamten Fügekanals ergibt. Besonders be­ vorzugt ist es, wenn der den Fügekanal umfassende Ausschnitt etwa parallel zu der Belastungsrichtung ausgerichtet ist, d. h. wenn dieser Ausschnitt eine bezüglich der Belastungs­ richtung etwa gerade Fläche bildet. In diesem Fall hinter­ schneiden die den Fügekanal bildenden Nuten die Komponenten in besonders hohem Maß, woraus sich eine besonders hoch belast­ bare Fügeverbindung ergibt.

Günstigerweise haben die Nuten, die den für die Fügeverbindung erforderlichen Fügekanal bilden, abgerundete, vorzugsweise etwa halbkreisförmige Querschnitte (die in Ebenen zu bestim­ men sind, die die Fügefläche senkrecht schneiden). Solche Nu­ ten sind insbesondere in keramischen Komponenten einfach bild­ bar, und sie können zur Bildung des Fügeteils mit zu starren, unelastischen Körpern aushärtbaren flüssigen, pastösen oder knetbaren Massen, insbesondere keramischen Massen, ausgegossen werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Fügeteil den Fügekanal im wesentlichen vollständig ausfüllt, da auf diese Weise ein im wesentlichen vollständiger Formschluß, und so­ mit eine weitestgehend vollständige formschlüssige Klebung, auftritt.

Günstig ist es im Rahmen jedweder Ausgestaltung der Er­ findung auch, wenn der Fügekanal im wesentlichen in sich geschlossen ist, indem er z. B. in sich geschlossen ist, aber zumindest einen Eingußkanal o. dgl. zur Einführung des Fügeteiles aufweist. Auf diese Weise ist das Fügeteil im wesentlichen ganz umschlossen und somit beispielsweise vor übermäßiger thermischer Belastung geschützt, und außerdem ist die Fügeverbindung besonders stabil. Ein Eingußkanal zur Ein­ führung des Fügeteiles ist vorteilhafterweise verschließbar, wofür mehrere Möglichkeiten zur Verfügung stehen. Am einfach­ sten ist es, den Eingußkanal nach Einführung des Fügeteiles mittels eines Stopfens zu verschließen. Noch günstiger ist es, wenn der Eingußkanal durch mehrere aneinandergefügte Komponen­ ten hindurchgelegt ist und nach Einführung des Fügeteils durch Relativbewegungen der aneinandergefügten Komponenten gegen­ einander, vorzugsweise durch Drehbewegungen, verschließbar ist. Dies ist dann praktizierbar, wenn zur Bildung des Füge­ teils eine fließfähige, später auszuhärtende Masse in den Fügekanal einzubringen ist.

Günstig ist es im Rahmen jedweder Ausbildung der Erfindung auch, wenn der Fügekanal in einer etwa senkrecht zu der Be­ lastungsrichtung ausgerichteten Ebene liegt. Auf diese Weise wirken die Belastungen auf das Fügeteil stets senkrecht zum Verlauf des Fügekanals, wodurch möglicherweise zum Bruch füh­ rende Längsbeanspruchungen des Fügeteils vermieden werden - dies ist von besonderer Bedeutung dann, wenn das Fügeteil aus einem spröden Werkstoff, wie z. B. Keramik, besteht.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Fügekanal im wesentlichen in sich geschlossen ist und die den Fügekanal bildenden Nuten bezüglich einer Achse rotationssymmetrisch sind. Derartige einfache Formen des Fügekanals und der Nuten sind einfach bildbar und erfordern wenig Raum, weshalb die so gebildete Fügeverbindung besonders hoch belastbar ist. Darüber hinaus gestattet solches unter Umständen auch, daß die erfindungsgemäß gefügten Komponenten um die Achse gegenein­ ander verdrehbar sind. Dies kann ggf. durch geeignete Wahl des Werkstoffes für das Fügeteil erreicht werden: Sind die Komponenten aus Keramik, so kann das Fügeteil aus Metall gebildet werden, welches mangels Adhäsion nicht an den Kompo­ nenten haftet, so daß die Möglichkeit des Verdrehens der Komponenten gegeneinander gegeben ist, wenn deren aneinander­ liegende Oberflächen nur hinreichend geglättet sind. Diese Weiterbildung ist insbesondere von Bedeutung für Kacheln, die Bestandteile eines Hitzeschildes in einer Gasturbinenanlage sind und an einem erfindungsgemäß angefügten keramischen Halteteil zu befestigen sind. Gestatten die erfindungsgemäßen Fügeverbindungen Verdrehungen der Kacheln gegen die Halte­ teile, so können die Kacheln nach erfolgter Befestigung noch durch Drehen in ihrer Lage justiert werden, was möglicherweise die Montage des Hitzeschildes sehr vereinfacht.

Ein besonderer Vorzug der Erfindung liegt darin, daß das Fügeteil aus einem keramischen Werkstoff bestehen kann. Ein solches Fügeteil kann, wie eben erwähnt, gebildet werden durch Ausgießen des Fügekanals mit einer keramischen Guß­ masse oder Paste und anschließendes Aushärten, ggf. auch Sintern, dieser Masse. Dies ist in besonders vorteilhafter Weise dann möglich, wenn auch die aneinander zu fügenden Komponenten aus keramischen Werkstoffen bestehen. Solche Werkstoffe sind in der Regel etwas porös und können somit eine Flüssigkeit, mit der die in den Fügekanal einge­ brachte Masse fließfähig gemacht wurde, aus dem Fügekanal herausführen und somit eine vor einer Sinterbehandlung o. dgl. notwendige Trocknung begünstigen.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann die Fügeverbindung selbstverständlich auch so ausgebildet werden, daß sie Torsionsmomente überträgt und eine Verdrehung der aneinandergefügten Komponenten relativ zueinander ausschließt. Dies ist insbesondere realisierbar durch eine nicht-rotations­ symmetrische Ausbildung des Fügekanals, was bereits dadurch erreicht werden kann, daß die den Fügekanal bildenden Nuten entlang ihrer Längserstreckung variable Querschnitte haben.

Vorteilhaft ist es, wenn das Fügeteil aus einem etwa homogenen Werkstoff besteht, da hierdurch eine weitgehende Gleichverteilung der Belastungen in dem Fügeteil erreichbar ist, was zur Stabilität der Fügeverbindung wesentlich bei­ tragen kann.

Gleichfalls günstig ist es aber auch, das Fügeteil aus einem Werkstoff zu bilden, der eingelagerte Partikel eines Füllstof­ fes aufweist. Ein Vorteil der Verwendung eines Füllstoffes liegt darin, daß solche Einlagerungen das Wachstum von Rissen stoppen können, was insbesondere dann wichtig sein kann, wenn die anderen Bestandteile des Fügeteils besonders spröde sind.

Der Werkstoff des Fügeteils wird vorteilhafterweise so ge­ wählt, ggf. auch durch Beimischung entsprechender Bestandteile modifiziert, daß er neben der Vermittlung des Kraftschlusses zwischen den aneinandergefügten Komponenten noch weitere Funktionen wahrnimmt, wie z. B. eine thermische Isolierung der Komponenten relativ zueinander durch Reduzierung des Wärmeübergangs oder durch Absorption von Wärme, eine elektri­ sche Verbindung zwischen den Komponenten, eine elektrische Isolierung der Komponenten gegeneinander oder die Darstellung eines Bruchindikators, wozu das Fügeteil ggf. mit entsprechen­ den Sensoren zu überwachen wäre.

Es sei darauf hingewiesen, daß auch die Sprödigkeit der übli­ cherweise verwendeten Keramik die Funktion des Fügeteils nicht wesentlich beeinträchtigt: Das Fügeteil ist entlang des Füge­ kanals langgestreckt; Risse darin treten überwiegend senkrecht zu dieser Längserstreckung auf und zerlegen somit, falls sie überhaupt auftreten, das Fügeteil in Teile, die entlang des Fügekanals hintereinander liegen. Da aber die Belastungs­ richtung in einem relativ großen Winkel, vorzugsweise etwa senkrecht, zur Längserstreckung des Fügeteils liegt, tritt durch die beschriebene Zerlegung keine Beeinträchtigung der Belastbarkeit auf, da jeder Teil des Fügeteils den Formschluß mit beiden Komponenten in Belastungsrichtung wahrt. Im übrigen ist dieser Zerlegung des Fügeteils eine Grenze dadurch gesetzt, daß das Auftreten eines Risses in einer keramischen Struktur proportional zu dem Volumen der Struktur ist; die weitere Zerlegung des Fügeteils wird um so unwahrscheinlicher, je mehr es sich bereits zerlegt hat. Darüber hinaus ist zu be­ merken, daß durch eine Zerlegung der beschriebenen Art die Versagenswahrscheinlichkeiten der einzelnen Teile des Füge­ teils voneinander unabhängig werden, was zusätzlich zu den bereits angeführten Argumenten eine gewisse Redundanz in der Haltbarkeit der Fügeverbindung ergibt.

Die Fügeverbindung im Rahmen der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung ist auch beständig unter schockartigen ther­ mischen Belastungen, da solche Belastungen eben nur zu Rißbildungen in Querrichtung des Fügeteils führen, welche aber die mechanische Belastbarkeit der Fügeverbindung nicht beeinträchtigen. Aus diesem Grunde kann die Fügeverbindung auch thermische Ausdehnungen in gewissen Grenzen ausgleichen, so daß erfindungsgemäß aneinandergefügte Komponenten großen Temperaturunterschieden aussetzbar sind und darüber hinaus auch aus unterschiedlichen Werkstoffen mit voneinander abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen können. Alle diese Eigenschaften sind in Gasturbinenanlagen von besonderer Bedeutung.

Grundsätzlich eignet sich die erfindungsgemäße Fügever­ bindung jedweder Ausgestaltung zur Aneinanderfügung von Komponenten aus keramischen Werkstoffen. Die Fügeverbin­ dung vermag insbesondere die bei keramischen Werkstoffen stets relativ großen Fertigungstoleranzen auszugleichen und sie erfordert keine Formung der aneinander zu fügenden Komponenten, für die Keramik allenfalls in Verbindung mit hohem Aufwand geeignet wäre. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, daß das Fügeteil vollständig von den Komponen­ ten umhüllt ist und beispielsweise nicht unmittelbar einem die Komponenten überströmenden heißen Fluid, z. B. dem Rauchgas in einer Gasturbinenanlage, ausgesetzt ist. Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Fügeverbindung die weitestgehend vollständige Ausnutzung der thermischen Be­ lastbarkeit der aneinandergefügten Komponenten. Es ver­ steht sich, daß dieses Potential am besten ausgenutzt wird, indem auch das Fügeteil aus einem keramischen Werkstoff gebildet wird.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Fügeverbindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des Fügeteils zwischen den Komponenten ein Federteil angeordnet ist, durch das die Fügeverbindung in der Belastungsrichtung vor­ gespannt wird. Ein solches Federteil kann bei der Herstellung der Fügeverbindung vor dem Einbringen des Fügeteils zwischen den Komponenten eingepreßt werden; nach der Einfügung des Fügeteils hält dieses die Komponenten zusammen und wird von dem Federteil gespannt. Eine solche Vorspannung kann von Vor­ teil sein, insbesondere in einem aus mehreren Komponenten aufgebauten Bauteil, das bei seiner Benutzung stärkeren me­ chanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist; solche Bean­ spruchungen können u. U. durch eine Vorspannung in dem Bau­ teil ausgeglichen oder zumindest abgemildert werden, was gerade bei keramischen Bauteilen wichtig sein kann.

Wie bereits erwähnt, eignet sich die erfindungsgemäße Füge­ verbindung besonders zur Aneinanderfügung von Komponenten, die Bestandteile eines Heißgas führenden Systems, insbeson­ dere einer Brennkammer oder eines Heißgaskanals, in einer Gasturbinenanlage sind. Insbesondere eignet sich die erfin­ dungsgemäße Fügeverbindung zur Aneinanderfügung von Komponen­ ten, die Bestandteile eines Hitzeschildes in der Gasturbinen­ anlage sind. Die besondere Eignung der Fügeverbindung zur An­ einanderfügung keramischer Komponenten, insbesondere unter Be­ nutzung eines keramischen Fügeteils, ist bereits eingehend erläutert worden. Als besonders vorteilhaft ist noch hervor­ zuheben, daß sich die erfindungsgemäße Fügeverbindung besonders eignet zum Aufbau von Hitzeschilden und anderen thermisch hoch belasteten Teilen, die aus einer großen Viel­ zahl von Komponenten aus spröden Werkstoffen, insbesondere konventioneller Keramik und/oder Faserkeramik, bestehen. Die Erfindung ermöglicht insbesondere in diesem Zusammenhang eine schnelle, schadenstolerante, zuverlässige, kostengünstige und sehr leichte Konstruktion.

Zur Herstellung einer Fügeverbindung gemäß der Erfindung wird vorteilhafterweise das Fügeteil gebildet durch Ausfüllung des Fügekanals mit einer zu einem im wesentlichen starren, weit­ gehend unelastischen Körper aushärtbaren flüssigen, knetbaren oder pastösen Masse, die nach Einbringen in den Fügekanal aus­ zuhärten ist.

Die Aushärtung der das Fügeteil bildenden Masse muß nicht notwendigerweise vollständig vor dem Beginn der bestimmungs­ gemäßen Verwendung der aneinandergefügten Komponenten erfolgen, sie kann im Rahmen einer günstigen Weiterbildung des Verfahrens zumindest teilweise bei einer thermischen Beanspruchung im Rahmen einer bestimmungsgemäßen Verwendung vorgenommen werden. Dies bietet sich insbesondere an für Komponenten, die im Rah­ men ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung sehr hohen Temperatu­ ren ausgesetzt sind und die mittels eines keramischen Fügeteils aneinandergefügt sind. Das Fügeteil kann z. B. aus einer Masse gebildet werden, die durch Beimischung eines flüchtigen, gelie­ renden oder selbsthärtenden Lösungsmittels wie z. B. Wasser oder Kunstharzzubereitung, fließfähig gemacht wurde. Vor Inbe­ triebnahme der aneinandergefügten Komponenten reicht es unter Umständen aus, eine nur teilweise Härtung der das Fügeteil bildenden Masse herbeizuführen (beispielsweise durch Ab­ dunsten oder teilweise Verfestigen des Lösungsmittels) und die zur Erzielung der vollständigen Härtung notwendige Sinterbe­ handlung im Rahmen der ersten bestimmungsgemäßen Verwendung eintreten zu lassen.

Wie bereits ausgeführt, eignet sich als Masse zur Herstellung des Fügeteils, insbesondere im Zusammenhang mit keramischen Komponenten, eine entsprechende keramische Masse. In die Masse können darüber hinaus Partikel eines Füllstoffes eingelagert sein, beispielsweise Kugeln mit Durchmessern von höchstens etwa 0,1 mm, womit der Masse und dem daraus zu bildenden Fügeteil die bereits erwähnten vorteilhaften Eigen­ schaften verliehen werden können.

Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Die Zeichnung ist zur Verdeutlichung der spezifischen Eigen­ schaften der Erfindung teilweise schematisiert und/oder leicht verzerrt gehalten. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 und Fig. 2 einen Querschnitt bzw. eine Schräg­ ansicht zweier erfindungsgemäß aneinander zu fügender Komponenten;

Fig. 3 einen Axialschnitt durch zwei erfindungsgemäß aneinander gefügte Rohrstücke;

Fig. 4 und Fig. 5 Ausführungsbeispiele für Bestandteile von Hitzeschilden, unter Einbeziehung erfindungsgemäßer Fügeverbindungen.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen zwei Komponenten 2, die bei­ spielsweise Kacheln aus einem keramischen Hitzeschild einer Gasturbinenanlage sein können und im Sinne der Erfindung aneinander zu fügen sind. Die Kacheln 2 sind be­ züglich der Belastungsrichtung 8, in der die gefügte Anordnung belastbar sein soll, etwa flach und liegen an einer winklig zu der Belastungsrichtung 8 ausgerichteten Fügefläche 1 aneinander. An der Fügefläche 1 sind in die Kacheln 2 Nuten 10 eingebracht, die an der Fügefläche 1 ineinander übergehen und so einen Fügekanal 9 bilden, der zur Bildung der Fügeverbindung mit einem Fügeteil 7 auszufüllen ist. Um den erfindungsgemäßen Formschluß zu erzielen, muß jede Nut 10 die Komponente 2, in der sie sich befindet, hinterschneiden; in Fig. 1 sind die durch die winklige Ausrichtung der Fügefläche 1 relativ zur Belastungsrichtung 8 definierten Hinterschneidungen 20 angedeutet. An diesen Hinterschneidungen 20 erfolgt eine Kraftübertragung zwischen dem Fügeteil 7 und jeder Komponente 2, wodurch der für die Wirksamkeit der Fügeverbindung notwendige Formschluß entsteht. Im Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 1 und Fig. 2 ist die Fügefläche 1 eben, so daß es im Prinzip möglich ist, die Komponenten 2 zunächst an der Fügefläche 1 aneinanderzulegen und an­ schließend das vorgefertigte Fügeteil 7 einzuführen - in Fig. 2 ist dies andeutungsweise dargestellt. Selbstver­ ständlich ist es auch möglich, zur Bildung des Fügeteils 7 den Fügekanal 9 mit einer aushärtbaren Masse, beispiels­ weise einer keramischen Formmasse oder einem flüssigen Metall, auszugießen und so das Fügeteil 7 unmittelbar in dem Fügekanal 9 entstehen zu lassen. Alternativ hierzu können auch vor Aneinanderlegung der Komponenten 2 die Nuten 10 mit einer knetbaren oder pastösen, härtbaren Masse aus­ gefüllt werden, wobei bei der Aneinanderlegung dafür Sorge getragen werden muß, daß die in die Nuten 10 eingefügten Massen sich in ausreichendem Umfang miteinander verbinden. Solches kann unter Umständen unterstützt werden durch Behandlung Ultraschall oder dergleichen. Es sei darauf hinge­ wiesen, daß insbesondere bei separater Ausfüllung jeder Nut 10 die verwendete Masse bei der Aneinanderlegung der Kompo­ nenten 2 aus dem Fügekanal 9 austreten und sich an der Fügefläche 1 zwischen den Komponenten 2 ablagern kann. Die Haltbarkeit der Fügeverbindung wird dadurch nicht beein­ trächtigt; die Vermeidung des Austretens von Masse aus dem Fügekanal 9 ist in erster Linie eine Frage der bei der Bil­ dung der Fügeverbindung einzuhaltenden, vorgegebenen Maße. Grundsätzlich ist es auch möglich, die aushärtbare Masse in Schläuchen, welche womöglich aus schmelzenden und/oder sich verflüchtigenden Werkstoffen bestehen, in den Füge­ kanal 9 bzw. die Nuten 10 einzubringen.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen Fügeverbindung zwischen zwei Rohrstücken 3, 4, wobei die Fügeverbindung durch ein zwischen die Rohrstücke 3, 4 eingefügtes Federteil 12 in der Belastungsrichtung 8, die parallel zur Achse 16 der Rohrstücke 3, 4 ist, vorge­ spannt ist. Um solches zu erreichen, müssen vor Einfügung des Fügeteils 7 in die ineinander übergehenden Nuten 10 die Rohrstücke 3 und 4 in Richtung der Achse 16 zusammen­ gepreßt werden. Die Fügefläche 1 ist im Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 3 im wesentlichen zylindrisch; gleiches gilt für den Ausschnitt 11 der Fügefläche 1, der das Fügeteil 7 durchschneidet und an dem die Rohrstücke 3, 4 aneinanderliegen; auf diese Weise ist die Hinterschneidung jedes Rohrstückes 3 bzw. 4 durch die jeweilige Nut 10 maximal, weshalb die Fügeverbindung besonders hoch belast­ bar ist. Es sei bemerkt, daß das Rohrstück 4, das zur Bildung der Fügeverbindung in das Rohrstück 3 eingescho­ ben ist, auch aus zwei Teilen bestehen kann, die an parallel zur Achse 16 ausgerichteten Teilfugen aneinander­ liegen und nicht unmittelbar stoffschlüssig miteinander verbunden sind; auch in einem solchen Fall wäre durch die dargestellte Fügeverbindung ein Formschluß zwischen den Teilen des Rohrstücks 4 sowie dem Rohrstück 3 erreicht. Auch kann, insbesondere durch Auswahl eines geeigneten Werkstoffes für das Fügeteil 7 und ggf. entsprechende Vorbereitung des Ausschnitts 11 der Fügefläche 1, erreicht werden, daß die aneinander gefügten Rohrstücke 3, 4 gegen­ einander verdrehbar sind.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungsbeispiele von Kacheln 2, die Bestandteile eines Hitzeschildes in einer Gasturbinen­ anlage sind. Die Fügeverbindung dient zur Anfügung bestimm­ ter Teile 5, 6 an die Kacheln 2. Gemäß Fig. 4 ist an die Kachel 2 ein, wie diese selbst keramisches, separates Fuß­ teil 5 angefügt, an dem die Kachel 2 mittels einer Schraube 15 an einer metallischen Tragstruktur 14, speziell in einer Aussenkung dieser Tragstruktur 14, befestigt ist. Das Fuß­ teil 5 ist bezüglich der Achse 16 becherförmig.

Die Belastungsrichtung 8, in der die durch das Fügeteil 7 bestimmte Fügeverbindung belastbar sein soll, ist parallel zur Achse 16; eine Belastung der Kachel 2 in der Belastungs­ richtung 8 entspricht einem auf die Kachel 2 ausgeübten Druck oder Zug senkrecht zur Tragstruktur 14. Die Fügefläche 1 ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 14 ein Kegelstumpf mit zugehöriger Achse 16. Sie liegt in einer Aussenkung 17 der Kachel 2, in die das Fußteil 5 hineinreicht.

Fig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für eine Kachel 2, welche ein Bestandteil eines Hitzeschildes sein kann. Diese Kachel 2 kann ähnlich wie die in Fig. 4 dargestellte Kachel mit einer durch ein Befestigungsloch 19 gesteckten Schraube oder dergleichen an einer Trag­ struktur befestigt werden; der Übersicht halber sind Schraube und Tragstruktur nicht dargestellt. Anders als in Fig. 4 weist nach Fig. 5 die Kachel 2 ein angeformtes, becherförmiges Fußteil 18 auf, woran sie befestigbar ist. Um ein metallisches Befestigungselement nach Art einer Schraube (vgl. Fig. 4) vor einer übermäßigen thermischen Belastung zu schützen, ist das Innere des angeformten Fuß­ teils 18 von einer keramischen Abdeckung 6 abgedeckt. Die­ se Abdeckung 6 ist durch eine erfindungsgemäße Fügever­ bindung mit der Kachel 2 verbunden; die Fügeverbindung gleicht der anhand der Fig. 4 bereits erläuterten Füge­ verbindung. Die Abdeckung 6 weist zwei Ein- oder Ausgußka­ näle 13 auf, durch die zur Bildung des Fügeteils 7 eine fließfähige, eventuell pastöse Masse in den Fügekanal zwischen der Kachel 2 und der Abdeckung 6 einführbar ist. So ist eine besonders einfache Installierung der Kachel 2 und der Abdeckung 6 möglich: Zunächst wird die Kachel 2 an der zu schützenden Tragstruktur angeschraubt mittels einer durch das Befestigungsloch 19 geführten Schraube oder dergleichen, anschließend wird die Komponente 6 in die Kachel 2 eingesetzt und durch einen der Kanäle 13 eine das Fügeteil 7 bildende, aushärtende pastöse Masse eingeführt. Die vollständige Ausfüllung des Fügekanals (vgl. Fig. 1) zeigt sich, wenn diese Masse aus dem anderen Kanal 13 austritt.

Die erfindungsgemäße Fügeverbindung zwischen zwei an einer Fügefläche aneinanderliegenden Komponenten einer Gastur­ binenanlage ist den spezifischen Anforderungen an Füge­ verbindungen zwischen keramischen Komponenten besonders angepaßt, sie ist einfach herstellbar und vermeidet ins­ besondere Belastungen der Komponenten und des Fügeteils, die für keramische und andere spröde Werkstoffe nicht wünschenswert sind.

Claims (21)

1. Fügeverbindung zwischen zwei an einer Fügefläche (1) an­ einanderliegenden Komponenten (2; 3, 4; 5, 6) einer Gastur­ binenanlage, welche Fügeverbindung bestimmt ist durch ein Fügeteil (7), das in einer Belastungsrichtung (8) belastbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Fügeteil (7) in einem von der Fügefläche (1) durch­ schnittenen Fügekanal (9) liegt, welcher aus an der Füge­ fläche (1) ineinander übergehenden Nuten (10) in den Kompo­ nenten (2; 3, 4; 5, 6) gebildet ist;
• b) jede Komponente (2; 3, 4; 5, 6) von der in ihr befindlichen Nut (10), entlang der Belastungsrichtung (8) gesehen, hinterschnitten wird.

2. Fügeverbindung nach Anspruch 1, bei der die Fügefläche (1) zumindest teilweise nicht senkrecht zu der Belastungsrichtung (8) ausgerichtet ist.

3. Fügeverbindung nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein den Fü­ gekanal (9) umfassender Ausschnitt (11) der Fügefläche (1) nirgends etwa senkrecht zu der Belastungsrichtung (8) ausge­ richtet ist.

4. Fügeverbindung nach Anspruch 3, bei der der den Fügekanal (9) umfassende Ausschnitt (11) etwa parallel zu der Be­ lastungsrichtung (8) ausgerichtet ist.

5. Fügeverbindung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der jede Nut (10) einen abgerundeten, vorzugsweise etwa halbkreis­ förmigen, Querschnitt hat.

6. Fügeverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Fügeteil (7) den Fügekanal (9) im wesentlichen vollständig ausfüllt.

7. Fügeverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Fügekanal (9) im wesentlichen in sich geschlos­ sen ist.

8. Fügeverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Fügekanal (9) in einer etwa senkrecht zu der Be­ lastungsrichtung (8) ausgerichteten Ebene liegt.

9. Fügeverbindung nach Anspruch 8, bei der der Fügekanal (9) im wesentlichen in sich geschlossen ist und die den Füge­ kanal (9) bildenden Nuten (10) bezüglich einer Achse (16) rotationssymmetrisch sind.

10. Fügeverbindung nach Anspruch 9, bei der die Komponenten (2; 3, 4; 5, 6) um die Achse (16) gegeneinander verdrehbar sind.

11. Fügeverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Fügeteil (7) aus einem etwa homogenen Werkstoff besteht.

12. Fügeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der das Fügeteil (7) aus einem Werkstoff besteht, der eingelager­ te Partikel aufweist.

13. Fügeverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Fügeteil (7) aus einem keramischen Werkstoff besteht.

14. Fügeverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jede Komponente (2; 3, 4; 5, 6) aus einem keramischen Werkstoff besteht.

15. Fügeverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem in der Nähe des Fügekanals (9) zwischen den Kompo­ nenten (2; 3, 4; 5, 6) eingefügten Federteil (12), durch das die Fügeverbindung in der Belastungsrichtung (8) vorgespannt ist.

16. Fügeverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Komponenten (2; 3, 4; 5, 6) Bestandteile eines Heißgas führenden Systems, insbesondere einer Brennkammer oder eines Heißgaskanals, der Gasturbinenanlage sind.

17. Fügeverbindung nach Anspruch 16, bei der die Komponenten (2; 3, 4; 5, 6) Bestandteile eines Hitzeschildes sind.

18. Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Bildung des Fügeteils (7) der Fügekanal (9) mit einer härtbaren flüssigen, knetbaren oder pastösen Masse ausgefüllt und die Masse ausge­ härtet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Masse eine kera­ mische Formmasse ist.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem die Masse eingelagerte Partikel aufweist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem die Aushärtung der Masse zumindest teilweise bei einer thermischen Beanspruchung im Rahmen einer bestimmungsgemäßen Verwendung der Komponenten (2; 3, 4; 5, 6) erfolgt.