DE4343319A1 - Combustion chamber with a ceramic lining - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkammer, insbesondere für Gasturbinen, mit einem hohlzylindrischen Gehäuse, dessen Innenwand eine aus einzelnen Keramik-Elementen zusammenge setzte Auskleidung aufweist sowie ein Verfahren zur Her stellung bzw. Montage dieser Auskleidung.The invention relates to a combustion chamber, in particular for Gas turbines, with a hollow cylindrical housing, the Inner wall composed of individual ceramic elements has lining and a process for the manufacture position or assembly of this lining.
Zur Auskleidung von Flammrohren, welche einer hohen termi schen Beanspruchung unterworfen sind, werden üblicherweise hochwarmfeste metallische Werkstoffe verwendet, die zusätz lich in besonderen Anordnungen eingesetzt werden und gege benenfalls mit dünnen keramischen Schichten versehen sind.For lining flame tubes which have a high term are usually subjected to stress heat-resistant metallic materials are used, the additional Lich used in special arrangements and counter are also provided with thin ceramic layers.
Daneben finden auch Auskleidungen von Flammrohren mit dic ken keramischen Werkstoffen Anwendung. Bei der Auskleidung konkaver Flächen mit dicken Wandelementen vom Inneren des Flammrohrs her können Probleme auftreten, wenn die doppelte Spaltweite zwischen Nachbarelementen kleiner als die Diffe renz der äußeren und der inneren Sehnenlänge der Elemente ist. Diese Problematik wird am Beispiel eines zylindrischen Flammrohres mit gleichen Wandelementen in Fig. 1 erläu tert. In addition, linings of flame tubes with thick ceramic materials are also used. Problems can arise when lining concave surfaces with thick wall elements from the inside of the flame tube if the double gap width between adjacent elements is smaller than the difference between the outer and the inner chord length of the elements. This problem is explained using the example of a cylindrical flame tube with the same wall elements in FIG. 1.
Zur Zeit wird dieses Problem umgangen, indem entweder die Spalte groß genug gewählt oder indem die Kühlelemente axial eingeschoben werden. Zunächst werden diese bisher einge setzten Lösungen beschrieben.This problem is currently being circumvented by either Column chosen large enough or by the cooling elements axially be inserted. First of all, these are inserted so far described solutions.
Es ist seit langem bekannt (DE-PS 11 73 734), Brennkammern mit einer aus an Haltern befestigten feuerfesten Steinen aufgebauten Auskleidung zu versehen, die mechanisch an der tragenden Wand befestigt sind. Durch die vorhandenen Spalte tritt Leckageluft aus, die gleichzeitig zur Kühlung der me tallischen Halter dient.It has long been known (DE-PS 11 73 734), combustion chambers with one made of refractory stones attached to holders built lining to provide the mechanically on the supporting wall are attached. Through the existing column leakage air escapes, which at the same time cools the me serves metallic holder.
Aus der DE-OS 36 25 056 ist eine feuerfeste Auskleidung für Brennkammern von Gasturbinenanlagen bekannt, die aus ein zelnen Steinen besteht, welche unter Belassung von Kühl fluidspalten mit metallischen Halteklammern nahezu flächen deckend an einer Tragstruktur befestigt sind. Die Steine weisen dabei zumindest an den von Metallklammern gehalter ten Seiten zur Tragstruktur hin abgeschrägte Flanken auf, welche zumindest teilweise von den ebenfalls abgeschrägten Halteklammern überdeckt werden und so die Steine gegen die Tragstruktur drücken. Die bei dieser Bauform thermisch be sonders belastete Heißseite der Halteklammern wird dabei über Kühlfluidöffnungen in der Tragstruktur gekühlt.DE-OS 36 25 056 is a refractory lining for Combustion chambers of gas turbine plants known from one individual stones, which are left with cooling Fluid splitting with metallic holding clamps almost flat are opaque attached to a support structure. The stones point at least to the holder of metal clips flanks on the sides towards the supporting structure, which at least partially from the also beveled Brackets are covered and so the stones against the Press the support structure. The thermally be in this design particularly hot side of the holding clamps is thereby loaded cooled via cooling fluid openings in the support structure.
Ferner ist ein Hitzeschild für ein Flammrohr einer Gastur bine, das aus einer Vielzahl von Steinen besteht, die im wesentlichen flächendeckend nebeneinander angeordnet sind und jeweils mittels wenigstens eines zugehörigen Halters an der die Anordnung übergebenden Tragwand befestigt sind, aus der DE-41 14 768 A1 bekannt geworden.There is also a heat shield for a flame tube in a gas facility bine, which consists of a multitude of stones, which in the are essentially arranged side by side and each by means of at least one associated holder of the supporting wall which transfers the arrangement are attached DE-41 14 768 A1 become known.
Dieser ersten Gruppe von bekannten Auskleidungen ist ge mein, daß sie aus Einzelelementen bestehen, die unter Ver wendung zusätzlicher Haltemittel an der außen liegenden Tragstruktur, wobei die Spalte zwischen den einzelnen Ele menten so dimensioniert, daß die austretende Leckageluft die in den Spalten vorhandenen metallischen Halteelemente ausreichend kühlt. Diese Leckageluft stellt gleichzeitig einen Verlust an Verbrennungsluft dar.This first group of known linings is ge mean that they consist of individual elements, which under Ver use of additional holding means on the outside Support structure, with the column between the individual ele elements dimensioned so that the leakage air escaping the metallic holding elements in the columns cools sufficiently. This leakage air provides at the same time represents a loss of combustion air.
Ferner ist eine zweite Gruppe von Auskleidungen von Brenn kammern bekannt, die diese Spalte und die damit verbundene Leckageluft vermeiden, bei denen die keramischen Hit zeschilde aber in axialer Richtung in die metallische, meist annähernd zylindrische Haltestruktur eingeschoben werden müssen:Furthermore, a second group of linings from Brenn chambers known that this column and the associated Avoid leakage air where the ceramic hit zeschilde but in the axial direction in the metallic, mostly inserted approximately cylindrical holding structure Need to become:
Yukiyoshi Hara, "Research and Development of ceramic compo nents for a power generating gas turbine at Tokyo Electric Power Company"; FC Annual Report for Overseas Readers; 1991; Fine Ceramics for Future Creation; Japan Fine Cera mics Association; Pfeiffer A., Schulz A., Wittig S., "Design and Development of the ITS Ceramic Research Combu stor"; 1991 Yokohama-International Gas turbine Congress-45; III-9.Yukiyoshi Hara, "Research and Development of ceramic compo nents for a power generating gas turbine at Tokyo Electric Power Company "; FC Annual Report for Overseas Readers; 1991; Fine Ceramics for Future Creation; Japan Fine Cera mics Association; Pfeiffer A., Schulz A., Wittig S., "Design and Development of the ITS Ceramic Research Combu stor "; 1991 Yokohama-International Gas turbine Congress-45; III-9.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe die ser Erfindung, eine Tragwand einer Brennkammer der eingangs genannten Art mit konkaver Oberfläche von innen derart auszukleiden, daß große Spalte vermieden werden, wie in der ersten Gruppe von bekannten Auskleidungen und daß die Ele mente nicht in axialer Richtung eingeschoben werden müssen, wie in der zweiten Gruppe von bekannten Auskleidungen. Un ter großer Spalt wird hierbei eine Spaltweite verstanden, welche es zuläßt, ein beliebiges Keramikelement aus seiner jeweiligen Lage zu entfernen, ohne daß vorher andere Ele mente entfernt werden müssen.Based on this state of the art, it is the task water invention, a supporting wall of a combustion chamber of the entry mentioned type with concave surface from the inside undress that large gaps are avoided, as in the first group of well-known linings and that the Ele elements do not have to be inserted in the axial direction, as in the second group of well-known linings. Un the large gap is understood to mean a gap width, which allows any ceramic element from its to remove the respective layer without other Ele elements must be removed.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den kenn zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, daß die einzelnen Keramikelemente der Auskleidung als Tra pezoeder ausgebildet sind und praktisch spaltfrei aneinan derliegend radial an die Tragwand angesetzt und daran befe stigt sind.This object is inventively according to the kenn characterizing features of claim 1 solved, that the individual ceramic elements of the lining as Tra are formed pezeder and practically without any gaps attached radially to the supporting wall and befe on it are steady.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wer den die einzelnen Keramik-Elemente, aus denen die Ausklei dung zusammengesetzt ist und die als Trapezoeder ausgebil det sind, d. h. als Körper mit trapezförmigen Querschnitt, abwechselnd mit ihrer größeren und ihrer kleineren Seite, die als Rückseite dient, an die Tragwand angesetzt. Dabei sind die Anlageflächen der Keramikelemente jeweils an die Geometrie der Tragwand der Brennkammer angepaßt.According to a preferred embodiment of the invention, who the individual ceramic elements that make up the lining is composed and trained as a trapezoid are d. H. as a body with a trapezoidal cross-section, alternating with their larger and their smaller side, which serves as the back, attached to the supporting wall. Here are the contact surfaces of the ceramic elements on the Adjusted geometry of the combustion chamber's bulkhead.
Die vorliegende Erfindung ist für den Fall vorgesehen, in welchem eine axiale Montage aufgrund der bestehenden räum lichen Verhältnisse nicht möglich ist und die einzelnen Ke ramik-Elemente daher jeweils in radialer Richtung an die Innenwand des Gehäuses der Brennkammer angesetzt werden müssen.The present invention is intended for the case in which an axial assembly due to the existing space conditions is not possible and the individual ke Ceramic elements therefore in each case in the radial direction Inner wall of the housing of the combustion chamber can be attached have to.
Hierbei ergibt sich das Problem, wie der sogenannte Schluß stein gesetzt werden kann. Da eine axiale Einfügung des so genannten Schlußsteins aufgrund der räumlichen Verhältnisse ausscheidet, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, den Schlußstein, der ebenfalls als Trapezoeder ausgebildet ist, mit seiner kleineren Fläche an die Gehäus einnenwand der Brennkammer anzusetzen und mittels eines zu vor darin verankerten Haltemittels an der Innenwand zu be festigen. Gemäß dieser Variante ist dabei vorgesehen, daß die bestimmungsgemäß nicht parallelen Flächen des als Schlußstein dienenden Keramik-Elements an die Seitenflächen der angrenzenden Keramik-Elemente angepaßt sind, so daß in erfindungsgemäßer Weise die Keramik-Elemente eng aneinan derliegend eine bogenähnliche Struktur aufweisen.Here the problem arises, like the so-called conclusion stone can be placed. Because an axial insertion of the so mentioned keystone due to the spatial conditions leaves, is in a further embodiment of the invention provided the keystone, also as a trapezoid is formed with its smaller area to the housing to set the inner wall of the combustion chamber and by means of a to be anchored to the inner wall in front of it consolidate. According to this variant, it is provided that the designated non-parallel surfaces of the as Keystone serving ceramic element on the side surfaces the adjacent ceramic elements are adapted so that in inventive way the ceramic elements closely together which have an arch-like structure.
Aus Vereinfachungsgründen für die Montage kann es vorteil haft sein, daß zwischen zwei mit ihrer größeren Seite an die Innenwand des Brennkammergehäuses angesetzte Keramik- Elemente jeweils ein Keramik-Element mit seiner kleineren Seite an die Innenwand angesetzt ist, das in der bereits erläuterten Weise mit einem Haltemittel daran befestigt ist. Dabei sind die Haltemittel in vorteilhafter Weiterbil dung der Erfindung als Bolzen ausgebildet, die in hierfür vorgesehene, vorzugsweise als Langlöcher ausgebildete Ausnehmungen in der Gehäusewand eingreifen.For reasons of simplification for assembly, it can be advantageous be that between two with their larger side the inner wall of the combustion chamber housing Elements each have a ceramic element with its smaller one Is attached to the inner wall, which is already in the explained manner attached to it with a holding means is. The holding means are advantageous in further development extension of the invention designed as a bolt in this provided, preferably designed as elongated holes Engage recesses in the housing wall.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Hal temittel formschlüssig in den Keramik-Elementen gehalten sind und an ihrem freien Ende als Schraubbolzen ausgebildet sind.In a development of the invention it is provided that the Hal held positively in the ceramic elements are and formed at their free end as a bolt are.
Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin dung sind Gegenstand der Unteransprüche.These and other advantageous refinements of the Erfin are subject of the subclaims.
Anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen sowie besondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.Using a schematically shown in the drawing Exemplary embodiment, the invention should be advantageous Refinements and improvements as well as special advantages the invention are explained and described in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik, Fig. 1 shows an embodiment according to the prior art,
Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemä ßen Auskleidung im Teilschnitt, Fig. 2 shows a first embodiment of an inventive liner SEN in partial section,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemä ßen Auskleidung im Teilschnitt, Fig. 3 shows a second embodiment of an inventive liner SEN in partial section,
Fig. 4 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemä ßen Auskleidung im Teilschnitt. Fig. 4 shows a third embodiment of a lining according to the invention in partial section.
In Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Teil der Tragwand 12 einer Brennkammer 10 mit daran auf der konkaven Innenseite angeordneten im wesentlichen gleichför migen Keramikelementen 13, welche die Auskleidung bilden. Zwischen den Keramikelementen 13 sind Spalte 13.1 und 13.2 vorgesehen, deren Spaltweite h₁ und h₂ ausreichend groß ist um eine Einzelmontage bzw. Einzeldemontage eines einzelnen Keramikelements zu ermöglichen. Hierfür gilt die folgende geometrische Beziehung zwischen den die Spalte 13.1 und 13.2 begrenzenden Seitenwänden jedes Keramikelements und deren lotrechtem Abstand entsprechend einer Sehne im Kreis mit h₁ + h₂ s₂ - s₁. Erst wenn die Spaltweite derart eng, entsprechend der Erfindung vorgesehen ist, daß h₁ + h₂ < s₂ - s₁ gilt, dann ist eine singuläre Montage oder Demontage eines einzelnen Keramikelements, d. h., ohne vorher andere Elemente entfernt zu haben, nicht möglich.In Fig. 1 is a schematic cross section through part of the support wall 12 of a combustion chamber 10 with arranged thereon on the concave inside substantially uniform ceramic elements 13 which form the lining. Gaps 13.1 and 13.2 are provided between the ceramic elements 13 , the gap width h 1 and h 2 of which is sufficiently large to enable individual assembly or disassembly of an individual ceramic element. For this, the following geometric relationship applies between the side walls of each ceramic element delimiting the columns 13.1 and 13.2 and their vertical distance corresponding to a chord in a circle with h 1 + h 2 s 2 - s 1. Only when the gap width is so narrow, according to the invention, that h 1 + h 2 <s 2 - s 1 applies, is a singular assembly or disassembly of an individual ceramic element, ie without having previously removed other elements, not possible.
In Fig. 2 ist ausschnittweise ein Teil einer Brennkammer 10 mit einer Tragwand 12 dargestellt, an deren Innenseite eine keramische Auskleidung 14 angeordnet ist. Die kerami sche Auskleidung 14 ist aus einzelnen Keramikelementen 15, 16 zusammengesetzt, die jeweils als Trapezoeder ausgebildet sind und wechselweise mit ihrer größeren bzw. mit ihrer kleineren Grundfläche an die Innenseite der Tragwand 12 an gesetzt und daran befestigt sind. Hierbei sind die Grund flächen eines jeden Keramikelements 15, 16 jeweils an die Geometrie der Tragwand bzw. der Innenseite der Auskleidung 14 angepaßt, d. h., auf der zur Tragwand weisenden Seite konvex und auf der zum Innenraum der Brennkammer 10 weisen den Seite konkav ausgebildet.In FIG. 2, a portion of a combustion chamber fragmentary 10 is shown with a supporting wall 12, is arranged on the inside of a ceramic liner 14. The kerami liner 14 is composed of individual ceramic elements 15 , 16 , each of which is designed as a trapezoid and alternately with its larger or with its smaller base on the inside of the support wall 12 and attached to it. Here, the base surfaces of each ceramic element 15 , 16 are each adapted to the geometry of the supporting wall or the inside of the lining 14 , ie, on the side facing the supporting wall, convex and on the inside of the combustion chamber 10 , the side is concave.
Die Seitenflächen der Keramikelemente sind gegenüber den Grundflächen so angestellt, daß sie einen Winkel ungleich 90° einschließen. Dabei beträgt der Winkel zwischen der größeren Grundfläche und der jeweiligen Seitenfläche <90°. Dementsprechend beträgt der Winkel zwischen der jeweiligen Seitenfläche und der gegenüberliegenden kleineren Grundflä che <90°.The side surfaces of the ceramic elements are opposite Base areas adjusted so that they are not at an angle Include 90 °. The angle between the larger base area and the respective side area <90 °. Accordingly, the angle between each is Side surface and the opposite smaller base area che <90 °.
Üblicherweise werden die Keramikelemente 15, 16 der Aus kleidung 14 in an sich bekannter hier nicht näher gezeigter Weise mit der Tragwand 12 mechanisch verbunden. Usually, the ceramic elements 15 , 16 of the clothing 14 are mechanically connected to the supporting wall 12 in a manner known per se, not shown here in detail.
In Fig. 3 ist eine ähnliche Anordnung einer Brennkammer 10 gezeigt mit einer Tragwand 12, wie in Fig. 1 dargestellt, wiedergegeben, bei welcher die Auskleidung 14 aus im we sentlichen gleichförmigen Keramikelementen 18 gebildet ist, deren Seitenflächen im Unterschied zu der in Fig. 1 ge zeigten Ausführungsform jeweils radial ausgerichtet sind. Zwar ist hierbei die jeweilige Anlagefläche der Seitenflä chen von benachbarten Keramikelementen 18 kleiner als bei der Ausführungsform nach Fig. 1 doch ergibt sich aufgrund der gleichförmigen radialen Ausrichtung der Seitenflächen ein kraftschlüssig wirksamer Verbund, der sich gegenseitig stützt und hierdurch ebenfalls den spaltfreien Zustand ge währleistet. Wie bereits in Fig. 2 gezeigt ist auch bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 3 ein Schlußstein 17 vorgese hen, der mit seiner kleineren Grundfläche an die Tragwand 12 angesetzt wird und dessen Seitenflächen entsprechend der aus Fig. 1 bekannten Abschrägung mit entsprechend angepaß ten Nachbarsteinen 19 zusammenarbeitet.In Fig. 3, a similar arrangement of a combustion chamber 10 is shown with a support wall 12 , as shown in Fig. 1, shown, in which the lining 14 is formed from we substantially uniform ceramic elements 18 , the side surfaces in contrast to that in Fig. 1 ge shown embodiment are each aligned radially. Although the respective contact surface of the side surfaces of adjacent ceramic elements 18 is smaller than in the embodiment according to FIG. 1, the uniform radial alignment of the side surfaces results in a non-positive connection which supports one another and thereby also ensures the gap-free state. As already shown in Fig. 2 and in the embodiment according to FIG. 3, a keystone 17 vorgese hen, which is set with its smaller base of the supporting wall 12 and its side surfaces corresponding to the known from FIG. 1 taper with correspondingly angepaß th neighboring stones 19 works together.
Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform einer erfin dungsgemäßen Auskleidung 14 für eine Brennkammer 10 mit ei ner Tragwand 13 unterscheidet sich von der in Fig. 2 ge zeigten Variante lediglich dadurch, daß die einzelnen Kera mikelemente 17, 18, 19 mittels darin verankerter Gewinde bolzen an der Tragwand 13 befestigt sind, welche mit hier nicht näher dargestellten für den Durchgriff der Gewinde bolzen vorgesehenen Ausnehmungen versehen ist.The embodiment shown in FIG. 4 of a lining 14 according to the invention for a combustion chamber 10 with egg ner supporting wall 13 differs from the variant shown in FIG. 2 only in that the individual ceramic elements 17 , 18 , 19 bolt by means of threads anchored therein are attached to the support wall 13 , which is provided with not provided here for the passage of the threaded bolt recesses.
Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Auskleidung wer den die einzelnen Keramikelemente 14, 15, 16, 17, 18, 19 in radialer Richtung an die Tragwand eng aneinander angesetzt. Zu diesem Zweck sind vorteilhafter Weise die Ausnehmungen in der Tragwand als Langlöcher gestaltet, um gegebenenfalls ein begrenztes seitliches Verschieben eines Keramikelements zu ermöglichen, damit es dicht am benachbarten Keramikele ment anliegt.In the manufacture of the lining according to the invention, the individual ceramic elements 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 are placed close together in the radial direction on the supporting wall. For this purpose, the recesses in the supporting wall are advantageously designed as elongated holes, in order, if necessary, to allow a limited lateral displacement of a ceramic element so that it lies tightly against the adjacent ceramic element.
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