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Hochwarmfester temperaturwechselbeständiger keramischer Bauteil Die
Erfindung betrifft einen hochwarmfesten temperaturwechselbeständigen Bauteil aus
keramischen Massen. Es ist bekannt, als Werkstoff beispielsweise für die Auskleidung
von Feuerungen, Brennkammern u. dgl. keramische Massen zu verwenden, da diese in
bezug auf Hitzebeständigkeit befriedigende Eigenschaften aufweisen. Bei den im Betrieb
auftretenden hohen Temperaturen erfahren die aus derartigen Massen gefertigten Bauteile
jedoch Dehnungen, welche in einem sehr ungünstigen Verhältnis zu ihrer Bruchdehnung
stehen (Zugbruch ist in diesen Fällen meist maßgebend). Da diese Werkstoffe zudem
in der Regel spröde, d. h. plastisch nicht verformbar, sind, müssen plötzliche,
größere Temperaturänderungen im Betrieb vermieden werden, wenn gefährliche innere.
Spannungszustände des Bauteils nicht eintreten sollen. Aus der Erfahrung hat man
gelernt, einen Teil dieser Schwierigkeiten dadurch zu beseitigen, daß man beispielsweise
die Auskleidung einer Brennkammerw and in Einzelelemente kleinerer Flächengröße
auflöste, welche meist quer zur Richtung des größeren Temperaturgefälles kleinere
Abmessungen aufweisen als in der Tiefenrichtung. Mit Hilfe elastizitätstheoretischer
Untersuchungen läßt sich die Richtigkeit dieses empirisch gefundenen Grundsatzes
nachweisen und zeigen, daß eine Verkleinerung der Abmessungen quer zum Temperaturgefälle
eine Verkleinerung der Temperaturspannungen und damit eine Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit
zur Folge hat. In der Praxis ist es aber vielfach unmöglich, eine gewisse Bauteilgröße
des Einzelelementes zu unterschreiten. In diesem werden deshalb trotz Verringerung
der Oberflächengröße immer noch solche die innere Festigkeit gefährdende Wärmespannungen
auftreten können.
Es ist auch schon z. B. für Ausmauerungssteine
von Brennöfen vorgeschlagen worden, diese mit Einschnitten zu versehen, und zwar
an der Innenseite, die mit der Ofenatmosphäre unmittelbar in Berührung steht und
daher deren hohe Temperatur besitzt. Diese Ausführungsform verhindert jedoch nicht,
daß bei Umkehrung der Temperaturverhältnisse, etwa bei Unterbrechung des Verbrennungsvorganges
und Nachströmen von kalter Luft, nunmehr an der nicht mit Einschnitten versehenen
Außenseite jene Spannungsverhältnisse auftreten, die innen bei dieser Ausführung
vermieden werden sollen. Selbst dies ist jedoch nicht unter allen Umständen der
Fall. So wurde bisher noch nicht die Lehre gegeben, welche geometrischen Verhältnisse
die Einschnitte aufweisen müssen, um im Sinne einer Erhöhung der Temperaturwechselbeständigkeit
wirksam zu werden.-Bekannt sind auch Formsteine, -die Rillen, Einschnitte oder Kanäle
aufweisen, welche die verschiedensten Aufgaben erfüllen sollen, unter anderem auch,
um das Entstehen von Rissen beim Trocknen der Steine zu verhindern. Oft ist eine
größere kräftemäßige Belastung dieser Steine nicht möglich, da sie wegen ihrer Schwächung
durch die Einschnitte einer solchen nicht gewachsen wären. Auch hier wird keine
Lehre für die Ausgestaltung der Einschnitte zwecks Erhöhung der Temperaturwechselbeständigkeit
gegeben, weil dies nicht das beim Entwurf dieser Formsteine aufgestellte Ziel ist.
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Gemäß der Erfindung ist ein temperaturwechselbeständiger Bauteil dadurch
zu erzielen, daß die Oberflächen des Bauteils von schmalen Rillen durchzogen sind,
welche eine weitgehende Verformung ohne Weckung wesentlicher Zwangszustände zulassen.
Derartige Bauteile sind geeignet, großen, plötzlichen Temperaturänderungen zu widerstehen,
gleichgültig, ob es sich um Temperaturerhöhungen oder -verminderungen handelt, an
welcher Oberfläche der Temperaturstoß erfolgt, und ob der Angriff sich auf größere
oder kleinere Teile der Oberfläche erstreckt. Dadurch ist es dann auch nicht mehr
erforderlich, die Abmessungen des Einzelelementes quer zum Temperaturgefälle im
Verhältnis zur Tiefe klein zu halten, sondern das Einzelelement kann jede für den
betreffenden Zweck besonders geeignete Gestalt annehmen. Der erfindungsgemäße Gestaltungsgrundsatz
läßt sich auf alle, auch kleinste Bauteile, wie z. B. Turbinenschaufeln, übertragen,
die durch Temperaturspannungen,, allein oder im Verein mit weiteren zusätzlichen,
aus anderen Wirkungen resultierenden Spannungen, beansprucht werden. Je nach dem
erforderlichen Bereich der Betriebstemperaturen und der Wärmedehnzahl des gewählten
Werkstoffes genügt zur Erzielung des gewünschten Effektes eine Rillenbreite in der
Größenordnung eines Hundertteils des gegenseitigen Rillenabstandes, die Rillentiefe
beträgt hierbei zweckmäßigerweise ein Vielfaches ihrer Breite. Um eine Herabminderung
oder gar Verhinderung der Kerbwirkung an den Stellen zu erreichen, an welchen eine
derartige Rille in der Längs- oder Tiefenrichtung endet, ist" es zweckmäßig, die
Rillen am Rillengrund mit Ausrundungen zu versehen.
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Falls für den betreffenden Bauteil eine glatte Oberfläche erforderlich
ist, besteht in Weiterausbildung der Erfindung die Möglichkeit, die Rillen ganz
oder teilweise mit einer Masse auszufüllen, welche andere elastische und/oder andere
thermische Eigenschaften als der Werkstoff des keramischen Bauteils aufweist.
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Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel eines Bauteils nach der
Erfindung dar, und zwar zeigt Fig. i ein Plattenelement im Schnitt, an welchem verschieden
gestaltete Rillen dargestellt sind, Fig. 2 eine Draufsicht auf die Oberfläche eines
Plattenelementes.
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In Fig. .'i sind die Oberflächen eines plattenförmigen Baliteils i
vors schmalen Rillen 2 durchzogen. Dadurch erhalten die Randzonen des keramischen
Bauteils die Möglichkeit einer gewissen elastischen Verformbarkeit, wodurch innere
Spannungszustände, welche im Betrieb bei raschen, sich über größere Temperaturbereiche
erstreckenden Temperaturänderungen entstehen, nicht mehr eintreten können. Der gegenseitige
Abstand a der Rillen 2 ist dabei kleiner als der eineinhalbfache Betrag der senkrecht
zur gerillten Oberfläche gemessenen Bauteiltiefe b. Die Oberseite des Bauteils i
ist von gleichartigen, schmalen Rillen :2 durchzogen, welche entweder ganz oder
teilweise mit einer Füllmasse q. ausgefüllt sind. Dadurch erhält der Bauteil eine
für den jeweiligen Verwendungszweck gewünschte glatte Oberfläche. Auf der Unterseite
sind Beispiele für die verschiedene Ausbildung des Rillengrundes angegeben. Um die
Kerbwirkung der killenenden auszuschalten, sind diese mit Ausrundungen 3- versehen,
welche kreis- oder ellipsenförmig sein können. Die Rillen 2 sind wiederum ganz oder
teilweise mit einer Masse 4 ausgefüllt, welche entweder einen kleineren Elastizitätsmodul
oder eine kleinere Wärmeausdehnungszahl oder eine kleinere Temperaturleitzahl oder
eine kleinere Wärmeübergangszahl als der keramische Bauteil selbst besitzt, oder
welche eine beliebige Auswahl dieser Eigenschaften aufweist.
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Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Oberfläche eines mit killen 2
nach der Erfindung versehenen Bauteils. Diese Rillen überschneiden einander dabei
und bilden dadurch kleine Parzellen 5, welche sich unter dem Einfluß der Hitze allseitig
ohne Weckung von Wärmespannungen verformen können.