EP0895027A1 - Keramische Auskleidung - Google Patents

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EP0895027A1
EP0895027A1 EP97810539A EP97810539A EP0895027A1 EP 0895027 A1 EP0895027 A1 EP 0895027A1 EP 97810539 A EP97810539 A EP 97810539A EP 97810539 A EP97810539 A EP 97810539A EP 0895027 A1 EP0895027 A1 EP 0895027A1
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EP
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wall
metallic
opening
ceramic
box
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EP97810539A
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English (en)
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EP0895027B1 (de
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Klaus Dr. Döbbeling
Armin Dr. Heger
Andreas Dr. Pfeiffer
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Alstom SA
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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Priority to EP97810539A priority patent/EP0895027B1/de
Priority to US09/119,585 priority patent/US5957067A/en
Priority to JP10211000A priority patent/JPH1194241A/ja
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M5/00—Casings; Linings; Walls
    • F23M5/04—Supports for linings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M5/00—Casings; Linings; Walls
    • F23M5/02—Casings; Linings; Walls characterised by the shape of the bricks or blocks used
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/05002—Means for accommodate thermal expansion of the wall liner
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/05004—Special materials for walls or lining

Definitions

  • the invention relates to a ceramic lining according to the preamble of Claim 1.
  • Such linings are used in particular as inner wall insulation of metallic combustion chambers.
  • a ceramic lining of the type mentioned is known from DE 195 02 730 A1.
  • the lining there aims at an uncooled removable lining a combustion chamber with ceramic elements, which the high mechanical and thermal stresses in a commercial withstands the highly loaded combustion chamber.
  • the lining consists of at least one wall plate made of high temperature resistant Structural ceramics with at least one through opening and one fastener per opening.
  • the fastener is with his foot in a metallic one attached to the metallic supporting wall Holding device attached. The head of the fastener rests in the opening the wall plate.
  • the fastener consists of high temperature resistant Structural ceramics and is resiliently connected to the holding device. Is between the metallic wall and the ceramic wall plate an insulation layer is arranged.
  • the thickness of this insulation layer is according to the thermal load of the overall composite of the lining selected. she must be determined so that the maximum permissible temperatures of the metallic Do not exceed the bulkhead.
  • the insulation material can, for example be applied in the form of prefabricated blocks, in the area of Fastening bolt a corresponding hole for the assembly of the lining must be present. Because the mounting distance between two wall panels is determined by the thermal expansion of the wall panels, at least in Area below the butt joints of two adjacent panel elements suitably solidified on its surface or otherwise protected so that in the case of parasitic hot air flows in the gap, rinsing out the insulation layer is avoided. As a result of almost inevitable Vibrations of the combustion chamber or thermal influences can damage the insulation layer however, change their shape. This can loosen the body Attachment, which in the long term result in the loss of the insulation layer may have.
  • the invention is therefore based on the object of a ceramic lining of the type mentioned to create that without the previous insulation layer between metal wall and ceramic wall element.
  • the advantage of the invention can be seen in particular in that in addition to the Heat shield function for the new convection-free lining of the temperature gradient is set by mere heat radiation. Refraining from unstable Insulation materials lead to a reliable lining, which also manages with a smaller number of individual parts.
  • the wall element consists of several nested or stacked boxes.
  • the inner wall of the outer box on the inner wall of the box close to the wall support.
  • the one resting in the opening of the wall element Head of the fastener is stepped and at least two between the floor and metallic wall arranged support surfaces, one each this contact surface with the contact surface of one of the nested Boxes cooperates.
  • the hot gas flow With this measure, the facing ceramic part becomes the metallic one Wall still protected by the internal ceramic part, creating a Emergency operation is possible.
  • Ceramic wall elements 3 are arranged next to one another on the metallic support wall 1 of the combustion chamber. They consist of high-temperature-resistant structural ceramics, for example SiC or Si 3 N 4 . These wall elements 3 are fastened to the metal supporting wall 1 with the aid of fastening elements 4, which are each arranged in a metal holding device 5, which will be described in detail later. Like the wall elements 3, these fastening elements 4 also consist of high-temperature-resistant structural ceramics.
  • Fig. 2 shows a top view of a possible form of Wall elements 3.
  • the thickness d of the wall elements 3 results on the one hand from the required mechanical stability and on the other hand a minimization of the thermal stresses due to temperature gradients in the component.
  • a square contour can also be used Apply to flat or only slightly curved combustion chambers to undress.
  • Wall elements 3 with a rectangular, triangular or polygonal outer contour can be used. It is decisive i.a. that the elements - be it individually or in combination - are arranged so that they cannot rotate are.
  • a wall element 3 is box-shaped. As in Fig. 1 shown, it consists essentially of a parallel to the metallic Wall 1 extending floor 25, the outside against the hot combustion chamber is directed. In the center of the bottom 25 there is a through opening 6 for receiving a fastener 4, which is a bolt here, the consists of head, shaft and foot, arranged.
  • a fastener 4 which is a bolt here, the consists of head, shaft and foot, arranged.
  • a plurality of openings 6 be present in each wall element 3.
  • the perpendicular to the metallic wall extending inner wall 23 of the box, which surrounds the opening 6 in a ring shape, is supported on the metallic supporting wall.
  • the also perpendicular to the metallic Wall-extending outer walls 24 extend from the bottom of the Box down to the metallic support wall 1 without touching it.
  • the new shape of the wall element 3 makes it a convection-free chamber created in which the heat exchange essentially by radiation he follows. Adjacent chambers are with a small gap 28 between them Outer walls 24 mounted. This gap compensates for manufacturing and assembly inaccuracies as well as operational thermal expansion. He also serves as a throttle for gas flows.
  • the contact surface between the head 20 arranged in the opening 6 of the Fastening element 4 and the wall element 3 is carried out in an optimal manner, in order to make a clear contact even at small angular positions of the bolt ensure.
  • the head 20 has a spherical bearing surface provided with their roundness 21 on a straight cross-sectional support surface 22 is present. This straight section is in the area of the opening 6 beveled connection between the bottom 25 and the inner wall 23 of the Wall element.
  • this makes the contact surface between the fastening element 4 and the wall element 3 enlarged, on the other hand, the Heat flows in stationary and unsteady load gradients influenced so that only minimal thermal stresses arise.
  • This zone results from a coordination between the heat storage and heat conduction properties of the materials used. With this As a measure, the area in which line contact occurs can easily be taken determine, as the expected tolerances are usually known.
  • the Hertzian pressure on the surfaces pressed against each other - here convex Surface against flat surface - is significantly smaller than with the known ones Ball / ball sitting and can be easily determined analytically. Still will achieved a good sealing effect here, if this is desired at all.
  • This Sealing against the cooling air takes place on the one hand by the described seat between bolt and and the inner ceramic body of the wall element, on the other hand through the bearing surface of the inner wall 23 of the box on the metallic Support wall and the arrangement of the fastener on the cooling air side Metal wall.
  • the metallic holding device 5 consists of a longitudinally divided Threaded sleeve 7, which includes the foot of the fastener.
  • a threaded nut 9 is arranged on the external thread of the threaded sleeve 7, which are used to set the clamping force, as explained below can.
  • the nut 9 holds the two halves of the threaded sleeve 7 together.
  • the mutual positioning of the two threaded sleeve halves can be replaced by additional construction elements, e.g. the bolts, ensured become.
  • a square 10 serves to split the sleeve when tightening the threaded nut 9 hold. Positions 7 and 10 are part of the split sleeve.
  • the metallic holding device 5 consists of one in the metallic Carrying wall 1 embedded guide ring 11, a one-piece guide sleeve 12 for the fastener 4 and from between the guide sleeve 12 and the Guide ring 11 arranged spring elements 13.
  • the spring 13 is, for example, as shown in Fig. 1, a plate spring. Thanks to the elastic connection the ceramic structure on the metallic holding device is reached, that thermal relative strains between the metallic and ceramic Components are added without touching the contact surfaces impermissibly high voltages can be induced in the ceramic component. over a certain spring travel of the clamping (over that on the external thread the sleeve 7 screwed nut 9 adjustable) are almost constant clamping forces guaranteed.
  • Fig. 3 is a radiation-cooled 2-layer combustion chamber lining shown, in which the wall element (3) consists of two slipped boxes 26a, 26b.
  • the inner wall 23a of the outer box 26a is supported the inner wall 23b of the box 26b close to the wall.
  • the outer walls of the two Boxes 26a, 26b run parallel to one another and close one Sealing gap 27 between them.
  • a heat shield against the inside of the combustion chamber is thus formed by pure Radiation cooling to the outside of the combustion chamber.
  • the boxes form convection-free Chambers in which heat is transferred only by radiation. There is no need for unstable insulation material and separate cooling air.
  • the wall element 3 consists of two boxes 26a, 26b placed one above the other and the inner wall 23a of the outer box 26a fits onto the inner wall 23b of the box 26b near the wall.
  • the outer walls 24a, respectively. 24b the the two boxes extend on the same level.
  • the inner walls only roughly perpendicular to the metal wall; they are in their course adapted to the shape of the head 20 of the fastener. That head has two levels, each level with its own spherical support surface 21 is provided.
  • the overlaid one another Boxes each have a straight support surface on their inner walls.
  • a such a redundant version is particularly suitable for emergency operation.
  • the radially outer step due to damage to the box 26a the inner box can still function as a heat shield exercise.
  • the non-contact design of the outer walls 24 against the metallic Support wall 1, the sealing gaps 27 and the small gaps 28 between neighboring chambers are based on the following considerations. It is true that to prevent mutual contact between components and at the same time chokes to form for any gas flows.
  • the order of magnitude of the various gaps on the one hand due to manufacturing tolerances and on the other hand due to the thermal expansion occurring during operation. To reduce the throttle effect guarantee, the column will be made smaller than 0.5 mm.

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Abstract

Bei einer keramischen Auskleidung für Brennräume, bestehend aus mindestens einem Wandelement (3) aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik mit mindestens einer durchgehenden Öffnung (6) und aus einem aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik bestehenden Befestigungselement (4) pro Öffnung (6), ist das Befestigungselement (4) mit seinem Fuss in einer an der metallischen Tragwand (1) befestigten metallischen Haltevorrichtung (5) federelastisch befestigt. Der Kopf 20 des Befestigungselementes (4) ruht in der Öffnung (6) des Wandelementes (3).
Das Wandelement (3) ist kastenförmig ausgebildet, mit einem parallel zur metallischen Wand (1) verlaufenden Boden (25), mit einer Innenwand (23), welche die Öffnung (6) ringförmig umgibt und sich unmittelbar oder mittelbar auf der der metallischen Tragwand (1) abstützt und mit Aussenwandungen (24), welche sich bis zur metallischen Tragwand (1) hin erstrecken, ohne diese zu berühren.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine keramische Auskleidung gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solche Auskleidungen finden insbesondere Anwendung als innere Wandisolierung von metallischen Brennkammern.
Stand der Technik
Eine keramische Auskleidung der eingangs genannten Art ist bekannt aus der DE 195 02 730 A1. Die dortige Auskleidung bezweckt eine ungekühlte lösbare Auskleidung eines Brennraumes mit keramischen Elementen, welche den hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen in einer kommerziellen hochbelasteten Brennkammer Stand hält.
Die Auskleidung besteht hierzu aus mindestens einer Wandplatte aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik mit mindestens einer durchgehenden Öffnung und aus einem Befestigungselement pro Öffnung. Das Befestigungselement ist mit seinem Fuss in einer an der metallischen Tragwand befestigten metallischen Haltevorrichtung befestigt. Der Kopf des Befestigungselementes ruht in der Öffnung der Wandplatte. Das Befestigungselement besteht aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik und ist federelastisch an die Haltevorrichtung angebunden. Zwischen der metallischen Wand und der keramischen Wandplatte ist eine Isolationsschicht angeordnet. Die Vorteile werden darin gesehen, dass die Auskleidung auf Grund ihrer Homogenität und des eingesetzten Materials sehr hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen gewachsen ist, dass die Auskleidung zerstörungsfrei demontierbar ist und daher mehrfach verwendet werden kann. Ferner können durch die federelastische Anbindung der keramischen Struktur an die metallische Haltekonstruktion die thermischen Dehnungen zwischen metallischen und keramischen Komponenten bzw. Verformungen der Isolationsschicht durch mechanische Beanspruchungen aufgenommen werden.
Bei dieser bekannten Auskleidung wird die Dicke dieser Isolationsschicht gemäss der thermischen Belastung des Gesamtverbundes der Auskleidung gewählt. Sie ist so festzulegen, dass die maximal zulässigen Temperaturen der metallischen Tragwand nicht überschritten werden. Das Isolationsmaterial kann beispielsweise in Form von vorgefertigten Blöcken aufgebracht werden, wobei im Bereich des Befestigungsbolzens eine entsprechende Bohrung für die Montage der Auskleidung vorhanden sein muss. Da der Montageabstand zwischen zwei Wandplatten durch die thermischen Dehnungen der Wandplatten bestimmt ist, ist zumindest im Bereich unterhalb der Stossfugen zweier benachbarter Plattenelemente das Isolationsmaterial an seiner Oberfläche in geeigneter Weise verfestigt oder anderweitig geschützt, so dass bei parasitären Heissluftströmungen im Spalt ein Herausspülen der Isolationsschicht vermieden wird. Infolge von nahezu unvermeidlichen Vibrationen der Brennkammer oder durch thermische Einflüsse kann die Isolationsschicht jedoch ihre Form verändern. Dies kann zu einer Lockerung der Befestigung führen, was längerfristig den Verlust der Isolationsschicht zur Folge haben kann.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine keramische Auskleidung der eingangs genannten Art zu schaffen, die ohne die bisherige Isolationsschicht zwischen Metallwand und keramischem Wandelement auskommt.
Erfindungsgemäss wird dies mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 erreicht.
Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu zu sehen, dass neben der Hitzeschildfunktion bei der neuen konvektionsfreien Auskleidung der Temperaturgradient durch blosse Wärmestrahlung eingestellt wird. Der Verzicht auf instabile Isolationsmaterialien führt zu einer betriebssicheren Ausskleidung, die ausserdem mit einer geringeren Anzahl Einzelteile auskommt.
Es ist zweckmässig, wenn das Wandelement aus mehreren ineinandergeschachtelten oder übereinandergestülpten Kästen besteht. Dabei kann sich die Innenwand des äusseren Kastens auf die Innenwand des wandnahen Kastens abstützen.
Besonders günstig ist es, wenn der in der Öffnung des Wandelementes ruhende Kopf des Befestigungselementes gestuft ist und mindestens zwei zwischen Boden und metallischer Wand angeordnete Auflageflächen aufweist, wobei jeweils eine dieser Auflageflächen mit der Auflagefläche eines der ineinandergeschachtelten Kästen kooperiert. Bei einem allfälligen Bruch des äusseren, der Heissgasströmung zugekehrten Keramikteils wird mit dieser Massnahme die metallische Wand weiterhin vom innenliegenden Keramikteil geschützt, wodurch ein Notbetrieb möglich ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1
einen Teillängsschnitt der Auskleidung für eine Gasturbinen-Brennkammer;
Fig. 2
eine Draufsicht auf die Auskleidung bei Verwendung hexagonaler keramischer Wandelemente;
Fig. 3
eine erste Ausführungsvariante der Auskleidung mit mehreren Kammern;
Fig. 4
eine Ausführungsvariante des Befestigungsbolzens.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt einen Teillängsschnitt der erfindungsgemässen Auskleidung für eine Gasturbinen-Brennkammer. Auf der metallischen Tragwand 1 der Brennkammer sind keramische Wandelemente 3 nebeneinander angeordnet. Sie bestehehn aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik, beispielsweise SiC oder Si3N4,. Diese Wandelemente 3 sind mit Hilfe von Befestigungselementen 4, welche jeweils in einer metallischen Haltevorrichtung 5, die später im Detail beschrieben wird, angeordnet sind, an der metallischen Tragwand 1 befestigt. Diese Befestigungselemente 4 bestehen ebenfalls wie die Wandelemente 3 aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik.
Die äussere Form und die Abmessungen der Wandelemente 3 können problemlos an die Geometrie des auszukleidenden Raumes angepasst werden und sind in keiner Weise vorbestimmt. Fig. 2 zeigt in der Draufsicht eine mögliche Form der Wandelemente 3. Sie haben in dieser Ausführungsvariante eine sechseckige Aussenkontur. Aus Gründen einer einfachen Herstellung und einer gleichmässigen Spannungsverteilung bei thermischer und mechanischer Beanspruchung sind symmetrische Formen zu bevorzugen. Die Dicke d der Wandelemente 3 ergibt sich einerseits aus der geforderten mechanischen Stabilität und andererseits aus einer Minimierung der thermischen Spannungen auf Grund von Temperaturgradienten im Bauteil. Im einfachsten Fall kann auch eine quadratische Kontur zur Anwendung gelangen, um ebene oder nur leicht gekrümmte Brennräume auszukleiden. Ebenso sind auch Wandelemente 3 mit einer rechteckigen, dreieckigen oder beliebig vieleckigen Aussenkontur einsetzbar. Massgebend ist u.a. dass die Elemente -sei es einzeln oder im Verbund - verdrehsicher angeordnet sind.
Gemäss der Erfindung ist ein Wandelement 3 kastenförmig ausgebildet. Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht es im wesentlichen aus einem parallel zur metallischen Wand 1 verlaufenden Boden 25, dessen Aussenseite gegen den heissen Brennraum gerichtet ist. Im Zentrum des Bodens 25 ist eine durchgehende Öffnung 6 zur Aufnahme eines Befestigungselementes 4, welches hier ein Bolzen ist, der aus Kopf, Schaft und Fuss besteht, angeordnet. Selbstverständlich können in anderen, hier nicht gezeigten Ausführungsbeispielen auch mehrere Öffnungen 6 in jedem Wandelement 3 vorhanden sein. Die senkrecht zur metallischen Wand verlaufenden Innenwand 23 des Kastens, welche die Öffnung 6 ringförmig umgibt, stützt sich auf der metallischen Tragwand ab. Die ebenfalls senkrecht zur metallischen Wand verlaufenden Aussenwandungen 24 erstrecken sich vom Boden des Kastens hin bis zur metallischen Tragwand 1 hin, ohne diese jedoch zu berühren. Durch die neue Form des Wandelementes 3 wird eine konvektionsfreie Kammer geschaffen, in welcher der Wärmeaustausch im wesentlichen durch Strahlung erfolgt. Benachbarte Kammern werden mit kleinen Spalt 28 zwischen ihren Aussenwandungen 24 montiert. Dieser Spalt kompensiert Fertigungs- und Montageungenauigkeiten sowie betriebsbedingte Wärmedehnungen. Zudem dient er als Drossel für Gasströmungen.
Die Kontaktfläche zwischen dem in der Öffnung 6 angeordnetem Kopf 20 des Befestigungselementes 4 und des Wandelementes 3 ist in optimaler Weise ausgeführt, um auch bei geringen Winkellagen des Bolzens eine eindeutige Berührung sicherzustellen. Hierzu ist der Kopf 20 mit einer spärischen Auflagefläche versehen, die mit ihrer Rundung 21 auf einer im Querschnitt geraden Auflagefläche 22 anliegt. Dieser gerade Abschnitt ist die im Bereich der Öffnung 6 abgeschrägte Verbindung zwischen dem Boden 25 und der Innenwand 23 des Wandelementes. Dadurch wird einerseits die Kontaktfläche zwischen dem Befestigungselement 4 und dem Wandelement 3 vergrössert, andererseits werden die Wärmeflüsse bei stationären und instationären Beanspruchungsgefällen so beeinflusst, dass nur minimale thermische Spannungen entstehen. Die geometrische Gestaltung dieser Zone resultiert aus einer Abstimmung zwischen den Wärmespeicher- und Wärmeleitungseigenschaffen der verwendeten Materialien. Mit dieser Massnahme lässt sich auch der Bereich, in dem Linienkontakt auftritt, leicht bestimmen, da in der Regel die zu erwartenden Toleranzen bekannt sind. Die Hertz'sche Pressung bei den gegeneinander gepressten Flächen - hier konvexe Fläche gegen ebene Fläche - ist deutlich geringer als bei den bekannten Kugel/Kugel-Sitzen und lässt sich leicht analytisch bestimmen. Dennoch wird auch hier eine gute Dichtwirkung erzielt, sofern diese überhaupt gewünscht ist. Diese Abdichtung gegen die Kühlluft erfolgt zum einen durch den beschriebenen Sitz zwischen Bolzen und und dem inneren Keramikkörper des Wandelementes, anderseits durch die Auflagefläche der Innenwand 23 des Kastens auf der metallischen Tragwand und der Anordnung des Befestigungselementes auf der kühlluftseitigen Metallwand.
Für dieses keramische Befestigungselement 4 ist eine dehnungstolerante elastische Einspannung auf der Aussenseite der metallischen Tragwand 1 vorgesehen. Gemäss Fig. 1 besteht die metallische Haltevorrichtung 5 aus einer längsgeteilten Gewindehülse 7, welche den Fuss des Befestigungselementes umfasst. Auf dem Aussengewinde der Gewindehülse 7 ist eine Gewindemutter 9 angeordnet, über welche, wie weiter unten erklärt wird, die Einspannkraft eingestellt werden kann. Gleichzeitig hält die Mutter 9 die beiden Hälften der Gewindehülse 7 zusammen. Die gegenseitige Positionierung der beiden Gewindehülsehälften kann durch zusätzliche Konstruktionselemente, z.B. die Bolzen, sichergestellt werden. Ein Vierkant 10 dient dazu, die geteilte Hülse beim Anziehen der Gewindemutter 9 zu halten. Die Positionen 7 und 10 sind ein Teil der geteilten Hülse.
Weiterhin besteht die metallische Haltevorrichtung 5 aus einem in die metallische Tragwand 1 eingelassenen Führungsring 11, einer einteiligen Führungshülse 12 für das Befestigungselement 4 und aus zwischen der Führungshülse 12 und dem Führungsring 11 angeordneten Federelementen 13. Die Feder 13 ist beispielsweise, wie in Fig. 1 dargestellt, eine Tellerfeder. Durch die federelastische Anbindung der keramischen Struktur an die metallische Haltevorrichtung wird erreicht, dass thermische Relativdehnungen zwischen den metallischen und keramischen Komponenten aufgenommen werden, ohne dass an den Kontaktflächen unzulässig hohe Spannungen im keramischen Bauteil induziert werden. Über einen bestimmten Federweg der Einspannung (über die auf dem Aussengewinde der Hülse 7 aufgeschraubte Gewindemutter 9 einstellbar) werden nahezu konstante Einspannungskräfte gewährleistet.
In Fig. 3 ist eine strahlungsgekühlte 2-lagige Brennkammer-Auskleidung dargestellt, bei der das Wandelement (3) aus zwei übereinandergestülpten Kästen 26a, 26b besteht. Die Innenwand 23a des äusseren Kastens 26a stützt sich auf die Innenwand 23b des wandnahen Kastens 26b ab. Die Aussenwände der beiden Kästen 26a, 26b verlaufen parallel zueinander und schliessen einen Dichtspalt 27 zwischen sich ein.
Damit wird ein Hitzeschild gegen die Brennkammerinnenseite gebildet durch reine Strahlungskühlung zur Brennkammeraussensseite. Die Kästen bilden konvektionsfreie Kammern, in denen die Wärmeübertragung nur durch Strahlung erfolgt. Auf instabiles Isolationsmaterial und separate Kühlluft kann verzichtet werden.
In Fig. 4 ist ebenfalls eine 2-lagige Brennkammer-Auskleidung dargestellt, bei der das Wandelement 3 aus zwei übereinandergestülpten Kästen 26a, 26b besteht und sich die Innenwand 23a des äusseren Kastens 26a auf die Innenwand 23b des wandnahen Kastens 26b abstützt. Die Aussenwandungen 24a resp. 24b der beiden Kästen erstrecken sich in einer gleichen Ebene. Bei dieser Lösung verlaufen die Innenwände nur grob senkrecht zur Metallwand; sie sind in ihrem Verlauf der Form des Kopfes 20 des Befestigungselementes angepasst. Dieser Kopf weist zwei Stufen auf, wobei jede Stufe mit einer eigenen sphärischen Auflagefläche 21 versehen ist. Dementsprechend weisen auch die übereinandergestülpten Kästen je eine gerade Auflagefläche an ihren Innenwandungen auf. Eine solche redundante Ausführung eignet sich besonders für den Notbetrieb. Würde beispielsweise die radial äussere Stufe infolge Beschädigung des Kastens 26a versagen, so kann immer noch der innere Kasten seine Hitzeschildfunktion ausüben.
Der berührungsfreien Ausbildung der Aussenwandungen 24 gegen die metallische Tragwand 1, den Dichtspalten 27 sowie den kleinen Spalten 28 zwischen benachbarten Kammern liegen folgende Überlegungen zugrunde. Es gilt, den gegenseitigen Kontakt zwischen Bauteilen zu verhindern und gleichzeitig Drosseln für eventuelle Gasströmungen zu bilden. Hierzu wird die Grössenordnung der diversen Spalte einerseits bedingt durch Ferigungstoleranzen und anderersseits durch die im Betrieb auftretenden Wärmedehnungen. Um die Drosselwirkung zu gewährleisten, wird man die Spalte kleiner als 0.5 mm ausführen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigte und beschriebene Ausführung beschränkt. In Abweichung zur berührungsfreien Anordnung der Aussenwandungen 24 des Wandelementes gegen die zu kühlende metallische Wand könnte auch eine dichtende Verbindung in Betracht gezogen werden. Diese Lösung mit dann allseits geschlossenen Kästen wird man dann anwenden, wenn beispielsweise der Kasten evakuiert werden sollte.
Bezugszeichenliste
1
metallische Tragwand
3
keramisches Wandelement
4
Befestigungselement
5
Haltevorrichtung
6
Öffnung
7
Gewindehülse
8
Einwölbung
9
Gewindemutter
10
Vierkant
11
Führungsring
12
Führungshülse
13
Feder
20
Kopf des Befestigungselementes 4
21
Auflagefläche des Kopfes 20
22
Auflagefläche des Wandelementes
23, 23a, 23b
Innenwand des Wandelementes
24, 24a, 24b
Aussenwand des Wandelementes
25
Boden des Wandelementes
26, 26a, 26b
Kasten
27
Dichtspalt
28
Spalt zwischen 24
d
Dicke des Wandelementes 6

Claims (5)

  1. Keramische Auskleidung für Brennräume, bestehend aus mindestens einem Wandelement (3) aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik mit mindestens einer durchgehenden Öffnung (6) und aus einem aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik bestehenden Befestigungselement (4) je Öffnung (6), wobei das Befestigungselement (4) mit seinem Fuss in einer an der metallischen Tragwand (1) befestigten Haltevorrichtung (5) federelastisch angeordnet ist und der Kopf (20) des Befestigungselementes (4) in der Öffnung (6) des Wandelementes (3) ruht,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Wandelement (3) kastenförmig ausgebildet ist,
    mit einem parallel zur metallischen Wand (1) verlaufenden Boden (25), dessen Aussenseite gegen den Brennraum gerichtet ist,
    mit einer zumindest annähernd senkrecht zur metallischen Wand (1) verlaufenden Innenwand (23), welche die Öffnung (6) ringförmig umgibt und sich unmittelbar oder mittelbar auf der der metallischen Tragwand (1) abstützt,
    und mit zumindest annähernd senkrecht zur metallischen Wand (1) verlaufenden Aussenwandungen (24), welche sich bis zur metallischen Tragwand (1) hin erstrecken., ohne diese zu berühren.
  2. Keramische Auskleidung nach Anspruch 1,.dass die freien Stirnseiten der Aussenwandungen (24) die Tragwand (1) nicht berühren und mit ihr einen Spalt (28) einschliessen.
  3. Keramische Auskleidung nach Anspruch 1,.dass das Wandelement (3) aus mehreren ineinandergeschachtelten oder übereinandergestülpten Kästen (26a,26b) besteht, wobei sich die Innenwand (23a) des äusseren Kastens (26a) auf die Innenwand (23b) des wandnahen Kastens (26b) abstützt.
  4. Keramische Auskleidung nach Anspruch 3,.dass die Aussenwände der Kästen (26a, 26b) parallel zueinander verlaufen und einen Dichtspalt (27) zwischen sich einschliessen.
  5. Keramische Auskleidung nach Anspruch 3,.dass der in der Öffnung (6) des Wandelementes (3) ruhende Kopf (20) des Befestigungselementes (4) gestuft ist und mindestens zwei zwischen Boden und metallischer Wand angeordnete Auflageflächen (21) aufweist, wobei jeweils eine dieser Auflageflächen mit der Auflagefläche (22) eines der ineinandergeschachtelten Kästen (26a, 26b) kooperiert.
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