EP0916897A2 - Hitzeschild - Google Patents

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EP0916897A2
EP0916897A2 EP98811060A EP98811060A EP0916897A2 EP 0916897 A2 EP0916897 A2 EP 0916897A2 EP 98811060 A EP98811060 A EP 98811060A EP 98811060 A EP98811060 A EP 98811060A EP 0916897 A2 EP0916897 A2 EP 0916897A2
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heat
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Mohamed Dr. Nazmy
Martin Scheu
Markus Staubli
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • Y10T428/131—Glass, ceramic, or sintered, fused, fired, or calcined metal oxide or metal carbide containing [e.g., porcelain, brick, cement, etc.]

Definitions

  • the invention is based on a heat shield according to the preamble of the first Claim.
  • Heat shields for example for use in thermal turbomachines and combustion chambers. These heat shields usually consist of a carrier material and a heat insulation layer which is connected to the carrier material via a binding layer. This bonding layer is applied in a vacuum-plasma process, which limits the size of the workable parts by the size of the vacuum chamber and makes production more expensive. Another problem is that at application temperatures above 900 ° C the bonding layer usually fails and the thermal insulation layer falls off. This will cause the heat shield to fail. From DE 3327216 A a heat protection layer made of a metallic felt which is infiltrated with zirconium oxide and filled up by means of CVD has become known.
  • the metallic felt serves as a framework for the zirconium oxide coating.
  • the disadvantage of this protective layer are the high manufacturing costs and the insufficient properties with regard to heat and oxidation resistance, especially the structure of the framework.
  • the heat protection layer can also only with great difficulty, i.e. by means of large cooling air consumption can be cooled.
  • the invention is based, with a heat shield of the aforementioned object Way of providing a cheap and efficient heat shield.
  • the heat shield is made of a felt-like material consists of compressed and sintered intermetallic fibers.
  • intermetallic fibers based felt-like material can be used at temperatures above 1000 ° C because the intermetallic fibers have a high heat resistance, a have high resistance to oxidation and advantageous thermal conductivity. These properties can also be determined by the selected intermetallic phase be set specifically and adapted to the respective conditions. Through the Porosity of the felt-like material can be a very efficient, low cooling air consuming Cooling are made possible.
  • a heat shield 1 is shown in the single figure.
  • a heat shield can Used in combustion chambers, thermal turbomachines such as gas turbines, etc. become.
  • the heat shield consists of a carrier material 2, one on top of it arranged felt-like material 3 of intermetallic fibers and one Thermal insulation layer 4.
  • the carrier material 2, which is usually metallic is, can have cooling channels 5.
  • the thermal insulation layer 4 is, for example made of zirconium oxide which is partially mixed with yttrium oxide, calcium oxide or magnesium oxide or has been fully stabilized.
  • the felt-like material 3 has become known, for example, from "VDI Report 1151, 1995, Metallische Hoch Temperaturfasem by Melt Extraction - Production, Properties and Applications, Stephani et al., Page 175ff". Fibers are produced there using the melt extraction process, the fibers are pressed and sintered. The felt-like material thus formed is used as a filter and as a catalyst carrier. According to the invention, this felt-like material is now made from intermetallic fibers. Intermetallic phases based on iron or nickel are advantageously used for this purpose. These have high heat resistance, high oxidation resistance and advantageous thermal conductivity. In addition, the abovementioned properties can be adjusted over a wide range by selecting an appropriate intermetallic phase. The felt-like material made of intermetallic fibers can also be produced very cheaply.
  • the porosity of the felt-like material can be influenced by the parameters of the manufacturing process how press pressure and sintering parameters are set.
  • the felt-like material made of intermetallic fibers is now on the carrier material attached.
  • the carrier material serves as a fastening and stabilizing agent for the felt-like material.
  • Thermal insulation layer applied this is done by known methods such as for example plasma sprays.
  • the thermal insulation layer adheres excellently the rough and porous surface of the felt-like material.
  • the thermal barrier layer reduces the temperature of the surface, the porous felt-like material is used for cooling. If the insulation layer fails, that is, if it is no longer available, the remaining is enough felt-like material due to the excellent properties in terms of heat resistance, Resistance to oxidation and advantageous thermal conductivity the intermetallic phases are still out. Even the felt-like material without a thermal barrier coating can thus be used as a heat shield, whereby here, however, in comparison to the additional use of a thermal barrier coating the cooling air consumption is somewhat higher.
  • the invention is not limited to that shown and described Embodiment limited.
  • the carrier material can also be omitted be when the felt-like material by a suitable choice of material and the porosity has sufficient inherent strength.

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Abstract

Bei einem Hitzeschild (1), insbesondere für Brennkammer und für thermische Strömungsmaschinen, besteht der Hitzeschild aus einem filzähnlichen Material (3) aus zusammengepressten und gesinterten intermetallischen Fasern. Die intermetallischen Fasern bestehen vorteilhafterweise aus einer intermetallischen Phase auf Eisenbasis oder Nickelbasis. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem Hitzeschild nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.
Stand der Technik
Hitzeschilder, beispielsweise zur Verwendung in thermischen Strömungsmaschinen und Brennkammern sind bekannt. Diese Hitzeschilder bestehen üblicherweise aus einem Trägermaterial und einer Wärmedämmschicht, die über eine Bindeschicht mit dem Trägermaterial verbunden ist. Diese Bindeschicht wird im Vakuum-Plasma-Verfahren aufgetragen, was die Grösse der bearbeitbaren Teile durch die Grösse der Vakuumkammer begrenzt und die Herstellung verteuert. Ein weiteres Problem ist, dass bei Anwendungstemperaturen über 900°C die Bindeschicht üblicherweise versagt und die Wärmedämmschicht abfällt. Dies führt zu einem Versagen des Hitzeschildes.
Aus der DE 3327216 A ist eine Hitzeschutzschicht aus einem metallischen Filz welcher mittels CVD mit Zirkonoxid infiltriert und aufgefüllt wird bekannt geworden.
Dadurch entsteht eine dichte feste Hitzeschutzschicht. Der metallische Filz dient als Gerüststruktur für die Zirkonoxidbeschichtung. Der Nachteil dieser Schutzschicht sind die hohen Herstellungskosten und die ungenügenden Eigenschaften bezüglich Hitze- und Oxidationsbeständigkeit, insbesondere der Gerüststruktur. Die Hitzeschutzschicht kann zudem nur mit grossen Schwierigkeiten, d.h. mittels grossem Kühlluftverbrauch gekühlt werden.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Hitzeschild der eingangs genannten Art einen billigen und effizienten Hitzeschild zur Verfügung zu stellen.
Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.
Kern der Erfindung ist es also, dass der Hitzeschild aus einem filzähnlichen Material aus zusammengepressten und gesinterten intermetallischen Fasern besteht.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem dann zu sehen, dass durch die Verwendung von intermetallischen Fasern die zur Kühlung des Hitzeschildes benötigte Kühlluft deutlich reduziert werden kann. Das auf intermetallischen Fasern basierende filzähnliche Material kann bei Temperaturen von über 1000°C verwendet werden, da die intermetallischen Fasern eine hohe Hitzebeständigkeit, eine hohe Oxidationsbeständigkeit und vorteilhafte Wärmeleiteigenschaften aufweisen. Diese Eigenschaften können zudem durch die gewählte intermetallische Phase gezielt eingestellt und den jeweiligen Bedingungen angepasst werden. Durch die Porosität des filzähnlichen Materials kann eine sehr effiziente, wenig Kühlluft verbrauchende Kühlung ermöglicht werden.
Es ist vorteilhaft auf dem filzähnlichen Material zusätzlich eine Wärmedämmschicht aufzutragen. Diese hält ohne spezielle Zwischenschichten auf dem filzähnlichen Material und verringert zusätzlich den Kühlungsbedarf und erhöht damit den Wirkungsgrad des Hitzeschildes zusätzlich.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Die einzige Figur zeigt einen Teillängsschnitt durch einen Hitzeschild. Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In der einzigen Figur ist ein Hitzeschild 1 dargestellt. Ein solcher Hitzeschild kann in Brennkammern, thermischen Strömungsmaschinen wie Gasturbinen, usw. Verwendet werden. Der Hitzeschild besteht aus einem Trägermaterial 2, einem darauf angeordneten filzähnlichen Material 3 aus intermetallischen Fasern und einer Wärmedämmschicht 4. Das Trägermaterial 2, welches üblicherweise metallisch ist, kann Kühlkanäle 5 aufweisen. Die Wärmedämmschicht 4 besteht beispielsweise aus Zirkonoxid das mit Yttriumoxid, Calciumoxid oder Magnesiumoxid teil- oder vollstabilisiert wurde.
Das filzähnlichen Material 3 ist beispielsweise aus "VDI Bericht 1151, 1995, Metallische Hochtemperaturfasem durch Schmelzextraktion - Herstellung, Eigenschaften und Anwendungen, Stephani et al., Seite 175ff", bekannt geworden. Dort werden Fasern im Schmelzextraktionsverfahren hergestellt, die Fasern verpresst und gesintert. Das so gebildete filzähnliche Material wird als Filter und als Katalysator-Träger verwendet.
Erfindungsgemäss wird nun dieses filzähnliche Material aus intermetallischen Fasern hergestellt. Dazu werden vorteilhafterweise intermetallische Phasen auf Eisen- oder Nickelbasis verwendet. Diese weisen eine hohe Hitzebeständigkeit, eine hohe Oxidationsbeständigkeit und vorteilhafte Wärmeleiteigenschaften auf. Zudem sind die vorgenannten Eigenschaften durch die Wahl einer entsprechenden intermetallischen Phase in einem weiten Bereich einstellbar. Das filzähnliche Material aus intermetallischen Fasern lässt sich zudem sehr billig herstellen.
Die Porosität des filzähnlichen Materials kann durch die Parameter des Herstellungsprozesses wie Pressdruck und Sinterparameter eingestellt werden. Ein Vorteil dieser porösen Struktur ist, dass das filzähnliche Material sehr effizient direkt durch seine offene Porosität gekühlt werden kann. Durch die Porosität weist das filzähnliche Material eine grosse innere Oberfläche auf, die den Abwärmetransport vereinfacht.
Das filzähnliche Material aus intermetallischen Fasern wird nun auf dem Trägermaterial befestigt. Das Trägermaterial dient als Befestigungs- und Stabilisierungsmittel für das filzähnliche Material. Auf dem filzähnlichen Material wird die Wärmedämmschicht aufgebracht, dies geschieht durch bekannte Verfahren wie zum Beispiel Plasmasprayen. Die Wärmedämmschicht haftet hervorragend auf der rauhen und porösen Oberfläche des filzähnlichen Materials.
Die Wärmedämmschicht reduziert die Temperatur der Oberfläche, das poröse filzähnlichen Material dient der Kühlung. Falls die Wärmedämmschicht ausfällt, das heisst wenn sie nicht mehr zur Verfügung steht, reicht das verbleibende filzähnliche Material aufgrund der hervorragenden Eigenschaften bezüglich Hitzebeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und vorteilhafter Wärmeleiteigenschaften der intermetallischen Phasen immer noch aus. Selbst das filzähnliche Material ohne Wärmedämmschicht kann somit als Hitzeschild verwendet werden, wobei hier jedoch im Vergleich zur zusätzlichen Verwendung einer Wärmedämmschicht der Kühlluftverbrauch etwas höher liegt.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Das Trägermaterial kann auch weggelassen werden, wenn das filzähnliche Material durch eine geeignete Wahl des Werkstoffes und der Porosität eine genügende Eigenfestigkeit aufweist.
Bezugszeichenliste
1
Hitzeschild
2
Trägermaterial
3
filzähnliches Material
4
Wärmedämmschicht
5
Kühlkanäle

Claims (5)

  1. Hitzeschild (1), insbesondere für Brennkammer und für thermische Strömungsmaschinen,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Hitzeschild (1) aus einem filzähnlichen Material (3) aus zusammengepressten und gesinterten intermetallischen Fasern besteht.
  2. Hitzeschild nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die intermetallischen Fasern aus einer intermetallischen Phase auf Eisenbasis oder Nickelbasis bestehen.
  3. Hitzeschild nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das filzähnliche Material (3) aus intermetallischen Fasern auf einem Trägermaterial (2) angeordnet ist und / oder dass auf dem filzähnlichen Material aus intermetallischen Fasern eine Wärmedämmschicht (4) angeordnet ist.
  4. Hitzeschild nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wärmedämmschicht (4) aus teil- oder vollstabilisiertem Zirkonoxid besteht.
  5. Hitzeschild nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Hitzeschild (1) mittels einer offenen Porosität des filzähnlichen Materials (3) aus intermetallischen Fasern kühlbar ist
EP98811060A 1997-11-14 1998-10-22 Hitzeschild Expired - Lifetime EP0916897B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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EP (1) EP0916897B1 (de)
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