EP1327108B1 - Hitzeschildstein zur auskleidung einer brennkammerwand, brennkammer sowie gasturbine - Google Patents

Hitzeschildstein zur auskleidung einer brennkammerwand, brennkammer sowie gasturbine Download PDF

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EP1327108B1
EP1327108B1 EP01982399A EP01982399A EP1327108B1 EP 1327108 B1 EP1327108 B1 EP 1327108B1 EP 01982399 A EP01982399 A EP 01982399A EP 01982399 A EP01982399 A EP 01982399A EP 1327108 B1 EP1327108 B1 EP 1327108B1
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EP
European Patent Office
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heat shield
side region
hot
wall
grain size
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EP01982399A
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EP1327108A1 (de
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Christine Taut
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • 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
    • F23M5/00—Casings; Linings; Walls
    • 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
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12458—All metal or with adjacent metals having composition, density, or hardness gradient

Definitions

  • FGM Functional Gradient Material
  • the object of the invention is to provide an improved heat shield brick, in particular for lining a combustion chamber wall.
  • the heat shield brick is intended, in particular with regard to the different requirements on hot medium, e.g. a hot gas, exposable hot side and the opposite side of the hot side, be configured.
  • Another object of the invention is to provide a combustion chamber with an inner combustion liner and a gas turbine.
  • the invention is based on the observation that the requirements for heat shield bricks on the hot side and the hot side opposite wall side are different.
  • the heat shield stones become used for example in combustion chambers of stationary gas turbines and serve the thermal insulation of the usually metallic combustion chamber wall.
  • a heat shield brick is fastened with its wall side adjacent to a support structure on the combustion chamber wall.
  • the hot side is exposed to a hot medium, for example the hot combustion gas. Due to the conditions of use are therefore placed on the hot side of the heat shield bricks substantially different requirements than the contrast, much colder wall side.
  • the hot side of the heat shield bricks is subjected to high stress by fast flowing, corrosive, hot gases with typical temperatures of about 1500 ° C.
  • by loading and unloading operations of the gas turbine often abrupt temperature changes of up to 1000 ° C must be endured.
  • the lifetimes of the stones, which are aimed at under these conditions, are around 50,000 operating hours.
  • the relevant critical areas namely the hot side area adjoining the hot side and the wall side area of the heat shield block adjoining the wall side, are specifically adapted to the respective requirements with respect to their structure.
  • the particle size distribution in the hot side region and in the wall side region is adapted to the respective thermomechanical load in a region-specific manner.
  • the grain size is set in the wall side region and in the hot side region, wherein on average the particle size in the wall side region is smaller than in the hot side region.
  • the invention is thus characterized by a high degree of flexibility, since the relevant parameter, namely the particle size distribution or the arithmetic mean thereof, is a structural parameter which can be influenced a priori independently of the chemical composition and thus adjustable with respect to the abovementioned requirements ,
  • the particle size in the wall-side region is preferably smaller by about a factor of 0.4 to 0.9, in particular a factor of 0.6 to 0.8, than in the hot-side region.
  • the grain size in the hot side region and in the wall side region is adjustable relative to each other, so that one is largely independent of absolute dimensions of the heat shield stone and the relevant load areas (hot side area, wall side area).
  • the grain size in the wall side region is between about 0.6 mm and 1.4 mm. In particular, on average, the grain size in the wall side region is smaller than about 1.2 mm.
  • the number of layers is preferably about 5 to 30, in particular about 10 to 20.
  • the production of such a heat shield block with a grain size adjusted structure gradients can be such that a powder with a base material for the heat shield stone, such as a ceramic or other refractory material, one above the other is poured into layers to form a bed, and that correspond to the bed subsequently is sintered and sintered to the heat gradient stone having a structure gradient, wherein on average the grain size in the wall side region is smaller than in the hot side region and according to the number of layers, a gradual adjustment of the grain size takes place.
  • a powder with a base material for the heat shield stone such as a ceramic or other refractory material
  • the grain size changes substantially continuously.
  • a continuous change in the grain size is particularly advantageous because it virtually prevents any abrupt changes in the relevant material properties in the transition from the wall side region to the hot side region. By a correspondingly high number of layers, a quasi-continuous adjustment can be achieved.
  • a continuous or quasi-continuous transition of the particle size distribution (mean value of the grain size diameter distribution) can take place, for example, in a linear function.
  • higher-order polynomials or other continuous or continuously differentiable functions can also achieve this transition.
  • the choice is suitably made depending on load case and load history from the hot side to the wall side of the heat shield block and apply corresponding functions for the adaptation of the transition.
  • the heat shield brick is composed of at least two substances, with a first substance and with a second substance different therefrom.
  • heat shield bricks which consist at least of a two-substance mixture, can advantageously also be designed according to the concept of the invention with a range-specific grain size adaptation.
  • heat shield stones which are composed of more than two chemical compounds structurable in terms of their particle size distribution.
  • the concentration of the first substance in the wall side region is preferably greater than in the hot side region.
  • the advantages of a structural adjustment of the grain size in the hot side region and in the wall side region are advantageously combined with a chemical adaptation with regard to the concentration of the first substance in the wall side region and in the hot side region.
  • the structural gradation occurs in dual-substance mixtures a chemical grading, which is like the structural also gradual with a layer system or substantially continuously feasible from the hot side region in the wall side region.
  • the first material with the higher concentration in the wall side region than in the hot side region, advantageously has properties that increase the strength in the wall side region compared to the strength in the hot side region, because of the requirements, for example, when using the heat shield stone in the combustion chamber of a gas turbine, the wall side area Strength requires.
  • the strength requirement in the hot side region is of minor importance compared to the thermal shock resistance in the hot side region. Therefore, the concentration of the first substance in the hot side region is preferable to be set lower with respect to the cold side region. Adjustment of concentration, d. H. the concentration gradient of the first substance and / or of the second substance advantageously takes place gradually in corresponding layers or is adapted in a continuous manner.
  • the first substance is an oxide and the second substance is a silicate, in particular a silicate ceramic.
  • the first material is alumina Al 2 O 3 and the second material is aluminum silicate 3Al 2 O 3 • 2SiO 2 .
  • Heat-shielding bricks of a quality which contain aluminum silicate 3Al 2 O 3 .2SiO 2 and aluminum oxide Al 2 O 3 are particularly suitable for use under the conditions described above.
  • the alumina can be introduced as corundum (coarsely crystalline).
  • Aluminum oxide forms a lot hard, colorless crystals and has a high melting point at 2050 ° C. Therefore, it is particularly suitable for high temperature applications as part of a heat shield brick.
  • Aluminum silicate 3Al 2 O 3 • 2SiO 2 also referred to as mullite, is formed, for example, by firing (heating) of molded, moist clay, possibly with additions of quartz sand and feldspar, to sintering or melting.
  • Heat-shielded bricks, which comprise at least aluminum oxide and aluminum silicate, are readily adaptable with regard to the particle size in the hot-side region and in the wall-side region and with regard to the concentration proportions of the two substances.
  • the mullite content may be lower in the wall side area than in the hot side area compared to the aluminum oxide content.
  • the mullite portion in the wall side region may be significantly smaller than the aluminum oxide content.
  • the aluminum oxide content in the wall side region may be the dominant component in the composition of the heat shield brick.
  • the wall-side region may consist predominantly of aluminum oxide, in particular almost exclusively of aluminum oxide.
  • the mullite content is greater than the alumina content.
  • the mullite content is so much greater than the alumina content that, in particular, the mullite content is the dominant constituent of the heat shield stone in the hot side region.
  • the hot side region consists almost exclusively of mullite.
  • a heat shield brick preferably designed with a dominant mullite content in the hot side region and a dominant aluminum oxide content in the wall side region has high strength in the wall side region with simultaneously high thermal shock resistance in the hot side region.
  • the first material is a ceramic and the second material is a metal.
  • the first material is a ceramic and the second material is a metal.
  • the object directed to a combustion chamber is achieved according to the invention by a combustion chamber with an inner combustion chamber lining, which has heat shield stones according to the above statements.
  • the object directed to a gas turbine is achieved according to the invention by a gas turbine with such a heat shield block having combustion chamber.
  • the heat shield brick 1 has a cuboid geometry, with a hot side 3 and a hot side opposite wall side 5. On the hot side 3 is adjacent to a hot side region 7. On the wall side 5 adjoins a wall side region 9. The hot side region 7 and the wall side region 9 respectively extend from the hot side 3 and the wall side 5 into the interior of the cuboid heat shield stone 1.
  • the material of which the heat shield stone 1 is composed is in the wall side region 9 and in the hot side region 7 a respective particle size distribution. In this case, the particle size distribution is set so that on average the particle size D in the wall side region 9 is smaller than in the hot side region 7.
  • This structural design of the heat shield stone 1 this is adapted to the thermomechanical requirements area specific.
  • the heat shield block 1 when used in a combustion chamber, for example a combustion chamber of a gas turbine, the requirements for the heat shield block 1 in the hot side area 7 and the wall side area 9 are different.
  • the partially competing requirements in the hot side region 7 and in the wall side region 9 equally largely met and compared to conventionally designed heat shield bricks 1 significant improvements can be achieved.
  • the heat shield brick 1 is therefore designed for high-temperature applications and for exposure to a corrosive, hot medium, for example a hot gas, with temperatures of up to 1500 ° C.
  • FIGS. 2 and 3 In order to illustrate the different grain sizes in the hot side region 7 and in the cold side region 9, details II and III are shown in enlarged view in FIGS. 2 and 3, respectively.
  • the details X1, X2 are in this case increased by approximately the same factor compared to the representation in FIG. 2 shows the detail II, ie an enlarged section of the hot side region 7 of the heat shield block 1.
  • the hot side region 7 has a grain structure with a plurality of adjacent grains 21, 23.
  • the ensemble of a plurality of grains 21, 23 can be examined with respect to the grain size D, ie, the grain size diameter.
  • the grain size in the hot side region 7 on average has a size D H.
  • the grain structure in the wall side region 9 has a plurality of grains 25, 27 which adjoin one another and form a structure in the wall side region 9.
  • the grain size D W in the wall side region 9 is smaller than the grain size D H in the hot side region 7.
  • FIG. 4 shows a detail of a schematic side view of a heat shield block 1.
  • FIG. 5 shows a better comparison in this context.
  • layers 11A to 11F are provided.
  • the hot side region 7 comprises a layer 11A assigned to the hot side 3
  • the wall side region 9 comprises a the wall side 5 associated layer 11F comprises.
  • the heat shield brick 1 is in this case composed of at least two substances 17, 19, wherein a first substance 17 and one of which different second substance 19 is incorporated in the heat shield brick 1.
  • FIG. 5 shows a diagram which graphically illustrates the mean grain size D along the direction 13 from the hot side 3 to the wall side 7 (vertical axis).
  • the layer sequence of the layers 11A to 11F is illustrated along the direction axis 13.
  • the grain size D is plotted along the axis 15 (horizontal axis).
  • the heat-shielding brick 1 In the heat-side region 7 comprising the layer 11A, the heat-shielding brick 1 has a particle size D H.
  • the heat shield brick 1 In the wall side region 9 comprising the layer 11F, the heat shield brick 1 has a mean grain size D W.
  • the grain size D W is smaller than the grain size D H.
  • a respective grain size D is set.
  • the grain size D decreases in layers from the hot side 3 to the wall side 5.
  • a gradual, in particular step-shaped, adaptation of the grain size D is achieved, as a result of which the relevant material properties of the heat shield block 1, eg strength, thermal conductivity, ductility, etc. are also affected. are gradually matched to each other.
  • the relevant material properties of the heat shield block 1, eg strength, thermal conductivity, ductility, etc. are also affected. are gradually matched to each other.
  • abrupt changes in properties are avoided and the resilience and efficiency of the heat shield stone 1 forming material significantly increased.
  • FIG. 5 shows in simplified form possible variants for the course of the grain size D as a function of the layer sequence 11A to 11F.
  • the curve T 1 in this case provides an image of a gradual, in particular stepped, adaptation of the grain size D from the smaller grain size D W to the larger grain size D H , as they are set in the areas 7, 9 respectively.
  • layers 11A to 11F it is also possible to change the adaptation of the grain size D along a direction 13 from the hot side 3 to the wall side 9 by a continuous, but at least a quasi-continuous function.
  • a further curve T 2 is shown in the diagram of FIG.
  • the curve T 2 represents a linear adjustment along the direction axis 13.
  • the grain size D is changed from the hot side region 7 to the wall side region 9 along the direction axis 13 linearly from D H to D W.
  • the curves T 1 and T 2 but other adjustments of the grain size D along the direction axis 13 are possible.
  • adjustments by means of polynomials of higher order or optionally other continuous or continuously differentiable functions are possible. This is load-dependent and depending on the thermo-mechanical requirements for the heat shield stone 1 each adaptable.
  • an adjustment of the concentrations of the chemical constituents, namely the first substance 17 and the second substance 19 in the heat shield stone 1 can be adjusted.
  • a high thermal shock resistance in the hot side region 7 with a high strength in the wall side region 9 can be achieved.
  • Alumina Al 2 O 3 for example, is used as the first substance 17, while mullite 19 is used as the second substance.
  • the concentration of the first substance 17 and / or of the second substance 19 along the direction axis 13 can change from the wall side 3 to the hot side 5 in a manner adapted to the load.
  • the hot side 3 When used in a gas turbine, for example, the hot side 3 is exposed to a hot aggressive medium, the hot gas, and the concentration of the first material 17, for example alumina Al 2 O 3 , set in the wall side region 9 greater than in the hot side region 7.
  • the concentration of the second material 19, for example, mullite is the Concentration of the second material 19, for example, mullite, greater than the concentration of the first substance 17 (eg alumina Al 2 O 3 ).
  • the concentration of the first substance 17, for example aluminum oxide Al 2 O 3 in the wall side region 9 can be almost 100%, while in the hot side region 7 the concentration of the second material 19, eg mullite, is almost 100%.
  • FIG. 6 shows in highly schematic form and simplified in a longitudinal section a gas turbine 31.
  • a turbine axis 33 are arranged successively: a compressor 35, a combustion chamber 37 and a turbine part 39.
  • the combustion chamber 37 is lined with a combustion chamber lining 41.
  • the combustion chamber 37 has a combustion chamber wall 43. Through the combustion chamber wall 43, a support structure 45 is formed.
  • the combustion chamber 37 has heat shield stones 1, 1A, 1B according to the above explanations. In this case, the heat shield bricks 1, 1A, 1B with their wall side 5 of the support structure 45 facing to the support structure 45 by means of suitable fasteners, not shown, fastened.
  • the heat shield bricks 1, 1A, 1B are acted upon at least with their respective hot side 3 by a hot medium M, the hot gas of the gas turbine.
  • significant vibrations may occur, for example due to combustion chamber hum.
  • jerky acoustic combustion chamber vibrations with large vibration amplitudes can occur.
  • These vibrations lead to a considerable stress on the combustion chamber lining 41.
  • Both the support structure 45 and the heat shield bricks 1, 1A, 1B are affected.
  • shocks, especially the heat shield stones 1A, 1B are at risk, especially because of the risk of breakage.
  • the heat shields 1, 1A, 1B are particularly highly thermally stressed, in particular on the acted upon with the hot gas M hot side 3.
  • the design of the heat shields 1, 1A, 1B with a range specific load adjustment of the grain size D preferably also in addition
  • a heat shield brick 1, 1A, 1B adapted to the requirements is installed in the combustion chamber 37. This results in a particularly high insensitivity of the combustion chamber lining 41 against impacts or vibrations or temperature load, in particular thermal cycling.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hitzeschildstein (1,1A,1B), insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand (43), mit einer einem heißen Medium (M) aussetzbaren Heißseite (3) und einer der Heißseite (3) gegenüberliegenden Wandseite (5). An die Heißseite (3) grenzt ein Heißseitenbereich (7) an. An die Wandseite (5) grenzt ein Wandseitenbereich (9) an. Die mittlere Korngröße (D) im Wandseitenbereich (9) ist kleiner als im Heißseitenbereich (7) eingestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hitzeschildstein zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen Medium aussetzbaren Heißseite und einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite. Der Hitzeschildstein weist einen an die Heißseite angrenzenden Heißseitenbereich sowie einen an die Wandseite angrenzenden Wandseitenbereich auf. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung sowie eine Gasturbine.
  • Um einen extrem hohen Temperaturen ausgesetztes Bauteil, beispielsweise ein Hitzeschildelement, etwa einen Hitzeschildstein oder eine Gasturbinenschaufel, hitzebeständig zu machen, ist es z.B. aus der US-PS 4,321,311 bekannt, das Bauteil aus einem metallischen Grundkörper herzustellen und den metallischen Grundkörper mit einer keramischen Wärmedämmschicht aus ZrO2 zu beschichten. Die Anbindung der keramischen Wärmedämmschicht geschieht dabei über eine metallische Haftvermittlungsschicht aus einer Legierung der Art MCrAlY. Da die keramische Wärmedämmschicht in der Regel ein guter Sauerstoffionenleiter ist, kommt es im Laufe des Betriebseinsatzes des Bauteils zu einer Aufoxidation der Haftvermittlungsschicht, wodurch es zu einer Ablösung der Wärmedämmschicht von dem metallischen Grundkörper kommen kann. Dadurch ist die Einsatzdauer eines derartigen Bauteils beschränkt. Dies ist insbesondere bei häufigen Temperaturwechseln der Fall, welche beim An- und Abfahren einer Gasturbine auftreten.
  • In dem Artikel "Keramische Gradientenwerkstoffe für Komponenten in Verbrennungsmotoren" von W. Henning et al. in Metall, 46. Jahrgang, Heft 5, Mai 1992, Seiten 436 bis 439, ist zur Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit von Kolbenböden ein Faserkeramik-Körper mit Dichtegradienten angegeben. Dieser Faserkeramik-Körper ist aus vier Schichten unterschiedlicher Schichtdicke mit unterschiedlichem Keramikanteil aufgebaut. Der Unterschied in dem Keramikanteil besteht darin, dass sich das Verhältnis an Fasern (Al2O3-Kurzfasern) zu Keramikpartikeln aus Al2TiO5 der vier Schichten deutlich unterscheidet. Hierdurch ist auch die Porosität der vier Schichten deutlich voneinander verschieden. Die hohe Porosität der Schichten zwischen 40 % und 79 % wird dazu genutzt, um mittels Pressgießens in die Hohlräume des Faserkeramik-Körpers geschmolzenes Metall zur Herstellung eines defektfreien Verbundes einzubringen. Dadurch ist ein Kolbenboden herstellbar, der einen sich stark sprungartig ändernden Gradienten an Metall und Keramik aufweist. Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit der keramischen Anteile wird eine thermische Barriere gebildet und der Kolben somit isoliert. Zudem bewirkt die Faserkeramik eine mechanische Verstärkung des Kolbens und damit eine Verbesserung der Thermoschockbeständigkeit des Kolbens.
  • In dem Artikel "Projected Research on High Efficiency Energie Conversion Materials", von M. Niino, M. Koizumi in FGM 94, Proceedings of the 3rd International Symposium on Functional Gradient Materials, ed. B. Ilschner, N. Cherradi, S. 601-605, 1994, sind Verbundwerkstoff im Zusammenhang der Entwicklung von Werkstoffen für einen Raumgleiter angegeben, die als Functional Gradient Material (FGM) bezeichnet sind. Wesentliches Merkmal von FGM ist ein kontinuierlicher Zusammensetzungs- und/oder Mikrostrukturgradient, der zu einem kontinuierlichen Gradienten der relevanten Funktionen, z.B. der Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Duktilität und ähnliches mehr führen soll, wobei durch Vermeidung abrupter Eigenschaftsänderung die Belastbarkeit und Effizienz des Werkstoffs gesteigert werden soll. FGM sollen daher die positiven Eigenschaften von Schicht- und Stückverbunden in einem Werkstoff vereinen.
  • Aus der WO 98/53940 ist ein Metall-Keramik-Gradientenwerkstoff, insbesondere für ein Hitzeschild oder eine Gasturbinenschaufel, bekannt. Der Metall-Keramik-Gradientenwerkstoff weist einen metallischen Grundwerkstoff, eine Keramik und einen Zusatzstoff für einen Hochtemperatur-Oxidationsschutz auf. Hierbei nimmt die Konzentration des metallischen Grundwerkstoffs von einer metallreichen Zone in eine keramikreiche Zone ab, wobei die Konzentration des Zusatzstoffes einen Konzentrationsgradienten aufweist. In der WO 98/53940 ist weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Gradientenwerkstoffs sowie ein daraus hergestelltes Erzeugnis, beispielsweise eine Gasturbinenschaufel oder ein Hitzeschutzelement einer Gasturbine, beschrieben.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Hitzeschildstein, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, anzugeben. Der Hitzeschildstein soll insbesondere im Hinblick auf die unterschiedlichen Anforderungen auf der mit einem heißen Medium, z.B. ein Heißgas, aussetzbaren Heißseite und der der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite, ausgestaltet sein. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung sowie eine Gasturbine anzugeben.
  • Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Hitzeschildstein, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen Medium aussetzbaren Heißseite und einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite, und mit einem an die Heißseite angrenzenden Heißseitenbereich sowie einem an die Wandseite angrenzenden Wandseitenbereich, wobei im Mittel die Korngröße im Wandseitenbereich kleiner ist als im Heißseitenbereich.
  • Die Erfindung geht von der Beobachtung aus, dass die Anforderungen an Hitzeschildsteine auf der Heißseite und der der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite unterschiedlich sind. Im Betrieb eines Hitzeschildsteins werden die Hitzeschildsteine beispielsweise in Brennkammern von stationären Gasturbinen eingesetzt und dienen der thermischen Isolierung der üblicherweise metallischen Brennkammerwand. Ein Hitzeschildstein ist dabei mit seiner Wandseite angrenzend über eine Tragstruktur an der Brennkammerwand befestigt. Die Heißseite ist im Betrieb einem heißen Medium, beispielsweise dem heißen Verbrennungsgas, ausgesetzt. Aufgrund der Einsatzbedingungen sind an die Heißseite der Hitzeschildsteine daher wesentlich andere Anforderungen gestellt als an die demgegenüber viel kältere Wandseite. In einer Gasturbinenbrennkammer ist die Heißseite der Hitzeschildsteine einer hohen Beanspruchung durch schnell strömende, korrosive, heiße Gase mit typischen Temperaturen von etwa 1500 °C ausgesetzt. Außerdem müssen durch Be- und Entlastungsvorgänge der Gasturbine häufig schroffe Temperaturwechsel von bis zu 1000 °C ertragen werden. Die unter diesen Bedingungen angestrebten Lebensdauern der Steine liegen bei ca. 50.000 Betriebsstunden.
  • Mit der Erfindung wird ein neuer Weg beschritten, die teilweise konkurrierenden Erfordernisse, beispielsweise hohe Festigkeit auf der Wandseite und demgegenüber Ertragen hoher Wärmespannungen, Temperatur- und Temperaturwechselfestigkeit auf der Heißseite, mit dem vorgeschlagenen Hitzeschildstein besser miteinander zu verbinden. Dabei werden die relevanten kritischen Bereiche, nämlich der an die Heißseite angrenzende Heißseitenbereich sowie der an die Wandseite angrenzende Wandseitenbereich des Hitzeschildsteins hinsichtlich ihrer Struktur gezielt an die jeweiligen Anforderungen angepasst. Hierbei wird die Korngrößenverteilung im Heißseitenbereich und im Wandseitenbereich bereichsspezifisch an die jeweilige thermomechanische Belastung angepasst. Als ausgewählter Strukturparameter wird die Korngröße in dem Wandseitenbereich und in dem Heißseitenbereich eingestellt, wobei im Mittel die Korngröße im Wandseitenbereich kleiner ist als im Heißseitenbereich. Als Mittel der Korngröße wird hierbei der Mittelwert der Korngrößendurchmesserverteilung in einem jeweiligen Bereich verstanden. Mit einer an die Anforderungen angepassten Korngrößenstrukturierung der jeweiligen Bereiche ist ein hinsichtlich der Belastung angepasster und gegenüber herkömmlichen Hitzeschutzelementen verbesserter Hitzeschildstein realisiert. Hierbei können insbesondere die Anforderungen einer großen Thermoschockbeständigkeit im Heißseitenbereich sowie einer großen Festigkeit im Wandseitenbereich miteinander in einem Hitzeschildstein realisiert werden.
  • Vorteilhafterweise kann der Hitzeschildstein hierbei aus einem einheitlichen Material bestehen, beispielsweise aus einem feuerfesten Material, wobei lediglich die Einstellung der unterschiedlichen Korngrößen im Wandseitenbereich und im Heißseitenbereich erfolgt. Bereits durch die strukturelle Anpassung des Hitzeschildsteins wird das gewünschte Ergebnis erzielt. Es ist aber auch durchaus möglich einen Stein mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen, beispielsweise ein Gemisch aus zwei oder mehreren Substanzen, auszuwählen, und die strukturelle Anpassung in Bezug auf die Korngröße in dem Wandseitenbereich und in dem Heißseitenbereich gemäß der Erfindung in entsprechender Weise vorzunehmen. Die Erfindung zeichnet sich somit durch eine hohe Flexibilität aus, da der relevante Parameter, nämlich die Korngrößenverteilung oder das arithmetische Mittel hieraus, ein struktureller Parameter ist, der a priori unabhängig von der chemischen Zusammensetzung beeinflussbar und somit im Hinblick auf die oben genannten Anforderungen einstellbar ist.
  • Vorzugsweise ist die Korngröße im Wandseitenbereich um etwa einen Faktor 0,4 bis 0,9, insbesondere einen Faktor 0,6 bis 0,8, kleiner als im Heißseitenbereich. Durch diese Skalierungsfaktoren ist die Korngröße in dem Heißseitenbereich und in dem Wandseitenbereich relativ zueinander einstellbar, so dass man von absoluten Dimensionen des Hitzeschildsteins und der relevanten Belastungsbereiche (Heißseitenbereich, Wandseitenbereich), weitgehend unabhängig ist. Vorteilhafterweise sind dadurch Hitzeschildsteine unterschiedlicher Geometrie, Materialdicke oder Zusammensetzung, mit belastungsbereichsspezifischer Korngrößenanpassung realisierbar.
  • Vorzugsweise beträgt im Mittel die Korngröße im Heißseitenbereich zwischen etwa 1,5 mm und 3,5 mm. Insbesondere ist im Mittel die Korngröße im Heißseitenbereich größer als etwa 2 mm.
  • Bevorzugt beträgt im Mittel die Korngröße im Wandseitenbereich zwischen etwa 0,6 mm und 1,4 mm. Insbesondere ist im Mittel die Korngröße im Wandseitenbereich kleiner als etwa 1,2 mm.
  • Mit der Dimensionierung der Korngröße gemäß oben genannten Grenzen sind insbesondere Hitzeschildsteine mit Dimensionen, wie sie üblicherweise beim Einsatz eines Hitzeschildsteins in der Brennkammer einer Gasturbine von Bedeutung sind, belastungsgerecht angebbar. Im konkreten Fall ist natürlich empirisch und/oder rechnerisch die jeweilige thermomechanische Belastung im Wandseitenbereich und im Heißseitenbereich zu ermitteln, und eine belastungsgerechte Korngröße in den Bereichen präzise vorzusehen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind entlang einer Richtung von der Heißseite zu der Wandseite Schichten mit abnehmender Korngröße vorgesehen.
  • In den Schichten wird hierbei jeweils eine mittlere Korngröße eingestellt, so dass von dem Heißseitenbereich zu dem Wandseitenbereich die mittlere Korngröße schichtweise abnimmt. In jeder Schicht wird dabei vorzugsweise eine jeweilige Korngröße eingestellt. Diese schichtweise Abstufung der eingestellten Korngrößen in den Schichten erfolgt vorteilhafterweise graduell, so dass unzulässig große Änderungen (Sprünge) in den Materialeigenschaften weitgehend vermieden und ein Hitzeschildstein mit an die Anforderungen entsprechend angepassten Eigenschaften erreichbar ist. Die relevanten Werkstoffeigenschaften, z.B. Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Duktilität und ähnliches mehr, können durch die Vermeidung abrupter Eigenschaftsänderungen zu einer Steigerung der Belastbarkeit und Effizienz des Hitzeschildstein führen. Vorteilhafterweise kann dabei der Wandseitenbereich und/oder der Heißseitenbereich eine jeweilige Schicht mit entsprechender Korngrößenanpassung aufweisen.
  • Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Schichten hierbei etwa 5 bis 30, insbesondere etwa 10 bis 20.
  • Die genaue Wahl der Anzahl der Schichten hängt vom jeweiligen Belastungsfall und von der erforderlichen graduellen Anpassung der Korngröße von dem Heißseitenbereich zu dem Wandseitenbereich ab. Verfahrenstechnisch kann beispielsweise die Herstellung eines solchen Hitzeschildsteins mit einem bezüglich der Korngröße eingestellten Strukturgradienten derart erfolgen, dass ein Pulver mit einem Grundwerkstoff für den Hitzeschildstein, beispielsweise eine Keramik oder ein anderes Feuerfestmaterial, übereinander zu einer Schüttung schichtweise geschüttet wird, und dass die Schüttung anschließend entsprechen gepresst und zu dem einen Strukturgradienten aufweisenden Hitzeschildstein gesintert wird, wobei im Mittel die Korngröße im Wandseitenbereich kleiner ist als im Heißseitenbereich und entsprechend der Anzahl der Schichten eine graduelle Anpassung der Korngröße erfolgt.
  • Vorzugsweise ändert sich entlang einer Richtung von der Heißseite zu der Wandseite die Korngröße im Wesentlichen kontinuierlich.
  • Eine kontinuierliche Änderung der Korngröße ist besonders vorteilhaft, weil hierdurch praktisch jegliche abrupte Änderungen in den relevanten Materialeigenschaften beim Übergang von dem Wandseitenbereich zu dem Heißseitenbereich vermieden werden. Durch eine entsprechend hohe Anzahl von Schichten kann eine quasi-kontinuierliche Anpassung erreicht werden.
  • Herstellungstechnisch ist eine solche kontinuierliche Anpassung entsprechend aufwendiger. Ein kontinuierlicher oder quasi-kontinuierlicher Übergang der Korngrößenverteilung (Mittelwert der Korngrößendurchmesser-Verteilung) kann hierbei beispielsweise in einer linearen Funktion erfolgen. Allgemein können aber auch Polynome höherer Ordnung oder andere stetige oder stetig-differenzierbare Funktionen diesen Übergang erreichen. Die Wahl ist je nach Belastungsfall und Belastungsverlauf von der Heißseite zu der Wandseite des Hitzeschildsteins in geeigneter Weise zu treffen und entsprechende Funktionen für die Anpassung des Übergangs anzuwenden.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Hitzeschildstein aus mindestens zwei Stoffen, mit einem ersten Stoff und mit einem davon verschiedenen zweiten Stoff, zusammengesetzt.
  • Durch diese Ausgestaltung sind vorteilhafterweise auch Hitzeschildsteine, die zumindest aus einem Zweistoffgemisch bestehen, gemäß dem Konzept der Erfindung mit einer bereichsspezifischen Korngrößenanpassung ausgestaltbar. Neben Zweistoffgemischen sind auch Hitzeschildsteine, die aus mehr als zwei chemischen Verbindungen zusammengesetzt sind hinsichtlich ihrer Korngrößenverteilung strukturierbar.
  • Bevorzugt ist hierbei die Konzentration des ersten Stoffs im Wandseitenbereich größer als im Heißseitenbereich.
  • Hierdurch werden die Vorteile einer strukturellen Anpassung der Korngröße im Heißseitenbereich und im Wandseitenbereich in vorteilhafter Weise mit einer chemischen Anpassung hinsichtlich der Konzentration des ersten Stoffes im Wandseitenbereich und im Heißseitenbereich kombiniert. Zu der strukturellen Abstufung tritt bei Zweistoffgemischen eine chemische Abstufung, die wie die strukturelle auch graduell mit einem Schichtsystem oder im Wesentlichen kontinuierlich von dem Heißseitenbereich in den Wandseitenbereich durchführbar ist.
  • Durch die Abstufung der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung können abrupte Änderungen in den Materialeigenschaften in besonders vorteilhafter Weise vermieden werden. Die Anpassung des Hitzeschildsteins an die thermomechanischen Erfordernisse ist dadurch weiter verbessert. Durch die Korngrößen- und Konzentrationsanpassung ist ein mehrdimensionaler Parameterraum für eine belastungsbereichsspezifische Ausgestaltung eines Hitzeschildsteins erreicht.
  • Der erste Stoff, mit der höheren Konzentration im Wandseitenbereich als im Heißseitenbereich, weist vorteilhafterweise Eigenschaften auf, die die Festigkeit im Wandseitenbereich gegenüber der Festigkeit im Heißseitenbereich erhöhen, da aufgrund der Anforderungen beispielsweise beim Einsatz des Hitzeschildsteins in der Brennkammer einer Gasturbine, der Wandseitenbereich die größere Festigkeit erfordert. Demgegenüber ist das Festigkeitserfordernis im Heißseitenbereich von untergeordneter Bedeutung gegenüber der Thermoschockbeständigkeit im Heißseitenbereich. Daher ist die Konzentration des ersten Stoffes im Heißseitenbereich gegenüber dem Kaltseitenbereich vorzugsweise geringer einzustellen. Die Anpassung der Konzentration, d. h. der Konzentrationsgradient des ersten Stoffes und/oder des zweiten Stoffes erfolgt dabei vorteilhafterweise graduell in entsprechenden Schichten oder ist in kontinuierlicher Weise angepasst.
  • Vorzugsweise ist der erste Stoff ein Oxid und der zweite Stoff ein Silicat, insbesondere eine Silicatkeramik.
  • Vorzugsweise ist der erste Stoff Aluminiumoxid Al2O3 und der zweite Stoff Aluminiumsilicat 3Al2O3•2SiO2.
  • Als für den Einsatz unter den oben beschriebenen Bedingungen besonders gut geeignet erweisen sich Hitzeschildsteine einer Qualität, die Aluminiumsilicat 3Al2O3•2SiO2 sowie Aluminiumoxid Al2O3 enthalten. Das Aluminiumoxid kann dabei als Korund (grob kristallin) eingebracht sein. Aluminiumoxid bildet sehr harte, farblose Kristalle und weist einen hohen Schmelzpunkt bei 2050 °C auf. Daher ist es für Hochtemperaturanwendungen als Bestandteil eines Hitzeschildsteins in besonderer Weise geeignet. Aluminiumsilicat 3Al2O3•2SiO2, auch als Mullit bezeichnet, entsteht beispielsweise durch Brennen (Erhitzen) von geformtem, feuchtem Ton, evtl. mit Zuschlägen von Quarzsand und Feldspat, bis zum Sintern oder Schmelzen. Hitzeschildsteine, die zumindest Aluminiumoxid und Aluminiumsilicat aufweisen, sind hinsichtlich der Korngröße im Heißseitenbereich und im Wandseitenbereich und hinsichtlich der Konzentrationsanteile der beiden Stoffe gut anpassbar.
  • Hierbei kann insbesondere der Mullitanteil gegenüber dem Aluminiumoxidanteil im Wandseitenbereich geringer sein als im Heißseitenbereich. Bevorzugt kann der Mullitanteil im Wandseitenbereich deutlich kleiner sein als der Aluminiumoxidanteil. Insbesondere kann der Aluminiumoxidanteil im Wandseitenbereich der dominante Anteil bei der Zusammensetzung des Hitzeschildsteins sein. Weiter bevorzugt kann der Wandseitenbereich überwiegend aus Aluminiumoxid, insbesondere praktisch ausschließlich aus Aluminiumoxid, bestehen. Weiter bevorzugt ist in dem Heißseitenbereich der Mullit-Anteil größer als der Aluminiumoxid-Anteil. Insbesondere ist in dem Heißseitenbereich der Mullit-Anteil so viel größer als der Aluminiumoxid-Anteil, dass insbesondere der Mullit-Anteil der dominante Bestandteil des Hitzeschildsteins in dem Heißseitenbereich ist. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung besteht der Heißseitenbereich praktisch ausschließlich aus Mullit.
  • Vorteilhafterweise weist ein gemäß den obigen Ausführungen bevorzugt ausgestalteter Hitzeschildstein, mit einem dominanten Mullit-Anteil im Heißseitenbereich und einem dominanten Aluminiumoxid-Anteil im Wandseitenbereich, eine hohe Festigkeit im Wandseitenbereich bei gleichzeitig hoher Thermoschockbeständigkeit im Heißseitenbereich auf.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Stoff eine Keramik und der zweite Stoff ein Metall. Dadurch können vorteilhafterweise auch Metall aufweisende Hitzeschildsteine, wie sie beispielsweise in der WO 98/53940 mit einem Metall-Keramik-Gradientenwerkstoff beschrieben sind, hinsichtlich einer belastungsbereichsspezifischen Korngrößenanpassung verbessert werden. Das Konzept der Erfindung ist mithin auf eine Vielzahl von unterschiedlicher chemischen Zusammensetzungen von Hitzeschildsteinen anwendbar.
  • Die auf eine Brennkammer gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung, die Hitzeschildsteine gemäß den obigen Ausführungen aufweist.
  • Die auf eine Gasturbine gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gasturbine mit einer solche Hitzeschildsteine aufweisenden Brennkammer.
  • Die Vorteile einer solchen Brennkammer und einer solchen Gasturbine ergeben sich entsprechend den Ausführungen zum Hitzeschildstein.
  • Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen hierbei schematisch und teilweise vereinfacht:
    • FIG 1
    in perspektivischer Darstellung einen Hitzeschildstein,
    FIG 2
    eine vergrößerte Ansicht der in FIG 1 gezeigten Einzelheit II,
    FIG 3
    eine analog zu FIG 2 vergrößerte Ansicht der in FIG 1 gezeigten Einzelheit III,
    FIG 4
    in einem Ausschnitt eine Seitenansicht eines Hitzeschildsteins mit Schichtaufbau,
    FIG 5
    ein Diagramm mit der Darstellung des Verhaltens der Korngröße des in FIG 4a gezeigten Hitzeschildsteins, und
    FIG 6
    einen stark vereinfachten Längsschnitt durch eine Gasturbine.
  • Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
  • In FIG 1 ist in perspektivischer Darstellung ein Hitzeschildstein 1 gezeigt. Der Hitzeschildstein 1 weist eine quaderförmige Geometrie auf, mit einer Heißseite 3 und einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite 5. An die Heißseite 3 grenzt ein Heißseitenbereich 7 an. An die Wandseite 5 grenzt ein Wandseitenbereich 9 an. Der Heißseitenbereich 7 und der Wandseitenbereich 9 erstrecken sich jeweils von der Heißseite 3 bzw. der Wandseite 5 in das Innere des quaderförmigen Hitzeschildsteins 1. Das Material aus dem der Hitzeschildstein 1 zusammengesetzt ist, beispielsweise eine Feuerfestkeramik, weist in dem Wandseitenbereich 9 und in dem Heißseitenbereich 7 eine jeweilige Korngrößenverteilung auf. Dabei ist die Korngrößenverteilung so eingestellt, dass im Mittel die Korngröße D im Wandseitenbereich 9 kleiner ist als im Heißseitenbereich 7. Durch diese strukturelle Ausgestaltung des Hitzeschildsteins 1 ist dieser an die thermomechanischen Anforderungen bereichsspezifisch angepasst. Insbesondere beim Einsatz des Hitzeschildsteins 1 in einer Brennkammer, beispielsweise einer Brennkammer einer Gasturbine, sind die Anforderungen an den Hitzeschildstein 1 in dem Heißseitenbereich 7 und dem Wandseitenbereich 9 unterschiedlich. Mit der gezielten Korngrößeneinstellung gemäß der Erfindung können die teilweise konkurrierenden Erfordernisse im Heißseitenbereich 7 und im Wandseitenbereich 9 gleichermaßen weitgehend erfüllt und gegenüber herkömmlich ausgestalteten Hitzeschildsteinen 1 deutliche Verbesserungen erzielt werden. Dadurch ist beispielsweise im Wandseitenbereich 9 eine hohe Festigkeit und im Heißseitenbereich 7 eine besondere Resistenz gegenüber hohen Wärmespannungen, Temperatur- und Temperaturwechselbelastung (Thermoschockbeständigkeit) erreicht. Der Hitzeschildstein 1 ist mithin für Hochtemperaturanwendungen und für eine Beaufschlagung mit einem korrosiven, heißen Medium, beispielsweise einem Heißgas, mit Temperaturen von bis zu 1500 °C, ausgelegt.
  • Um die unterschiedlichen Korngrößen in dem Heißseitenbereich 7 und im Kaltseitenbereich 9 zu veranschaulichen sind in den Figuren 2 und 3 jeweils Einzelheiten II bzw. III in vergrößerter Darstellung gezeigt. Die Einzelheiten X1, X2 sind hierbei um etwa den gleichen Faktor gegenüber der Darstellung in FIG 1 vergrößert. FIG 2 zeigt die Einzelheit II, d. h. einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Heißseitenbereich 7 des Hitzeschildsteins 1. Der Heißseitenbereich 7 weist eine Kornstruktur mit einer Vielzahl von aneinander grenzenden Körner 21, 23 auf. Das Ensemble einer Vielzahl von Körnern 21, 23 kann hinsichtlich der Korngröße D, d. h. des Korngrößendurchmessers, untersucht werden. Dabei weist die Korngröße im Heißseitenbereich 7 im Mittel eine Größe DH auf. Zum Vergleich dazu zeigt FIG 3 mit der Einzelheit III ausschnittsweise eine Kornstruktur, wie sie im Wandseitenbereich 9 des Hitzeschildsteins 1 gemäß der Erfindung eingestellt ist. Die Kornstruktur im Wandseitenbereich 9 weist eine Vielzahl von Körnern 25, 27 auf, die aneinander grenzen und ein Gefüge in dem Wandseitenbereich 9 bilden. Die Korngröße DW in dem Wandseitenbereich 9 ist hierbei kleiner als die Korngröße DH im Heißseitenbereich 7.
  • FIG 4 zeigt ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht eines Hitzeschildsteins 1. Auf die Figur 5 wird in diesem Zusammenhang zum besseren Vergleich ebenso hingewiesen. Entlang einer Richtung 13 von der Heißseite 3 zu der Wandseite 5 des Hitzeschildsteins 1 sind Schichten 11A bis 11F vorgesehen. Der Heißseitenbereich 7 umfasst dabei eine der Heißseite 3 zugeordnete Schicht 11A, während der Wandseitenbereich 9 eine der Wandseite 5 zugeordnete Schicht 11F umfasst. Der Hitzeschildstein 1 ist hierbei aus zumindest zwei Stoffen 17, 19 zusammengesetzt, wobei ein erster Stoff 17 und ein davon verschiedener zweiter Stoff 19 in den Hitzeschildstein 1 eingebaut ist.
  • In FIG 5 ist ein Diagramm gezeigt, welches die mittlere Korngröße D entlang der Richtung 13 von der Heißseite 3 zu der Wandseite 7 graphisch veranschaulicht (vertikale Achse). Die Schichtabfolge der Schichten 11A bis 11F ist dabei entlang der Richtungsachse 13 veranschaulicht. Die Korngröße D ist entlang der Achse 15 aufgetragen (horizontale Achse). In dem die Schicht 11A umfassenden Heißseitenbereich 7 weist der Hitzeschildstein 1 eine Korngröße DH auf. In dem die Schicht 11F umfassenden Wandseitenbereich 9 weist der Hitzeschildstein 1 eine mittlere Korngröße DW auf. Dabei ist die Korngröße DW kleiner als die Korngröße DH. Weiter ist in den zwischen der Schicht 11A und der Schicht 11F liegenden Zwischenschichten 11B bis 11E eine jeweilige Korngröße D eingestellt. Hierbei nimmt die Korngröße D entsprechend schichtweise von der Heißseite 3 zu der Wandseite 5 ab. Somit ist entlang der Richtung 13 von der Heißseite 3 zu der Wandseite 5 eine graduelle, insbesondere treppenförmige, Anpassung der Korngröße D erreicht, wodurch auch die relevanten Materialeigenschaften des Hitzeschildsteins 1, z.B. Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Duktilität, u.ä.m. entsprechend graduell aufeinander abgestimmt sind. Hierdurch werden abrupte Eigenschaftsänderungen vermieden und die Belastbarkeit und Effizienz des den Hitzeschildstein 1 bildenden Werkstoffs erheblich gesteigert.
  • In FIG 5 sind mögliche Varianten für den Verlauf der Korngröße D als Funktion der Schichtabfolge 11A bis 11F vereinfacht dargestellt. Der Kurvenzug T1 liefert hierbei ein Abbild einer graduellen, insbesondere treppenförmigen, Anpassung der Korngröße D von der kleineren Korngröße DW bis zur größeren Korngröße DH, wie sie in den Bereichen 7, 9 jeweils eingestellt sind. Bei einer entsprechenden Vielzahl von Schichten 11A bis 11F ist es aber auch möglich, die Anpassung der Korngröße D entlang einer Richtung 13 von der Heißseite 3 zu der Wandseite 9 durch eine kontinuierliche, zumindest aber eine quasi-kontinuierliche Funktion, zu ändern. Zur Veranschaulichung dieses Sachverhaltes ist in dem Diagramm der FIG 5 ein weiterer Kurvenzug T2 dargestellt. Der Kurvenzug T2 stellt eine lineare Anpassung entlang der Richtungsachse 13 dar. Hierbei wird die Korngröße D von dem Heißseitenbereich 7 zu dem Wandseitenbereich 9 entlang der Richtungsachse 13 linear von DH bis DW geändert. Neben den Kurvenzügen T1 und T2 sind aber auch andere Anpassungen der Korngröße D entlang der Richtungsachse 13 möglich. So sind Anpassungen mittels Polynomen höherer Ordnung oder wahlweise anderer stetiger oder stetig-differenzierbarer Funktionen möglich. Dies ist belastungsfallabhängig und abhängig von den thermomechanischen Anforderungen für den Hitzeschildstein 1 jeweils anpassbar.
  • Zusätzlich zu der Anpassung der Korngröße D kann, insbesondere im Falle eines Zweistoffgemisches, eine Anpassung der Konzentrationen der chemischen Bestandteile, nämlich des ersten Stoffes 17 und des zweiten Stoffes 19 in dem Hitzeschildstein 1 eingestellt sein. Durch diese Kombination von struktureller und chemischer Anpassung des Hitzeschildsteins 1 ist insbesondere eine hohe Thermoschockbeständigkeit im Heißseitenbereich 7 bei einer hohen Festigkeit im Wandseitenbereich 9 erzielbar. Als erster Stoff 17 kommt beispielsweise Aluminiumoxid Al2O3 zum Einsatz, während als zweiter Stoff 19 Mullit Verwendung findet. Dabei kann sich die Konzentration des ersten Stoffes 17 und/oder des zweiten Stoffes 19 entlang der Richtungsachse 13 von der Wandseite 3 zu der Heißseite 5 in einer an die Belastung angepassten Weise ändern.
  • Beim Einsatz in einer Gasturbine beispielsweise ist die Heißseite 3 einem heißen aggressiven Medium, dem Heißgas, ausgesetzt und die Konzentration des ersten Stoffe 17, z.B. Aluminiumoxid Al2O3, im Wandseitenbereich 9 größer als im Heißseitenbereich 7 eingestellt. In dem Heißseitenbereich 7 ist die Konzentration des zweiten Stoffs 19, beispielsweise Mullit, größer als die Konzentration des ersten Stoffes 17 (z.B. Aluminiumoxid Al2O3). Beispielsweise kann in einem Zweistoffgemisch die Konzentration des ersten Stoffes 17, etwa Aluminiumoxid Al2O3, im Wandseitenbereich 9 nahezu 100% betragen, während im Heißseitenbereich 7 die Konzentration des zweiten Stoffes 19, z.B. Mullit, nahezu 100% beträgt.
  • FIG 6 zeigt stark schematisiert und vereinfacht in einem Längsschnitt eine Gasturbine 31. Entlang einer Turbinenachse 33 sind aufeinander folgend angeordnet: Ein Verdichter 35, eine Brennkammer 37 sowie ein Turbinenteil 39. Die Brennkammer 37 ist mit einer Brennkammerauskleidung 41 innen ausgekleidet. Die Brennkammer 37 weist eine Brennkammerwand 43 auf. Durch die Brennkammerwand 43 ist eine Tragstruktur 45 gebildet. Die Brennkammer 37 weist Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B gemäß den obigen Ausführungen auf. Hierbei sind die Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B mit ihrer Wandseite 5 der Tragstruktur 45 zugewandt an der Tragstruktur 45 mittels geeigneten, nicht näher dargestellten, Befestigungselementen befestigt. Im Betrieb der Gasturbine 31 sind die Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B zumindest mit ihrer jeweiligen Heißseite 3 von einem heißen Medium M, dem Heißgas der Gasturbine, beaufschlagt. Gerade bei einer Gasturbine 31 kann es zu erheblichen Vibrationen etwa durch Brennkammerbrummen kommen. Im Resonanzfall können sogar stoßartige akustische Brennkammerschwingungen mit großen Schwingungsamplituden auftreten. Diese Vibrationen führen zu einer erheblichen Beanspruchung der Brennkammerauskleidung 41. Dabei sind sowohl die Tragstruktur 45 als auch die Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B betroffen. Durch Stöße sind vor allen Dingen die Hitzeschildsteine 1A, 1B gefährdet, insbesondere wegen der bestehenden Bruchgefahr. Weiter sind die Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B besonders stark thermisch belastet, insbesondere auf der mit dem Heißgas M beaufschlagten Heißseite 3. Durch die Ausgestaltung der Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B mit einer bereichsspezifisch belastungsgerechten Einstellung der Korngröße D, vorzugsweise auch zusätzlich mit einer Variation der chemischen Zusammensetzung bei einem Zweistoffsystem, ist ein an die Anforderungen angepasster Hitzeschildstein 1, 1A, 1B in der Brennkammer 37 eingebaut. Dadurch ergibt sich eine besonders hohe Unempfindlichkeit der Brennkammerauskleidung 41 gegenüber Stößen oder Vibrationen oder Temperaturbelastung, insbesondere Temperaturwechselbelastung.

Claims (14)

  1. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) zur Auskleidung einer Brennkammerwand (43), mit einer einem heißen Medium (M) aussetzbaren Heißseite (3) und einer der Heißseite (3) gegenüberliegenden Wandseite (5), und mit einem an die Heißseite (3) angrenzenden Heißseitenbereich (7) sowie einem an die Wandseite (5) angrenzenden Wandseitenbereich (9),
    dadurch gekennzeichnet, dass im Mittel die Korngröße (D) im Wandseitenbereich (9) kleiner ist als im Heißseitenbereich (7).
  2. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße (D) im Wandseitenbereich (9) um etwa einen Faktor 0,4 bis 0,9, insbesondere einen Faktor 0,6 bis 0,8, kleiner ist als im Heißseitenbereich (7).
  3. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass im Mittel die Korngröße (D) im Heißseitenbereich (7) zwischen etwa 1,5 mm und 3,5 mm beträgt, insbesondere größer als etwa 2 mm ist.
  4. Hitzeschildstein (1,1A,1B) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass im Mittel die Korngröße (D) im Wandseitenbereich (9) zwischen etwa 0,6 mm und 1,4 mm beträgt, insbesondere kleiner als etwa 1,2 mm ist.
  5. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass entlang einer Richtung (13) von der Heißseite (3) zu der Wandseite (5) Schichten (11A,11B,11C) mit abnehmender Korngröße (D) vorgesehen sind.
  6. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Schichten (11A, 11B, 11C) etwa 5 bis 30, insbesondere etwa 10 bis 20, beträgt.
  7. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass entlang einer Richtung (13) von der Heißseite (3) zu der Wandseite (5) die Korngröße (D) sich im wesentlichen kontinuierlich ändert.
  8. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus mindestens zwei Stoffen (17,19), mit einem ersten Stoff (17) und einem davon verschiedenen zweiten Stoff (19), zusammengesetzt ist.
  9. Hitzeschildstein (1,1A,1B) nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des ersten Stoffs (17) im Wandseitenbereich (9) größer ist als im Heißseitenbereich (7).
  10. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stoff (17) ein Oxid und der zweite Stoff (19) ein Silicat, insbesondere eine Silicatkeramik, ist.
  11. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stoff (17) Aluminiumoxid Al2O3 und der zweite Stoff (19) Aluminiumsilicat 3Al2O3·2SiO2 ist.
  12. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stoff (17) eine Keramik und der zweite Stoff (19) ein Metall ist.
  13. Brennkammer (37) mit einer inneren Brennkammerauskleidung, die Hitzeschildsteine (1, 1A, 1B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausweist.
  14. Gasturbine (31) mit einer Brennkammer (37) nach Anspruch 13.
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