EP1533572A1 - Gasturbinenbrennkammer und Gasturbine - Google Patents

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Publication number
EP1533572A1
EP1533572A1 EP03026910A EP03026910A EP1533572A1 EP 1533572 A1 EP1533572 A1 EP 1533572A1 EP 03026910 A EP03026910 A EP 03026910A EP 03026910 A EP03026910 A EP 03026910A EP 1533572 A1 EP1533572 A1 EP 1533572A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ceramic
gas turbine
screw
turbine combustor
cladding element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03026910A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heinrich Dr. Sprünken
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP03026910A priority Critical patent/EP1533572A1/de
Publication of EP1533572A1 publication Critical patent/EP1533572A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F23M5/04—Supports for linings
    • 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
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/60—Support structures; Attaching or mounting means
    • 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 gas turbine combustor with a Housing part and a cladding element formed from a ceramic, the means of attachment to a Combustion chamber facing inside of the housing part attached is.
  • the invention further relates to a gas turbine with a Gas turbine combustor.
  • a covering for insulation and for Protection of a housing also referred to as combustion chamber structure is against which resulting from the combustion thermal loads required.
  • the thermal loads in the combustion chamber of the gas turbine combustor are in the Usually in the range of 1350 ° C or above and above in addition, e.g. in the context of a quick closure, strong Are subject to fluctuations.
  • Such a burden is that metallic housings usually not suspendable.
  • For this Reason is at a combustion chamber facing the inside of a Housing part mounted a panel.
  • An important advantage of a ceramic cladding element is its high temperature resistance.
  • a common, ceramic Cladding element is based for example on a Alumina or silica ceramics, which is an excellent Temperature resistance has.
  • a common in the rule plate-shaped formed cladding element However, to support relatively complex along its border, since the hitherto conventional ceramics insufficient strength which would be sufficient, the usual cladding element self-supporting even for frequent loads embody.
  • metallic heat shields with less Held as a ceramic heat shield and held are, however, have the metal alloys used so far a less advantageous compared to a ceramic Temperature resistance, so when using a metallic heat shield over a ceramic Heat shield a relatively high cost of cooling the metallic Heat shield must be operated, e.g. by using a complex temperature insulation layer and a correspondingly larger cooling air requirement.
  • a ceramic coating on a metallic heat shield can only partially eliminate these disadvantages, since due to the material dynamics under changing temperature conditions in the heat shield, the layer thickness of a coating and so that the temperature drop across the thickness of the coating on relatively small values is limited. So can a ceramic Coating at a combustion chamber side temperature of 1350 ° C in usually a temperature gradient over the coating of 100 ° C to 200 ° C, so that on a metallic Base of the heat shield still temperatures of 1150 ° C to 1250 ° C are expected. By use of metallic heat shields or ceramic coated Metallic heat shields is a satisfactory problem solution the above problem thus far not been possible.
  • the invention begins, whose task it is to specify a gas turbine combustor and a gas turbine, in which a cladding element is designed in such a way that with as little support and / or maintenance as possible can be attached to a housing part.
  • ceramics for a cladding element are based on an oxide compound such as a silicon oxide (SiO 2 ) or an aluminum oxide (AlO 2 , Al 2 O 3 ) and have a relatively low strength, so that their ductility in a modulus of elasticity is far below 0.1 * 10 6 N / m 2 .
  • This is fundamentally advantageous with regard to the combustion chamber conditions. Because the temperature fluctuations and the temperature level in the combustion chamber usually causes significant temperature gradients within the cladding. These lead to stresses in each individual cladding element. The tensions can be kept as low as possible when using a conventional ceramic with the smallest possible modulus of elasticity. Conventional trim elements must be kept as described along their border, since they have low strength, ie a certain porosity because of their low modulus of elasticity. The elaborate mounting is necessary so that these mechanical loads can not withstand and fall apart.
  • the present invention is based on the consideration from that when using a high temperature resistant, on a non-oxide based ceramic for a cladding element a fixture in the form of a simple Screw connection for the cladding element is possible. It has been shown that one on a non-oxide based ceramics a significantly lower creep behavior, has better resistance and higher ductility, than the conventional oxide ceramics used hitherto. It has surprisingly been found that the stresses occurring in such a cladding element due to the above-mentioned significant temperature gradients far smaller than previously thought. These Property of a non-oxide ceramic is still possible improve by the ceramics a hot gas oxidation lowering Having additive.
  • the ceramic is particularly advantageously a ceramic based on a SiC 2 compound or a SiC compound or a SiN 2 compound or an Si 3 N 4 compound.
  • any Si x C y - or Si x N y compound comes into consideration.
  • This type of ceramic has a particularly high temperature resistance and shows at the same time high mechanical strength yet a favorable voltage behavior.
  • any other ceramic based on a ZC compound or a ZN compound may also be considered, wherein Z is any element of the periodic table or any compound thereof.
  • the ceramic has a ductility in a modulus of elasticity of more than 0.15 * 10 6 N / m 2 .
  • the oxide ceramics used hitherto have a modulus of elasticity which is far below 0.1 ⁇ 10 6 N / m 2 . It has been found within the scope of this development of the invention that, surprisingly, far fewer stresses occur in this development of the invention than would be expected from such a high modulus of elasticity.
  • the elastic modulus can be selected in the range of 0.3 * 10 6 N / m 2 or a modulus of elasticity of up to 0.4 * 10 6 N / m 2 .
  • the cladding element consists entirely of ceramic. This has the advantage that the cladding element three-dimensional homogeneous properties with the above Has advantages.
  • the ceramic is a hybrid construction with a number of ceramic components, wherein at least one of the ceramic components is a non-monolithic Ceramic component is.
  • such a Hybrid construction also contain a non-ceramic component, especially one that has a higher ductility compared to a ceramic component, for example a plastic component.
  • the screw is formed of a ceramic Has screw and / or nut.
  • a mother can be formed by any screw, the fulfilled the function of a mother.
  • a Ceramics of the above type are chosen, in particular the same ceramic that also used in the fairing becomes. In this way, the temperature behavior of the cladding element on the temperature behavior of the screw connection adapted, so that problems in the case of different Materials by different coefficients of thermal expansion occur, be avoided.
  • the screw has advantageous also a spring element formed from a ceramic, the ceramic is a high temperature resistant, on a non-oxide based ceramic is.
  • An advantage here is a the above ceramics used, in particular the same, which also for the cladding element and / or for the screw connection is used.
  • the screw connection also has a centering, a clamping ring and a housing.
  • the centering can advantageously be formed by a coupling ring.
  • the invention also leads to a gas turbine with a Gas turbine combustor according to one of the above-mentioned developments the invention.
  • the housing part 3 has a metallic combustion chamber structure 7 and an insulation formed from insulating material, which is formed from a number of insulating parts 9.
  • the cladding 5 is formed from a number of cladding elements 11.
  • a cladding element 11 is attached by means of a fastening 13 to a combustion chamber 2 facing inside 4 of the housing part 3.
  • a cladding element 11 is in each case attached to an insulating part 9 with a fastening 13.
  • the cladding element 11 is formed in this embodiment of a high temperature resistant, non-oxide, based on a SiN 2 compound ceramic whose ductility by a modulus of elasticity in the range of 0.3 * 10 6 N / m 2 is described. In this case, the cladding element 11 is made entirely of ceramics.
  • the attachment 13 is in the present embodiment formed in the form of a screw connection and is shown in FIG 2 in the context of an extrapolation drawing and in FIG. 3 shown and described in detail in the mounted state.
  • FIG. 2 shows the screw connection 13 of FIG. 1 in the frame an extrapolation drawing.
  • the screw connection exists in this embodiment, a screw 15, a coupling ring 17, a spring element 19, another coupling ring 21, a clamping ring 23 and a housing 25.
  • the cladding element 11 and the insulating part 9 is shown.
  • the screw 15 has at its combustion chamber end one Screw head 27 on.
  • On the shaft 30 of the screw 15 is a Thread 29 attached.
  • the Screw 15 At the end of the shaft 30, the Screw 15 a groove 31 and a through the groove 31 from Thread 29 separate clamping head 33 on.
  • the screw 15 is arranged centrally to the cladding element 11 and the insulating part 9 and passes through the cladding element 11 in an opening 35 and the insulating part 9 in a further opening 37.
  • Um. the screw head 27 in the openings 35, 37 as centrally as possible and safe to store the openings 35, 37 are conical arched, so that also on its underside conically flared screw head self-centered in the openings 35, 37 is located.
  • the coupling ring 17 By the coupling ring 17, the screw 15 in the insulating part 9 and centered in the cladding element 11.
  • the outer diameter of the coupling ring 17 is to the inner diameter of the openings 35, 37 adapted.
  • the coupling ring has an annular Stop 41 and a shaft 39.
  • the fürschring 17 acts as centering.
  • the coupling ring 17 can be made smooth as needed be or have a screw thread. Further Formations are not shown in FIG.
  • the spring element 19 is used to bias the screw 15 against the further coupling ring 21 and the clamping ring 23rd and the housing 25.
  • the spring element 19 is similar thermal expansion of the screw compared to other components out.
  • the further coupling ring 21 also has an annular Stop 43 and a shaft 45, wherein the shaft 45th the further Matterrings 21 is formed shorter than the Shank 39 of the coupling ring 17.
  • the shaft carries 45 of the further Matterrings 21 on its inside Thread screwed onto the thread 29 of the screw 15 becomes.
  • the further Göring 21 takes over in the present case so the function of a mother.
  • the screw connection takes place the further coupling ring 21 and the screw 15th against the spring force of the spring element 19th
  • a housing 25 is provided, this sitting on the shaft 30 of the screw 15 Parts includes and suitable for the screw 13 can be attached.
  • FIG. 3 shows that shown in FIG. 2 as extrapolation Screw 13 in one with the cladding element 11, Insulating part 9 and the combustion chamber structure 7 mounted state.
  • the screw head 27 by its conical shape 51 on its underside in the opening 35 of the cladding element 11 centered self-centering is.
  • the cladding element 11 itself also has a conical shape 53 on, in turn, in one of the molding 53 adapted conically curved further formation of the Dämmelements 9 centered self-centering. In this way the mounting effort for attachment 13 is greatly facilitated and the mounting of the attachment 13 in the housing part 3 ensured.
  • the shaft 30 extends the screw 15 free in the opening 37 of the insulating part 9 and also free in the shaft 39 of the coupling ring 17.
  • Bei this embodiment carries the shaft 39 of the coupling ring 17 no internal thread.
  • the on the shaft 30 of the screw 15th applied thread 29 engages in an unspecified thread in the shaft 45 of the further coupling ring 21 a.
  • Of the Surge ring 21 is against the spring force of the spring 19 screwed the thread 29 on the shaft 30 of the screw 15.
  • the clamping head 33 protrudes on the shaft 30 of the screw 15 from a central opening of the housing 25 also.
  • the clamping head 33 of the screw 15 itself with another thread be provided. Such a further thread can for further Securing the housing and the screw serve.
  • the cladding member 11 and the screw 15 are formed of the same high-temperature-resistant non-oxide ceramic based on a SiN 2 compound.
  • the temperature behavior of screw 15 and cladding element 11 is thus adapted to each other.
  • the further coupling ring 21 may be formed of the same ceramic as the screw 15 and the cladding element 11.
  • the coupling ring 21 is formed from another, but also high temperature resistant, non-oxide ceramic. This is also the case for the spring element 19. In this way, an advantageous adaptation of the screw connection 13 to the temperature environment on the back of the housing structure part 7 is achieved.
  • a cladding element 11 indicated the same time high temperature resistant and sufficient has mechanical strength, making it special on simple way can be fixed. This will achieved in a gas turbine combustor 1 with a housing part 3 and a cladding element formed of a ceramic 11, by means of a fastening 13 to a one Combustion chamber 2 facing inside 4 of the housing part 3 attached is.
  • the ceramic is a high temperature non-oxide based ceramic and the attachment 13 is in the form of a screw connection, in particular from a screw 15 and another Kochschring 21 formed with a thread 29.

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Abstract

Ein keramisches Verkleidungselement (11) für eine Gasturbinenbrennkammer (1) ist gleichzeitig hochtemperaturfest und weist eine ausreichende mechanische Festigkeit auf, so dass es auf besonders einfache Art und Weise befestigt werden kann. Dies wird erreicht bei einer Gasturbinenbrennkammer (1) mit einem Gehäuseteil (3) und einem aus einer Keramik gebildeten Verkleidungselement (11), das mittels einer Befestigung (13) an einer einem Brennraum (2) zugewandten Innenseite (4) des Gehäuseteils (3) angebracht ist. Gemäß dem vorliegenden Konzept ist die Keramik eine hochtemperaturfeste, auf einem Nichtoxid basierende Keramik und die Befestigung (13) ist in Form einer Schraubverbindung, insbesondere aus einer Schraube (15) und einem weiteren Überwurfring (21) mit einem Gewinde (29) gebildet. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer mit einem Gehäuseteil und einem aus einer Keramik gebildeten Verkleidungselement, das mittels einer Befestigung an einer einem Brennraum zugewandten Innenseite des Gehäuseteils angebracht ist. Die Erfindung betrifft weiter eine Gasturbine mit einer Gasturbinenbrennkammer.
In einer Gasturbine ist üblicherweise innerhalb einer Gasturbinenbrennkammer eine Verkleidung zur Isolation und zum Schutz eines Gehäuses, das auch als Brennkammerstruktur bezeichnet wird, gegen die aus der Verbrennung resultierenden thermischen Belastungen erforderlich. Die thermischen Belastungen im Brennraum der Gasturbinenbrennkammer liegen in der Regel im Bereich von 1350 °C oder darüber und können darüber hinaus, z.B. im Rahmen eines Schnellschlusses, starken Schwankungen unterliegen. Einer derartigen Belastung ist das metallische Gehäuse in der Regel nicht aussetzbar. Aus diesem Grund ist an einer dem Brennraum zugewandten Innenseite eines Gehäuseteils eine Verkleidung angebracht. Die Verkleidung besteht in der Regel aus einer Anzahl von Verkleidungselementen. Als besonders vorteilhaft hat sich ein aus einer Keramik gebildetes Verkleidungselement, insbesondere ein Hitzeschild, erwiesen. Ein wichtiger Vorteil eines keramischen Verkleidungselementes ist seine hohe Temperaturbeständigkeit.
Ein Problem besteht jedoch darin, dass ein relativ hoher Aufwand für die Halterung eines solchen aus einer Keramik gebildeten Verkleidungselementes notwendig ist. Ein übliches, keramisches Verkleidungselement basiert beispielsweise auf einer Aluminiumoxid- oder Siliziumoxidkeramik, die eine ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit aufweist. Ein übliches in der Regel plattenförmig ausgebildetes Verkleidungselement ist jedoch relativ aufwändig entlang seiner Umrandung zu haltern, da die bisher übliche Keramik keine ausreichende Festigkeit aufweist, die ausreichend wäre, das übliche Verkleidungselement auch für häufig auftretende Belastungen selbsttragend auszugestalten.
Bisher wurden deshalb zur Lösung dieses Problems metallische Verkleidungselemente für die Verkleidung verwendet und ggf. jeweils mit einer keramischen Beschichtung (Coating) versehen. Zwar können solche metallischen Hitzeschilde mit weniger Aufwand als ein keramisches Hitzeschild gehalten und gehaltert werden, jedoch weisen die bisher verwendeten Metalllegierungen eine im Vergleich zu einer Keramik weniger vorteilhafte Temperaturbeständigkeit auf, so dass bei Verwendung eines metallischen Hitzeschildes gegenüber einem keramischen Hitzeschild ein relativ hoher Aufwand zur Kühlung des metallischen Hitzeschildes betrieben werden muss, z.B. durch Verwendung einer aufwändigen Temperaturdämmschicht und eines entsprechend größer dimensionierten Kühlluftbedarfs.
Auch ein keramisches Coating auf einem-metallischen Hitzeschild vermag diese Nachteile nur bedingt zu beseitigen, da aufgrund der Materialdynamik unter wechselnden Temperaturbedingungen im Hitzeschild die Schichtdicke eines Coatings und damit der Temperaturabfall über die Dicke des Coatings auf relativ kleine Werte begrenzt ist. So vermag ein keramisches Coating bei einer brennraumseitigen Temperatur von 1350 °C in der Regel einen Temperaturgradienten über das Coating von 100 °C bis 200 °C auszulösen, so dass auf einer metallischen Grundfläche des Hitzeschildes immer noch Temperaturen von 1150 °C bis 1250 °C zu erwarten sind. Durch die Verwendung von metallischen Hitzeschilden oder keramisch beschichteten metallischen Hitzeschilden ist eine befriedigende Problemlösung des obigen Problems somit bisher nicht möglich gewesen.
Wünschenswert wäre eine Gasturbinenbrennkammer mit einer Verkleidung, die eine ausreichende Temperaturfestigkeit zur Isolation und zum Schutz der Gehäuseteile aufweist und die zum anderen möglichst einfach an einer einem Brennraum zugewandten Innenseite des Gehäuseteils angebracht werden kann.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Gasturbinenbrennkammer und eine Gasturbine anzugeben, bei der ein Verkleidungselement derart ausgelegt ist, dass es mit möglichst wenig Halterungs- und/oder Halteaufwand an einem Gehäuseteil angebracht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mittels einer Gasturbinenbrennkammer der eingangs genannten Art gelöst, bei der erfindungsgemäß die Keramik eine hochtemperaturfeste, auf einem Nichtoxid basierende Keramik ist, und die Befestigung in Form einer Schraubverbindung gebildet ist.
Bisher verwendete Keramiken für ein Verkleidungselement basieren wie erläutert, auf einer Oxidverbindung, wie beispielsweise einem Siliziumoxid (SiO2) oder einem Aluminiumoxid (AlO2, Al2O3) und haben eine relativ geringe Festigkeit, so dass deren Duktilität in einem Elastizitätsmodulbereich weit unter 0,1 * 106N/m2 liegt. Dies ist hinsichtlich der Brennraumbedingungen grundsätzlich von Vorteil. Denn die Temperaturschwankungen und das Temperaturniveau im Brennraum löst innerhalb der Verkleidung in der Regel erhebliche Temperaturgradienten aus. Diese führen zu Spannungen in jedem einzelnen Verkleidungselement. Die Spannungen lassen sich möglichst gering halten bei Verwendung einer bisher üblichen Keramik mit möglichst kleinem Elastizitätsmodul. Übliche Verkleidungselemente müssen wie erläutert entlang ihrer Umrandung gehalten werden, da sie wegen ihres geringen Elastizitätsmoduls eine geringe Festigkeit, d.h. eine gewisse Porosität aufweisen. Die aufwändige Halterung ist notwendig, damit diese mechanischen Belastungen nicht standhalten und auseinander fallen.
Die vorliegende Erfindung geht nun demgegenüber von der Überlegung aus, dass bei der Verwendung einer hochtemperaturfesten, auf einem Nichtoxid basierenden Keramik für ein Verkleidungselement eine Befestigung in Form einer einfachen Schraubverbindung für das Verkleidungselement möglich wird. Es hat sich nämlich gezeigt, dass eine auf einem Nichtoxid basierende Keramik ein deutlich geringeres Kriechverhalten, eine bessere Beständigkeit und eine höhere Duktilität aufweist, als die bisher verwendeten üblichen oxidischen Keramiken. Es hat sich dabei überraschenderweise auch gezeigt, dass die in einem solchen Verkleidungselement auftretenden Spannungen infolge der oben genannten erheblichen Temperaturgradienten weitaus geringer sind als bisher angenommen. Diese Eigenschaft einer nichtoxidischen Keramik lässt sich noch verbessern, indem die Keramik ein die Heißgasoxidation herabsetzendes Additiv aufweist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, die Keramik und die Schraubverbindung unter anderem hinsichtlich der oben genannten Vorteile zu verbessern.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Befestigung aus einer einzigen Schraubverbindung zu bilden. Beim Auswechseln des Verkleidungselements ist somit nur eine einzige Schraube zu lösen. Es hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, dass das Verkleidungselement durch die Schraubverbindung mittig gehalten wird. Die Befestigung besteht also zweckmäßig aus einer einzigen, das Verkleidungselement mittig haltenden Schraubverbindung. Auf diese Weise werden vorteilhaft auch Spannungen vermieden, die durch einen Einspanneffekt von seitlich angeordneten Schraubverbindungen entstehen könnten.
Besonders vorteilhaft ist die Keramik eine auf einer SiC2-Verbindung oder einer SiC-Verbindung oder einer SiN2-Verbindung oder einer Si3N4-Verbindung basierende Keramik. Prinzipiell kommt jede SixCy- oder SixNy-Verbindung in Betracht. Diese Art von Keramik hat eine besonders hohe Temperaturbeständigkeit und zeigt bei gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit dennoch ein günstiges Spannungsverhalten. Darüber hinaus kommt auch jede andere auf einer ZC-Verbindung oder einer ZN-Verbindung basierende Keramik in Betracht, wobei Z ein beliebiges Element des Periodensystems oder eine beliebige Verbindung daraus ist.
Als besonders geeignet für die obige Anwendung hat sich erwiesen, dass die Keramik eine Duktilität in einem Elastizitätsmodulbereich von mehr als 0,15 * 106 N/m2 aufweist. Die bisher verwendeten oxidischen Keramiken weisen ein Elastizitätsmodul auf, das weit unter 0,1 * 106 N/m2 liegt. Es hat sich im Rahmen dieser Weiterbildung der Erfindung gezeigt, dass überraschenderweise weitaus weniger Spannungen bei dieser Weiterbildung der Erfindung auftreten, als es ein derart hohes Elastizitätsmodul erwarten ließe. Vorteilhaft kann das Elastizitätsmodul im Bereich von 0,3 * 106 N/m2 oder ein Elastizitätsmodul von bis zu 0,4 * 106N/m2 gewählt werden.
In einer besonders zu bevorzugenden Weiterbildung der Erfindung besteht das Verkleidungselement vollständig aus der Keramik. Dies hat den Vorteil, dass das Verkleidungselement dreidimensional homogene Eigenschaften mit den oben genannten Vorteilen aufweist.
Darüber hinaus hat es sich für weitere Anwendungen als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die Keramik eine Hybridkontruktion mit einer Anzahl von Keramikkomponenten ist, wobei wenigstens eine der Keramikkomponenten eine nicht-monolithische Keramikkomponente ist. Darüber hinaus kann eine solche Hybridkonstruktion auch eine nichtkeramische Komponente enthalten, insbesondere eine solche, die eine höhere Duktilität im Vergleich zu einer Keramikkomponente aufweist, beispielsweise ein Kunststoffkomponente.
Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung hinsichtlich der Schraubverbindung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die Schraubverbindung eine aus einer Keramik gebildete Schraube und/oder Mutter aufweist. Eine Mutter kann dabei durch ein beliebiges Schraubelement gebildet sein, das die Funktion einer Mutter erfüllt. Beispielsweise erweist sich ein Überwurfring mit Schaft und einem Gewinde auf der Innenseite des Schafts als besonders zweckmäßig. Dabei ist die Keramik vorteilhaft eine hochtemperaturfeste, auf einem Nichtoxid basierende Keramik. Besonders vorteilhaft kann eine Keramik der oben genannten Art gewählt werden, insbesondere die gleiche Keramik, die auch bei der Verkleidung verwendet wird. Auf diese Weise ist das Temperaturverhalten des Verkleidungselements auf das Temperaturverhalten der Schraubverbindung angepasst, so dass Probleme, die im Falle unterschiedlicher Materialien durch unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten auftreten, vermieden werden.
Insbesondere um der Schraubverbindung eine ausreichende Vorspannung zu verleihen, weist die Schraubverbindung vorteilhaft auch ein aus einer Keramik gebildetes Federelement auf, wobei die Keramik eine hochtemperaturfeste, auf einem Nichtoxid basierende Keramik ist. Vorteilhaft wird auch hier eine der oben genannten Keramiken verwendet, insbesondere die gleiche, die auch für das Verkleidungselement und/oder für die Schraubverbindung Verwendung findet.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Schraubverbindung zudem eine Zentrierung, einen Klemmring und ein Gehäuse auf. Die Zentrierung kann vorteilhaft durch einen Überwurfring gebildet sein.
Die Erfindung führt auch auf eine Gasturbine mit einer Gasturbinenbrennkammer gemäß einer der oben genannten Weiterbildungen der Erfindung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung wo zur Erläuterung dienlich, in schematischer und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Im Einzelnen zeigen die Figuren der Zeichnung in:
FIG 1
eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer Gasturbinenbrennkammer mit einer zu bevorzugenden Ausführungsform einer Verkleidung und einer Befestigung,
FIG 2
die besonders bevorzugte Ausführungsform einer Befestigung der Fig. 1 in einer Extrapolationszeichnung,
FIG 3
eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines Verkleidungselements und die in Figur 2 gezeigte Befestigung bei einem in Figur 1 gezeigten Verkleidungselement.
Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Gasturbinenbrennkammer 1 mit einem Gehäuseteil 3 und einer aus einer Keramik gebildeten Verkleidung 5. Das Gehäuseteil 3 weist eine metallische Brennkammerstruktur 7 und eine aus Dämmmaterial gebildete Dämmung auf, die aus einer Anzahl von Dämmteilen 9 gebildet ist. Die Verkleidung 5 ist aus einer Anzahl von Verkleidungselementen 11 gebildet. Ein Verkleidungselement 11 ist mittels einer Befestigung 13 an einer einem Brennraum 2 zugewandten Innenseite 4 des Gehäuseteils 3 angebracht. Dabei ist ein Verkleidungselement 11 jeweils an einem Dämmteil 9 mit einer Befestigung 13 angebracht. Das Verkleidungselement 11 ist bei dieser Ausführungsform aus einer hochtemperaturfesten, nichtoxidischen, auf einer SiN2-Verbindung basierenden Keramik gebildet, deren Duktilität durch ein Elastizitätsmodul im Bereich von 0,3 * 106N/m2 beschrieben ist. Dabei besteht das Verkleidungselement 11 vollständig aus der Keramik.
Die Befestigung 13 ist bei der hier vorliegenden Ausführungsform in Form einer Schraubverbindung gebildet und ist in Figur 2 im Rahmen einer Extrapolationszeichnung und in Figur 3 im montierten Zustand näher gezeigt und beschrieben.
Figur 2 zeigt die Schraubverbindung 13 der Figur 1 im Rahmen einer Extrapolationszeichnung. Die Schraubverbindung besteht bei dieser Ausführungsform aus einer Schraube 15, einem Überwurfring 17, einem Federelement 19, einem weiteren Überwurfring 21, einem Klemmring 23 und einem Gehäuse 25. Außerdem ist das Verkleidungselement 11 und das Dämmteil 9 gezeigt.
Die Schraube 15 weist an ihrem brennraumseitigen Ende einen Schraubenkopf 27 auf. Am Schaft 30 der Schraube 15 ist ein Gewinde 29 angebracht. Am Ende des Schafts 30 weist die Schraube 15 eine Nut 31 auf und einen durch die Nut 31 vom Gewinde 29 getrennten Klemmkopf 33 auf. Die Schraube 15 ist mittig zum Verkleidungselement 11 und zum Dämmteil 9 angeordnet und durchsetzt das Verkleidungselement 11 in einer Öffnung 35 und das Dämmteil 9 in einer weiteren Öffnung 37. Um. den Schraubenkopf 27 in den Öffnungen 35, 37 möglichst zentrisch und sicher zu lagern sind die Öffnungen 35, 37 konisch gewölbt ausgebildet, so dass der ebenfalls an seiner Unterseite konisch ausgestellte Schraubenkopf selbstzentriert in den Öffnungen 35, 37 liegt.
Durch den Überwurfring 17 wird die Schraube 15 im Dämmteil 9 und im Verkleidungselement 11 zentriert. Der Außendurchmesser des Überwurfrings 17 ist an den Innendurchmesser der Öffnungen 35, 37 angepasst. Der Überwurfring weist dazu einen ringförmigen Anschlag 41 und einen Schaft 39 auf. Der Überwurfring 17 wirkt also als Zentrierung. Auf der Innenseite des Schafts 39 kann der Überwurfring 17 je nach Bedarf glatt ausgebildet sein oder ein Schraubengewinde aufweisen. Weitere Ausbildungen sind in der Figur 2 nicht dargestellt.
Das Federelement 19 dient zur Vorspannung der Schraube 15 gegenüber dem weiteren Überwurfring 21 sowie dem Klemmring 23 und dem Gehäuse 25. Außerdem gleicht das Federelement 19 thermische Ausdehnungen der Schraube gegenüber anderen Bauteilen aus.
Der weitere Überwurfring 21 weist ebenfalls einen ringförmigen Anschlag 43 und einen Schaft 45 auf, wobei der Schaft 45 des weiteren Überwurfrings 21 kürzer ausgebildet ist als der Schaft 39 des Überwurfrings 17. Vorliegend trägt der Schaft 45 des weiteren Überwurfrings 21 auf seiner Innenseite ein Gewinde, das auf das Gewinde 29 der Schraube 15 aufgeschraubt wird. Der weitere Überwurfring 21 übernimmt vorliegend also die Funktion einer Mutter. Bei der Montage erfolgt die Verschraubung des weiteren Überwurfrings 21 und der Schraube 15 gegen die Federkraft des Federelements 19.
Zur Sicherung der Schraubverbindung wird ein Klemmring 23 gegen den Widerstand des Klemmkopfs 33 der Schraube 15 und über den Klemmkopf 33 hinweg auf die Schraube in die Nut 31 geschoben und rastet in der Nut 31 der Schraube 15 ein. Auf diese Weise ist die Schraubverbindung 13 gegen die Vorspannung des Federelements 19 gesichert.
Zum Schutz des zur Arretierung der Schraube 15 vorgesehenen Überwurfrings 17, des Federelements 19, des weiteren Überwurfrings 21 und des Klemmrings 23 ist ein Gehäuse 25 vorgesehen, das diese auf dem Schaft 30 der Schraube 15 sitzenden Teile umfasst und das an der Schraubverbindung 13 geeignet befestigt werden kann.
Figur 3 zeigt die in Figur 2 als Extrapolation gezeigte Schraubverbindung 13 in einem mit dem Verkleidungselement 11, Dämmteil 9 und der Brennkammerstruktur 7 montierten Zustand.
Dabei tragen die Teile der Figur 3 die gleichen Bezugszeichen wie die Teile der Figuren 2 und 1.
In Figur 3 ist deutlich gezeigt, dass der Schraubenkopf 27 durch seine konische Ausformung 51 an seiner Unterseite in der Öffnung 35 des Verkleidungselements 11 mittig selbstzentriert ist. Das Verkleidungselement 11 selbst weist auch eine konische Ausformung 53 auf, die wiederum in einer der Ausformung 53 angepassten konisch gewölbten weiteren Ausformung des Dämmelements 9 mittig selbstzentriert ist. Auf diese Weise ist der Montageaufwand für die Befestigung 13 erheblich erleichtert und die Lagerung der Befestigung 13 im Gehäuseteil 3 sichergestellt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform verläuft der Schaft 30 der Schraube 15 frei in der Öffnung 37 des Dämmteils 9 und ebenfalls frei in dem Schaft 39 des Überwurfrings 17. Bei dieser Ausführungsform trägt der Schaft 39 des Überwurfrings 17 kein Innengewinde. Das auf dem Schaft 30 der Schraube 15 aufgebrachte Gewinde 29 greift in ein nicht bezeichnetes Gewinde im Schaft 45 des weiteren Überwurfrings 21 ein. Der Überwurfring 21 wird gegen die Federkraft der Feder 19 auf das Gewinde 29 am Schaft 30 der Schraube 15 aufgeschraubt. Zur Sicherung wird der Klemmring 23 über den Klemmkopf 33 der Schraube hinweggeschoben und greift in die zwischen Gewinde 29 und Klemmkopf 33 angeordnete Nut 31 der Schraube 15 ein. Auf diese Weise ist die Schraubverbindung, d.h. die ineinander eingreifenden Gewinde 29 im Schaft 43 des Überwurfrings 21 und die Gewindeführung 29 auf dem Schaft 30 der Schraube 15, gegen ein Lösen durch thermische Dehnungen und sonstige Belastungen gesichert. Alle auf dem Schaft 30 hinter dem Dämmelement 9 sitzenden Teile sind in einem Gehäuse 25 untergebracht. Dies schützt die Teile vor Beschädigungen. Die Unterbringung in einem einzigen Gehäuse 25 vereinfacht die Montage. Dabei ragt der Klemmkopf 33 am Schaft 30 der Schraube 15 aus einer mittigen Öffnung des Gehäuses 25 hinaus. In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann der Klemmkopf 33 der Schraube 15 selbst mit einem weiteren Gewinde versehen werden. Ein solches weiteres Gewinde kann zur weiteren Sicherung des Gehäuses und der Schraube dienen.
In Figur 3 ist des Weiteren eine Arretierung 61 gezeigt, die das Dämmteil 9 am Strukturteil 7 im Gehäuseteil 3 der Brennkammer1 hält.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Verkleidungselement 11 als auch die Schraube 15 aus der gleichen hochtemperaturfesten, nichtoxidischen Keramik basierend auf einer SiN2-Verbindung gebildet. Das Temperaturverhalten von Schraube 15 und Verkleidungselement 11 ist somit aufeinander angepasst. In einer weiteren Ausbildung der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten bevorzugten Ausführungsform kann auch der weitere Überwurfring 21 aus der gleichen Keramik wie die Schraube 15 und das Verkleidungselement 11 gebildet sein. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Überwurfring 21 aus einer anderen, aber auch hochtemperaturfesten, nichtoxidischen Keramik gebildet. Dies ist auch der Fall für das Federelement 19. Auf diese Weise ist eine vorteilhafte Anpassung der Schraubverbindung 13 an die Temperaturumgebung auf der Rückseite des Gehäusestrukturteils 7 erreicht.
Zusammenfassend wurde gemäß dem vorliegenden Konzept für eine Gasturbinenbrennkammer 1 ein Verkleidungselement 11 angegeben, das gleichzeitig hochtemperaturfest und eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist, so dass es auf besonders einfache Art und Weise befestigt werden kann. Dies wird erreicht bei einer Gasturbinenbrennkammer 1 mit einem Gehäuseteil 3 und einem aus einer Keramik gebildeten Verkleidungselement 11, das mittels einer Befestigung 13 an einer einem Brennraum 2 zugewandten Innenseite 4 des Gehäuseteils 3 angebracht ist. Gemäß dem vorliegenden Konzept ist die Keramik eine hochtemperaturfeste, auf einem Nichtoxid basierende Keramik und die Befestigung 13 ist in Form einer Schraubverbindung, insbesondere aus einer Schraube 15 und einem weiteren Überwurfring 21 mit einem Gewinde 29 gebildet.

Claims (10)

  1. Gasturbinenbrennkammer (1) mit einem Gehäuseteil (3) und einem aus einer Keramik gebildeten Verkleidungselement (11), das mittels einer Befestigung an einer einem Brennraum (2) zugewandten Innenseite (4) des Gehäuseteils (3) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Keramik eine hochtemperaturfeste, auf einem Nichtoxid basierende Keramik ist und
    die Befestigung in Form einer Schraubverbindung (13) gebildet ist.
  2. Gasturbinenbrennkammer (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass
    die Befestigung aus einer einzigen das Verkleidungselement (11) mittig haltenden Schraubverbindung (13) besteht.
  3. Gasturbinenbrennkammer (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass
    die Keramik eine auf einer SixCy-Verbindung oder einer SixNy-Verbindung basierende Keramik ist oder eine andere auf einer ZC-Verbindung oder ZN-Verbindung basierende Keramik ist, wobei Z ein beliebiges Element des Periodensystems ist.
  4. Gasturbinenbrennkammer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass
    die Keramik eine Duktilität in einem Elastizitätsmodulbereich von mehr als 0,15 *106N/m2 aufweist.
  5. Gasturbinenbrennkammer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass
    die Keramik eine Hybrid-Konstruktion mit einer Anzahl von Keramikkomponenten mit wenigstens einer nicht-monolithischen Keramikkomponente ist.
  6. Gasturbinenbrennkammer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass
    das Verkleidungselement (11) vollständig aus der Keramik besteht.
  7. Gasturbinenbrennkammer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schraubverbindung (13) eine aus einer Keramik gebildete Schraube (15) und/oder Mutter aufweist, wobei die Keramik eine hochtemperaturfeste, auf einem Nichtoxid basierende Keramik ist.
  8. Gasturbinenbrennkammer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schraubverbindung (13) ein aus einer Keramik gebildetes Federelementen (19) aufweist, wobei die Keramik eine hochtemperaturfeste, auf einem Nichtoxid basierende Keramik ist.
  9. Gasturbinenbrennkammer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schraubverbindung (13) eine Zentrierung, einen Klemmring (23) und ein Gehäuse (25) aufweist.
  10. Gasturbine mit einer Gasturbinenbrennkammer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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