EP1660833A2 - Thermal shielding brick for lining a combustion chamber wall, combustion chamber and a gas turbine - Google Patents

Thermal shielding brick for lining a combustion chamber wall, combustion chamber and a gas turbine

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Publication number
EP1660833A2
EP1660833A2 EP04763502A EP04763502A EP1660833A2 EP 1660833 A2 EP1660833 A2 EP 1660833A2 EP 04763502 A EP04763502 A EP 04763502A EP 04763502 A EP04763502 A EP 04763502A EP 1660833 A2 EP1660833 A2 EP 1660833A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat shield
combustion chamber
edge
core
wall
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Withdrawn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
EP04763502A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Holger Grote
Andreas Heilos
Marc Tertilt
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 EP04763502A priority Critical patent/EP1660833A2/en
Publication of EP1660833A2 publication Critical patent/EP1660833A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27DDETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D1/00Casings; Linings; Walls; Roofs
    • F27D1/0003Linings or walls
    • F27D1/0006Linings or walls formed from bricks or layers with a particular composition or specific characteristics
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23MCASINGS, 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
    • F23M5/00Casings; Linings; Walls
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/007Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27DDETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D1/00Casings; Linings; Walls; Roofs
    • F27D1/0003Linings or walls
    • F27D1/0033Linings or walls comprising heat shields, e.g. heat shieldsd
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23MCASINGS, 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
    • F23M2900/00Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/05004Special materials for walls or lining

Definitions

  • Heat shield brick for lining a combustion chamber wall, combustion chamber and gas turbine
  • the invention relates to a heat shield brick, in particular for lining a combustion chamber wall, with a hot side that can be acted upon by a hot medium and a wall side opposite the hot side and with a core area that extends from the hot side to the wall side
  • the invention further relates to a combustion chamber with an inner combustion chamber lining and a gas turbine.
  • a thermally and / or thermomechanically highly loaded combustion chamber such as a furnace, a hot gas duct or a combustion chamber in a gas turbine, in which a hot medium is generated and / or guided, is provided with an appropriate lining to protect it from excessive thermal stress .
  • the lining usually consists of heat-resistant material and protects a wall of the combustion chamber from direct contact with the hot medium and the associated strong thermal stress.
  • US Pat. No. 4,840,131 relates to an attachment of ceramic lining elements to a wall of an oven.
  • a rail system that is attached to the wall.
  • the lining elements have a rectangular shape with a planar surface and consist of a heat-insulating, fire-resistant, ceramic fiber material.
  • U.S. Patent 4,835,831 also deals with the application of a refractory lining from a wall of an oven, particularly a vertically arranged wall.
  • a layer consisting of glass, ceramic or mineral fibers is applied to the metallic wall of the furnace. This layer is attached by metallic clips or by glue attached to the wall.
  • a wire mesh with ... shaped meshes is applied to this layer.
  • the mesh network also serves to secure the layer of ceramic fibers against falling.
  • a uniform, closed surface made of refractory material is attached using a bolt. The described method largely avoids that refractory particles striking during spraying are thrown back, as would be the case if the refractory particles were sprayed directly onto the metallic wall.
  • a ceramic lining of the walls of thermally highly stressed combustion chambers is described in EP 0 724 116 A2.
  • the lining consists of wall elements made of high-temperature-resistant structural ceramics, such as. B. silicon carbide (SeC) or silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • the wall elements are mechanically and elastically fastened to a metal support structure (wall) of the combustion chamber by means of a central fastening bolt.
  • a thick thermal insulation layer is provided between the wall element and the wall of the combustion chamber, so that the wall element is appropriately spaced from the wall of the combustion chamber.
  • the insulation layer which is about three times as thick as the wall element, consists of ceramic fiber material that is prefabricated in blocks.
  • the dimensions and the external shape of the wall elements can be adapted to the geometry of the room to be lined.
  • Another type of lining of a thermally highly loaded combustion chamber is specified in EP 0 419 787 B1.
  • the lining consists of heat shield elements, which are mechanically held on a metallic wall of the combustion chamber.
  • the heat shield elements directly touch the metallic wall.
  • the wall of the combustion chamber and the heat shield element-formed room with cooling air which applies so-called sealing air.
  • the sealing air prevents the penetration of hot medium to the wall and at the same time cools the wall and the heat shield element.
  • WO 99/47874 relates to a wall segment for a combustion chamber and a combustion chamber of a gas turbine.
  • a wall segment for a combustion chamber which with a hot fluid, for. B. a hot gas, can be acted upon, with a metallic support structure and a heat shield element fastened to the metallic support structure.
  • a deformable separating layer is inserted between the metallic support structure and the heat shield element, which is to absorb and compensate for possible relative movements of the heat shield element and the support structure.
  • Such relative movements can be caused, for example, in the combustion chamber of a gas turbine, in particular an annular combustion chamber, by different thermal expansion behavior of the materials used and by pulsations in the combustion chamber, which can occur in the event of irregular combustion to generate the hot working medium under the resonance effects.
  • the separating layer causes the relatively inelastic heat shield element to lie flat on the separating layer and the metallic support structure, since the heat shield element partially penetrates into the separating layer.
  • the separating layer can compensate for unevenness in the support structure and / or the heat shield element, which can lead to an unfavorable selective force input locally.
  • Ceramic materials are suitable for this in comparison to metallic materials due to their high temperature resistance, corrosion resistance and low thermal conductivity ideally. Because of the thermal expansion properties typical of the material and the temperature differences that typically occur during operation (ambient temperature at standstill, maximum temperature at full load), the thermal mobility of ceramic heat shields must be guaranteed as a result of temperature-dependent expansion, so that thermal stresses due to expansion which do not damage the component occur. This can be achieved by the wall to be protected against hot gas attack by a large number of individual ceramic heat shields limited in size, eg. B.
  • WO 02/25173 AI discloses a heat shield brick, in particular for lining a combustion chamber wall, with a hot side which can be exposed to a hot medium, a wall side opposite the hot side and a peripheral side which adjoins the hot side and the wall side and which has a peripheral side surface.
  • a tension element provided in the circumferential direction is provided on the circumferential side, a compressive stress being generated normal to the circumferential side surface. This provides an extremely efficient and long-term stable fuse for a heat shield brick.
  • the tension element is prestressed in the circumferential direction, a certain compressive stress being generated normal to the circumferential side surface.
  • the object of the invention is to provide a heat shield brick which ensures high operational reliability and a long service life both in terms of unlimited thermal expansion and in terms of its resistance to hot gas attack.
  • Another object of the invention is to specify a combustion chamber with an internal combustion chamber lining and to specify a gas turbine with a combustion chamber.
  • a heat shield brick in particular for lining a combustion chamber wall, with a hot side that can be acted upon by a hot medium and a wall side opposite the hot side, and with a core region that extends from the hot side to the wall side with a Core material, the core area being surrounded by an edge area with an edge material whose thermal conductivity is lower than that of the core material.
  • the invention is based on the knowledge that, in the case of use, as a result of the air flowing through the gaps cooling the edges of the heat shield stone, the gap between the heat shield stones and the heat input onto the hot side of the ⁇
  • Heat shield stone due to the exposure to hot gas, a three-dimensional temperature distribution within the heat shield stone. This is characterized by a drop in temperature from the hot side to the wall side and, as a result of the sealing air cooling of the edges ("edge cooling") from central points in the ceramic heat shield brick to the cooled edges.
  • edge cooling sealing air cooling of the edges
  • the temperature gradient perpendicular to the wall side surface leads to comparatively only low thermal stresses, as long as there is no impediment to the thermally induced bulging for the heat shield stone in the installed state.
  • a temperature gradient parallel to the wall - starting from an edge • to an inner area of the heat shield brick - leads particularly easily to increased thermal stresses due to the mechanical rigidity of plate-like geometries with regard to deformations parallel to their size projection surfaces.
  • hot edges are subjected to hot central areas that are subject to greater thermal expansion, and if the material strength is exceeded, cracks can form, starting from the edges of the heat shield brick.
  • a heat shield brick is provided, the thermal conductivity of which is set locally in order to avoid crack formation and crack growth.
  • the core area is surrounded by an edge area with an edge material whose thermal conductivity is lower than that of the core material.
  • a two-component heat shield brick is therefore specified with thermal insulation in the edge area, due to the targeted choice of material for the edge material, with a reduced thermal conductivity compared to the core material.
  • the core area and the edge area are integral components of the heat shield brick, so that a heat shield brick is provided with a thermal conductivity that is variable over its volume.
  • the greater thermal conductivity in the core area ensures that an approximately balanced temperature profile is established in the core area parallel to the hot side.
  • the core area thus remains largely free of thermal stress. Temperature gradients and associated thermal stresses only occur in the edge area.
  • the edge region advantageously also includes the outer edges of the heat shield brick, so that, due to the lower thermal conductivity compared to the core region, they act as thermal insulation or as an insulation region. It is particularly advantageous here that the length of cracks caused by thermal stress is shortened because they are limited to the edge region, as a result of which the heat shield brick is stabilized with respect to crack formation.
  • the thermal conductivity of the edge material is less than 60%, in particular less than 50%, of the thermal conductivity of the core material.
  • the heat shield brick is therefore designed so that there is a significant reduction in the thermal conductivity at the transition from the core area to the edge area.
  • the edge area acts as thermal insulation that surrounds the core area.
  • the edge area directly surrounds the core area, a cohesive composite of the core material and the edge material being realized.
  • the edge material is preferably porous, the porosity of the edge material being set in such a way that the thermal conductivity of the edge material is thereby reduced compared to the thermal conductivity of the core material.
  • the thermal conductivity in the edge area can be set in a targeted manner depending on the requirements in the event of a load. If necessary, a variation of the local thermal conductivity can also be achieved within the edge region by a corresponding variation of the pore size and pore diameter distribution.
  • the core material and the edge material are formed from the same ceramic base material, in particular a refractory ceramic.
  • This material identity of the base material makes it possible to achieve a particularly good material bond between the core material and the edge material.
  • the pore former is advantageously pressed or cast in the area near the edge, that is to say in the edge area of the drone. During the Sinther process, the pore former evaporates and leaves the pores, which reduce the effective thermal conductivity of the base material accordingly.
  • the axial extent of the edge region along the hot side of the heat shield brick is less than 20%, in particular between about 5 and 10%, of the total axial extent of the heat shield brick.
  • the heat shield brick is provided on all edges encompassed by the edge region with a lower thermal conductivity deviating from the core material at a distance of approximately less than 10% of the respective total extent (bearing length) with a reduction in the thermal conductivity compared to the thermal conductivity of the core area to less than 50% of the core material ,
  • the edge region preferably extends from the hot side to the wall side.
  • the core area is completely enclosed on the circumference by the edge area, so that a full-scale thermal insulation of the core area is achieved with a material bond between the core material and the edge material.
  • the heat shield brick preferably has a peripheral side adjacent to the hot side and the wall side with a peripheral side surface which is at least partially formed by the edge material.
  • the gaps between the heat shield stones are at least partially delimited by the edge material on the peripheral side surface.
  • the circumferential side surface is advantageously formed entirely by the core material, so that the core material is thermally insulated as well as possible.
  • the heat shield brick preferably consists of a ceramic base material, in particular of a refractory ceramic.
  • a ceramic as the base material for the heat shield brick, the use of the heat shield brick is guaranteed up to very high temperatures, while at the same time oxidative and / or corrosive attacks, such as those when the hot side of the heat shield brick is exposed to a hot medium, z. B. occur a hot gas, are largely harmless to the heat shield brick.
  • the combustion chamber can be operated at least with the usual maintenance cycles, but it is also possible to extend the service life due to the lower tendency to crack propagation.
  • the object directed to a combustion chamber is achieved according to the invention by a combustion chamber with an internal combustion chamber lining which has heat shield bricks 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 combustion chamber.
  • a gas turbine with such a combustion chamber.
  • the advantages of such a combustion chamber or of such a gas turbine result from the explanations given for the heat shield brick.
  • FIG. 1 shows a half section through a gas turbine
  • FIG. 2 shows a perspective view of a heat shield brick
  • Figure 3 is a sectional view of the heat shield brick shown in Figure 2 along the section line III-III.
  • FIG. 7 different configurations of a heat shield stone with a core area and with an edge area.
  • the gas turbine 1 has a compressor 2 for combustion air, a combustion chamber 4 and a turbine 6 for driving the compressor 2 and a generator (not shown) or a work machine.
  • the turbine 6 and the compressor 2 are arranged on a common turbine shaft 8, also referred to as a turbine rotor, to which the generator or the working machine is also connected, and which is rotatably mounted about its central axis 9.
  • the combustion chamber 4, which is designed as an annular combustion chamber, is equipped with a number of burners 10 for the combustion of a liquid or gaseous fuel.
  • the turbine 6 has a number of rotatable rotor blades 12 connected to the turbine shaft 8.
  • the blades 12 are arranged in a ring shape on the turbine shaft 8 and thus form a number of rows of blades. Furthermore, the turbine 6 comprises a number of stationary guide vanes 14, which are also attached to an inner casing 16 of the turbine 6 in a ring shape, with the formation of rows of guide vanes.
  • the blades 12 are used to drive the turbine shaft 8 by transmitting momentum from the hot medium flowing through the turbine 6, the working medium M.
  • the guide blades 14, serve to guide the flow of the working medium M between two successive rows of moving blades or rotating blade rings seen in the flow direction of the working medium M.
  • a successive pair of a ring of guide blades 14 or a row of guide blades and a ring of rotor blades 12 or a row of rotor blades is also referred to as a turbine stage.
  • Each guide vane 14 has a platform 18, also referred to as a blade root, which is arranged as a wall element for fixing the respective guide vane 14 to the inner housing 16 of the turbine 6.
  • the platform 18 is a thermally comparatively heavily loaded component that forms the outer boundary of a hot gas channel for the working medium M flowing through the turbine 6.
  • Each rotor blade 12 is fastened in an analogous manner to the turbine shaft 8 via a platform 20, which is also referred to as a blade root.
  • a guide ring 21 is arranged in each case between the platforms 18 of the guide vanes 14 of two adjacent rows of guide vanes which are arranged at a distance from one another.
  • the outer surface of each guide ring 21 is also exposed to the hot working medium M flowing through the turbine 6 and is spaced in the radial direction from the outer end 22 of the rotor blade 12 opposite it by a gap.
  • the between the adjacent rows of vanes Ordered guide rings 21 serve in particular as cover elements which protect the inner wall 16 or other housing built-in components against thermal overloading by the hot working medium M flowing through the turbine 6.
  • the combustion chamber 4 is delimited by a combustion chamber housing 29, a combustion chamber wall 24 being formed on the combustion chamber side.
  • the combustion chamber 4 is configured as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of burners arranged in the circumferential direction around the turbine shaft 8 open into a common combustion chamber space.
  • the combustion chamber 4 is configured in its entirety as an annular structure which is positioned around the turbine shaft 8.
  • the combustion chamber 4 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of approximately 1200 ° C. to 1500 ° C.
  • the combustion chamber wall 24 is provided on its side facing the working medium M with a combustion chamber lining formed from heat shield stones 26.
  • the combustion chamber lining is provided with a large number of high-temperature-resistant heat shield bricks 26, so that in this way a complete, largely leak-free combustion chamber lining is formed in the annular space.
  • FIG. 2 shows a perspective view of a heat shield brick 26 as it is designed in particular for lining a combustion chamber wall 24 according to the invention.
  • the combustion chamber brick 26 has a cuboid or cuboid-like geometry and extends along a longitudinal axis 43 and a transverse axis 45 which is essentially perpendicular to the longitudinal axis 43.
  • the heat shield brick 26 has a hot side 35 which can be acted upon by the hot medium M and one which is opposite the hot side 35 Wall side 33 on. Of the A hot zone 35 to the wall side 33 extends through the interior of the heat shield brick 26, a core area 31 with a core material 39.
  • the core area 31 is surrounded by an edge area 37 with an edge material 41, the thermal conductivity of the edge material 41 being lower than the thermal conductivity of the Core material 39.
  • the edge region 37 completely surrounds the core region 31 along the edges of the cuboid or cuboid-like heat shield element 26.
  • the material transition from the core material 39 in the core region 31 to the edge material 41 in the edge region 37 takes place by means of a material bond.
  • the thermal conductivity of the edge material 41 is less than 50% of the thermal conductivity of the core material 39. This ensures that when the heat shield brick 26 is used in the combustion chamber 4 of a gas turbine 1 (see FIG. 1), an approximately balanced temperature profile parallel to the hot side 35 is found in the core area established.
  • the core region 31 remains largely free of thermal stress due to the thermal insulation effect of the edge region 37 with the reduced thermal conductivity. Temperature gradients and associated thermal stresses therefore occur only or almost exclusively in the edge region 37, that is to say near the edges of the heat shield brick 26. The length of cracks caused by thermal stress is thus shortened, limited to the edge region 31, and the heat shield brick 26 as a whole is stabilized with respect to crack formation and crack propagation compared to conventional designs.
  • FIG. 3 shows a sectional view along the section line III-III of the heat shield brick 26 shown in FIG. 2.
  • a view of the heat shield brick 26 in the direction of the transverse axis 45 is shown on the cutting surface.
  • the core area 31 is cuboid or cuboid-like.
  • the edge region 37 completely surrounds the core region 31, the edge region 31 extending from the hot side 35 to the wall side 33.
  • the edge region 37 consists of an edge material 41, the peripheral side surface 49 having the edge material 41.
  • the peripheral side surface 49 is the outermost Boundary surface of the peripheral side 47, which is adjacent to the hot side 35 and the wall side 33.
  • the edge material 41 is designed as a porous material with a large number of pores, the porosity of the edge material 41 being specifically set such that the thermal conductivity of the edge material 41 compared to the thermal conductivity of the core material 39 is thereby achieved is lowered to a desired level.
  • the thermal conductivity of the edge material 41 is, for example, less than 60%, in particular less than 50%, of the thermal conductivity of the core material 39.
  • the core material 39 and the edge material 41 can be formed, for example, from the same ceramic base material, in particular a refractory ceramic. This material identity of the base material for the core material 39 and the edge material 41 results in a particularly strong and durable material composite.
  • a desired porosity for lowering the thermal conductivity in the edge region 37 is set, for example, by mixing suitable pore formers into the ceramic mass, the pore formers being pressed or poured into the region of the blast element defined by the edge region 37. During the sintering process, the pore former evaporates and leaves pores with a predetermined pore diameter distribution and pore density distribution within the edge region 37.
  • the heat shield brick 26 is thus in the edge region 37 with a lower thermal conductivity that deviates from the core material 39, for example with a reduction in the thermal conductivity to less 50% of the core material 39 provided.
  • the axial extent d R of the edge region 37 is less than 20%, in particular between about 5% and 10% of the total axial extent L of the heat shield brick 26. Consequently, in this embodiment, the axial extent d ⁇ of the core region 31 with the Core material 39 significantly larger than the axial extent d R of the edge region 37.
  • the advantages of • Core material 39 in the core area 31 with regard to the resistance to high-temperature stress and exposure to a hot medium M, for example a hot gas, are thus largely retained, cracking in particular on the hot side 35 in the core area 31 due to the thermal insulation effect of the porous edge material 41 is largely suppressed even at high temperature loads or temperature changes. A possible crack formation or crack propagation can possibly occur in edge area 37, where this is tolerable.
  • FIGS. 4 to 7 show further refinements of the heat shield block 26 with modification of the geometry of the heat shield block 26 (see FIGS. 6 and 7) or with variation of the geometry of the core region 31 and edge region 37.
  • FIG. 4 shows a heat shield element 26 with an edge region 37 which extends from the hot side 35 to the wall side 33, the cross section of the edge region 37 curving towards the wall side 33. Accordingly, the cross section of the core region 31 increases continuously from the hot side 35 to the cold side 33.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of the heat shield brick 26, in which the edge region 37 forms a partial surface of the peripheral side surface 49 with the edge material 41. The edge region 37 faces the hot side 35 and is at the same time a component of the hot side 35.
  • the peripheral side surface 49 has both the core material 39 and the edge material 41, the edge material 41 facing the hot side 35 and the core material 39 facing the wall side 33 ,
  • both the geometry of the edge region 37 and the core region 31 and the local heat conduction properties in the edge region 37 can be modified and adapted by setting a corresponding porosity of the edge material 41 in the edge region 37.
  • FIGS. 6 and 7 show different geometries of the heat shield brick 26 in a top view of the hot side 35.
  • the geometry of the core region 31 is essentially cylindrical and extends from the hot side 35 to the cold side 33.
  • the outer boundary edge of the heat shield element 26 is 6 of square geometry and FIG. 7 of hexagonal geometry.
  • the edge region 37 essentially results as a complementary volume to the cylindrical core region 31.
  • the edge material 41 has a porosity, so that in the edge region 37 a significantly reduced thermal conductivity compared to the core region 31 is achieved.
  • the core material 39 and the edge material 41 are constructed from identical base material or essentially similar base material, so that the transition from the core region 31 to the edge region 37 is achieved in the form of a materially integral, largely homogeneous material composite, which is chemically identical or similar, but due to the physical effect of the specifically set porosity of the edge material 41 causes the desired lowering of the thermal conductivity from the core area 31 to the edge area 37.

Abstract

The invention relates to a heat shield block (26), particularly for lining a combustion chamber wall (24), with a hot side (35) that can be subjected to the action of hot medium (M) and with a wall side (33) situated opposite the hot side (35). A core area (31), which has a core material (39), extends inside the heat shield block (26) from the hot side (35) to the wall side (33). The core area (31) is surrounded by an edge area (37) with an edge material (41) whose heat conductivity is lower than that of the core material (39). This targeted thermal insulation in the edge area (37) provided in the form of a material bond between the core material (39) and the edge material (41) renders the heat shield block (26) particularly unsusceptible to the formation and growth of cracks in the core area (31) on the hot side (35). The invention also relates to a combustion chamber (4) provided with heat shield blocks (26) of the aforementioned type, and to a gas turbine (1) provided with a combustion chamber (4) comprising such a heat shield block (26).

Description

Beschreibungdescription
Hitzeschildstein zur Auskleidung einer Brennkammerwand, Brennkammer sowie GasturbineHeat shield brick for lining a combustion chamber wall, combustion chamber and gas turbine
Die Erfindung betrifft ein Hitzeschildstein, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer von einem heißen Medium beaufschlagbaren Heißseite und einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite und mit einem sich von der Heiß- seite zu der Wandseite erstreckenden Kernbereich mit einemThe invention relates to a heat shield brick, in particular for lining a combustion chamber wall, with a hot side that can be acted upon by a hot medium and a wall side opposite the hot side and with a core area that extends from the hot side to the wall side
Kernmaterial. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung sowie eine Gasturbine .Core material. The invention further relates to a combustion chamber with an inner combustion chamber lining and a gas turbine.
Ein thermisch und/oder thermomechanisch hochbelasteter Brennraum, wie beispielsweise ein Brennofen, ein Heißgaskanal oder eine Brennkammer in einer Gasturbine, in dem ein heißes Medium erzeugt und/oder geführt wird, ist zum Schutz vor zu hoher thermischer Beanspruchung mit einer entsprechenden Aus- kleidung versehen. Die Auskleidung besteht üblicherweise aus hitzeresistentem Material und schützt eine Wandung des Brennraums vor dem direkten Kontakt mit dem heißen Medium und der damit verbundenen starken thermischen Belastung.A thermally and / or thermomechanically highly loaded combustion chamber, such as a furnace, a hot gas duct or a combustion chamber in a gas turbine, in which a hot medium is generated and / or guided, is provided with an appropriate lining to protect it from excessive thermal stress , The lining usually consists of heat-resistant material and protects a wall of the combustion chamber from direct contact with the hot medium and the associated strong thermal stress.
Die US-Patentschrift 4,840,131 betrifft eine Befestigung von keramischen Auskleidungselementen an einer Wand eines Ofens. Hierbei ist ein Schienensystem, welches an der Wand befestigt ist. Die Auskleidungselemente weisen eine rechteckige Form mit planarer Oberfläche auf und bestehen aus einem wärmeiso- lierenden, feuerfesten, keramischen Fasermaterial.US Pat. No. 4,840,131 relates to an attachment of ceramic lining elements to a wall of an oven. Here is a rail system that is attached to the wall. The lining elements have a rectangular shape with a planar surface and consist of a heat-insulating, fire-resistant, ceramic fiber material.
Die US-Patentschrift 4,835,831 behandelt ebenfalls das Aufbringen einer feuerfesten Auskleidung aus einer Wand eines Ofens, insbesondere einer vertikal angeordneten Wand. Auf die metallische Wand des Ofens wird eine aus Glas-, Keramik-, oder Mineralfasern bestehende Schicht aufgebracht. Diese Schicht wird durch metallische Klammern oder durch Kleber an der Wand befestigt. Auf dieser Schicht wird ein Drahtnetz mit ....förmigen Maschen aufgebracht. Das Maschennetz dient ebenfalls der Sicherung der Schicht aus Keramikfasern gegen ein Herabfallen. Zusätzlich befestigt wird mittels eines Bolzens eine gleichmäßige geschlossene Oberfläche aus feuerfestem Material aufgebracht. Mit dem beschriebenen Verfahren wird weitgehend vermieden, dass während des Aufsprühens auftreffende feuerfeste Partikel zurückgeworfen werden, wie dies bei einem direkten Aufsprühen der feuerfesten Partikel auf die metallische Wand der Fall wäre.U.S. Patent 4,835,831 also deals with the application of a refractory lining from a wall of an oven, particularly a vertically arranged wall. A layer consisting of glass, ceramic or mineral fibers is applied to the metallic wall of the furnace. This layer is attached by metallic clips or by glue attached to the wall. A wire mesh with ... shaped meshes is applied to this layer. The mesh network also serves to secure the layer of ceramic fibers against falling. In addition, a uniform, closed surface made of refractory material is attached using a bolt. The described method largely avoids that refractory particles striking during spraying are thrown back, as would be the case if the refractory particles were sprayed directly onto the metallic wall.
Eine keramische Auskleidung der Wandungen von thermisch hoch beanspruchten Brennräumen, beispielsweise von Gasturbinenbrennkammern, ist in der EP 0 724 116 A2 beschrieben. Die Auskleidung besteht aus Wandelementen aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik, wie z. B. Siliziumcarbid (SeC) oder Siliziumnitrit (Si3N4) . Die Wandelemente sind mechanisch mittels eines zentralen Befestigungsbolzens federelastisch an einer metallischen Tragstruktur (Wandung) der Brennkammer be- festigt. Zwischen dem Wandelement und der Wandung des Brennraums ist eine dicke thermische Isolationsschicht vorgesehen, so dass das Wandelement von der Wandung der Brennkammer entsprechend beabstandet ist. Die im Verhältnis zum Wandelement etwa drei mal so dicke Isolationsschicht besteht aus kerami- schem Fasermaterial, das in Blöcken vorgefertigt ist. Die Abmessungen und die äußere Form der Wandelemente sind an der Geometrie des auszukleidenden Raumes anpassbar. Eine andere Art der Auskleidung eines thermisch hochbelasteten Brennraums ist in der EP 0 419 787 Bl angegeben. Die Auskleidung besteht aus Hitzeschildelementen, die mechanisch an einer metallischen Wandung des Brennraumes gehaltert sind. Die Hitzeschildelemente berühren die metallische Wandung direkt. Um eine zu starke Erwärmung der Wand zu vermeiden, z. B. in Folge eines direkten Wärmeübergangs vom Hitzeschildelement oder durch Eindringen von heißem Medium in die durch die voneinander angrenzenden Hitzeschildelementen gebildeten Spalte, wird der von der Wandung des Brennraums und dem Hitzeschild- element gebildeter Raum mit Kühlluft, der so genannten Sperrluft beaufschlagt. Die Sperrluft verhindert das Vordringen von heißen Medium bis zur Wandung und kühlt gleichzeitig die Wandung und das Hitzeschildelement.A ceramic lining of the walls of thermally highly stressed combustion chambers, for example gas turbine combustion chambers, is described in EP 0 724 116 A2. The lining consists of wall elements made of high-temperature-resistant structural ceramics, such as. B. silicon carbide (SeC) or silicon nitride (Si 3 N 4 ). The wall elements are mechanically and elastically fastened to a metal support structure (wall) of the combustion chamber by means of a central fastening bolt. A thick thermal insulation layer is provided between the wall element and the wall of the combustion chamber, so that the wall element is appropriately spaced from the wall of the combustion chamber. The insulation layer, which is about three times as thick as the wall element, consists of ceramic fiber material that is prefabricated in blocks. The dimensions and the external shape of the wall elements can be adapted to the geometry of the room to be lined. Another type of lining of a thermally highly loaded combustion chamber is specified in EP 0 419 787 B1. The lining consists of heat shield elements, which are mechanically held on a metallic wall of the combustion chamber. The heat shield elements directly touch the metallic wall. To avoid overheating the wall, e.g. B. as a result of direct heat transfer from the heat shield element or by penetration of hot medium into the gap formed by the adjacent heat shield elements, the wall of the combustion chamber and the heat shield element-formed room with cooling air, which applies so-called sealing air. The sealing air prevents the penetration of hot medium to the wall and at the same time cools the wall and the heat shield element.
Die WO 99/47874 betrifft ein Wandsegment für einen Brennraum sowie einen Brennraum einer Gasturbine. Hierbei wird ein Wandsegment für einen Brennraum, welcher mit einem heißen Fluid, z. B. ein Heißgas, beaufschlagbar ist, mit einer me- tallischen Tragstruktur und einem auf der metallischen Tragstruktur befestigten Hitzeschildelements angegeben. Zwischen die metallische Tragstruktur und das Hitzeschildelement wird eine verformbare Trennlage eingefügt, die mögliche Relativbewegungen des Hitzeschildelements und der Tragstruktur aufneh- men und ausgleichen soll. Solche Relativbewegungen können beispielsweise in der Brennkammer einer Gasturbine, insbesondere einer Ringbrennkammer, durch unterschiedliches Wärmedehnverhalten der verwendeten Materialien und durch Pulsationen im Brennraum, die bei einer unregelmäßigen Verbrennung zur Erzeugung des heißen Arbeitsmediums unter die Resonanzeffekte entstehen können, hervorgerufen werden. Zugleich bewirkt die Trennschicht, dass das relativ unelastische Hitzeschildelement insgesamt flächiger auf der Trennschicht und der metallischen Tragstruktur aufliegt, da das Hitzeschild- element teilweise in die Trennschicht eindringt. Die Trennschicht kann so fertigungsbedingte Unebenheiten an der Trag- struktur und/oder dem Hitzeschildelement, die lokal zu einem ungünstigen punktuellen Krafteintrag führen können, ausgleichen.WO 99/47874 relates to a wall segment for a combustion chamber and a combustion chamber of a gas turbine. Here, a wall segment for a combustion chamber, which with a hot fluid, for. B. a hot gas, can be acted upon, with a metallic support structure and a heat shield element fastened to the metallic support structure. A deformable separating layer is inserted between the metallic support structure and the heat shield element, which is to absorb and compensate for possible relative movements of the heat shield element and the support structure. Such relative movements can be caused, for example, in the combustion chamber of a gas turbine, in particular an annular combustion chamber, by different thermal expansion behavior of the materials used and by pulsations in the combustion chamber, which can occur in the event of irregular combustion to generate the hot working medium under the resonance effects. At the same time, the separating layer causes the relatively inelastic heat shield element to lie flat on the separating layer and the metallic support structure, since the heat shield element partially penetrates into the separating layer. In this way, the separating layer can compensate for unevenness in the support structure and / or the heat shield element, which can lead to an unfavorable selective force input locally.
Insbesondere bei Wänden von Hochtemperaturgasreaktoren, wie z. B. von unter Druck betriebenen Gasturbinenbrennkammern, müssen mit geeigneten Brennkammerauskleidungen ihre tragenden Strukturen gegen einen Heißgasangriff geschützt werden. Kera- mische Materialien bieten sich hierfür im Vergleich zu metallischen Werkstoffen aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit, Korosionsbeständigkeit und niedrigen Wärmeleitfähigkeit idealerweise an. Wegen Materialtypischer Wärmedehnungseigenschaften unter im Rahmen des Betriebs typischerweise auftretenden Temperaturunterschiede (Umgebungstemperatur bei Stillstand, maximale Temperatur bei Volllast) muss die Wärmebeweg- lichkeit keramischer Hitzeschilde in Folge temperaturabhängiger Dehnung gewährleistet sein, damit keine bauteilzerstörenden WärmeSpannungen durch Dehnungsbehinderung auftreten. Dies kann erreicht werden, indem die vor Heißgasangriff zu schützende Wand durch eine Vielzahl von in ihrer Größe be- grenzten, einzelnen keramischen Hitzeschildern, z. B. Hitzeschildsteine aus einer Feuerfestkeramik, ausgekleidet wird. Wie bereits oben im Zusammenhang mit der EP 0 419 487 Bl diskutiert, müssen zwischen den einzelnen keramischen Hitzeschildelementen entsprechende Dehnspalten vorgesehen werden, die aus Sicherheitsgründen auch im Heißzustand auslegungsgemäß nie völlig geschlossen sein dürfen. Es muss dabei sichergestellt werden, dass das Heißgas nicht über die Dehnspalte die tragende Wandstruktur übermäßig erwärmt. Der einfachste und sicherste Weg, um dies in einer Gasturbinenbrennkammer zu vermeiden, ist dabei die Spülung der Dehnspalte mit Luft, so genannte Sperrluftkühlung. Hierzu kann die Luft verwendet werden, die ohnehin zur Kühlung von Halterungselementen für die keramischen Hitzeschilde erforderlich ist.Especially on walls of high-temperature gas reactors, such as. B. of gas turbine combustors operated under pressure, their supporting structures must be protected against a hot gas attack with suitable combustion chamber linings. Ceramic materials are suitable for this in comparison to metallic materials due to their high temperature resistance, corrosion resistance and low thermal conductivity ideally. Because of the thermal expansion properties typical of the material and the temperature differences that typically occur during operation (ambient temperature at standstill, maximum temperature at full load), the thermal mobility of ceramic heat shields must be guaranteed as a result of temperature-dependent expansion, so that thermal stresses due to expansion which do not damage the component occur. This can be achieved by the wall to be protected against hot gas attack by a large number of individual ceramic heat shields limited in size, eg. B. heat shield stones from a refractory ceramic is lined. As already discussed above in connection with EP 0 419 487 B1, corresponding expansion gaps must be provided between the individual ceramic heat shield elements which, for safety reasons, must never be completely closed, even when hot, by design. It must be ensured that the hot gas does not excessively heat the load-bearing wall structure via the expansion gaps. The simplest and safest way to avoid this in a gas turbine combustion chamber is to flush the expansion gaps with air, so-called sealing air cooling. For this purpose, the air can be used, which is required anyway for cooling mounting elements for the ceramic heat shields.
In der WO 02/25173 AI ist ein Hitzeschildstein, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen Medium aussetzbaren Heißseite, einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite und einer an die Heißseite und die Wandseite angrenzende Umfangsseite, die eine Umfangsseitenfläche aufweist, offenbart. An der Umfangsseite ist ein in Umfangsrichtung vorgesehenes Zugelement vorgesehen, wobei eine Druckspannung normal zur Umfangsseitenfläche erzeugt wird. Hierdurch wird eine äußerst effiziente und langzeitstabile Sicherung für einen Hitzeschildstein angegeben. Das Zugele- ment ist in Umfangsrichtung vorgespannt, wobei eine gewisse Druckspannung normal zur Umfangsseitenfläche erzeugt wird. Durch diese Normalkraft, die in Richtung des inneren des Hit- zeschildsteins in dessen Zentrum gerichtet ist, wird der Hitzeschildstein bereits bei sehr geringen Normalkräften gesichert. Hierdurch wird einem Materialanriss, beispielsweise in Folge einer Stoßbelastung, wirkungsvoll entgegengetreten. Vorhandene Materialanrisse können sich bei entsprechender Anordnung und Ausgestaltung des Zugelements nicht oder nur eingeschränkt weiterbilden oder ausdehnen. Das Zugelement hält den Hitzeschildstein sozusagen zusammen und sichert ihn einerseits gegenüber Materialanrissen und andererseits vor al- lern gegenüber einem vollständigen Materialdurchriss. Zusätzlich wird der Gefahr eines Herauslösens oder Herausfallens von kleineren oder größeren Bruchstücken im Falle eines möglichen Materialdurchrisses wirkungsvoll entgegengetreten.WO 02/25173 AI discloses a heat shield brick, in particular for lining a combustion chamber wall, with a hot side which can be exposed to a hot medium, a wall side opposite the hot side and a peripheral side which adjoins the hot side and the wall side and which has a peripheral side surface. A tension element provided in the circumferential direction is provided on the circumferential side, a compressive stress being generated normal to the circumferential side surface. This provides an extremely efficient and long-term stable fuse for a heat shield brick. The tension element is prestressed in the circumferential direction, a certain compressive stress being generated normal to the circumferential side surface. By this normal force, which is towards the inside of the hit zeschildstein in the center, the heat shield stone is secured even with very low normal forces. This effectively counteracts a material crack, for example as a result of a shock load. Existing material cracks cannot develop or expand, or can only do so to a limited extent, if the tension element is arranged and configured accordingly. The traction element holds the heat shield brick together, so to speak, and secures it against material cracks on the one hand and, above all, against a complete material tear through. In addition, the risk of loosening or falling out of smaller or larger fragments is effectively counteracted in the event of a possible material breakdown.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hitzeschildstein anzugeben, welcher sowohl hinsichtlich unbeschränkter thermischer Ausdehnung als auch hinsichtlich seiner Beständigkeit gegenüber einem Heißgasangriff eine hohe Betriebssicherheit und lange Standzeit gewährleistet. Eine weitere Aufgabe der Er- findung ist die Angabe einer Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung sowie die Angabe einer Gasturbine mit einer Brennkammer.The object of the invention is to provide a heat shield brick which ensures high operational reliability and a long service life both in terms of unlimited thermal expansion and in terms of its resistance to hot gas attack. Another object of the invention is to specify a combustion chamber with an internal combustion chamber lining and to specify a gas turbine with a combustion chamber.
Die auf einen Hitzeschildstein gerichtete Aufgabe wird erfin- dungsgemäß gelöst durch einen Hitzeschildstein, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer von einem heißen Medium beaufschlagbaren Heißseite und einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite, und mit einem sich von der Heißseite zu der Wandseite streckenden Kernbereich mit einem Kernmaterial, wobei der Kernbereich von einem Randbereich mit einem Randmaterial umgeben ist, dessen Wärmeleitfähigkeit niedriger ist als die des Kernmaterials.The object directed at a heat shield brick is achieved according to the invention by a heat shield brick, in particular for lining a combustion chamber wall, with a hot side that can be acted upon by a hot medium and a wall side opposite the hot side, and with a core region that extends from the hot side to the wall side with a Core material, the core area being surrounded by an edge area with an edge material whose thermal conductivity is lower than that of the core material.
Die Erfindung geht hierbei bereits von der Erkenntnis aus, dass im Einsatzfall in Folge der die Kanten des Hitzeschildsteines kühlenden Luftdurchströmung der Spalte zwischen den Hitzeschildsteinen und dem Wärmeeintrag auf die Heißseite des βIn this case, the invention is based on the knowledge that, in the case of use, as a result of the air flowing through the gaps cooling the edges of the heat shield stone, the gap between the heat shield stones and the heat input onto the hot side of the β
Hitzeschildsteins in Folge der Beaufschlagung mit Heißgas, sich eine dreidimensionale Temperaturverteilung innerhalb des Hitzeschildsteins einstellt. Diese ist geprägt durch einen Temperaturabfall von der Heißseite zur Wandseite sowie in Folge der Sperrluftkühlung der Kanten ("Kantekühlung") von zentralen Punkten im keramischen Hitzeschildstein hin zu den gekühlten Kanten. Bei typischerweise parallel zur Heißseite bzw. zur Wandseite flachen Hitzeschildsteinen führt der Temperaturgradient senkrecht zur Wandseitenoberfläche zur ver- gleichsweise nur geringen thermischen Spannungen, so lange für den Hitzeschildstein im Einbauzustand keine Behinderung der thermisch-induzierten Aufwölbung vorliegt. Hingegen führt ein zur Wandseite paralleler Temperaturgradient - ausgehend von einer Kante zu einem inneren Bereich des Hitzeschild- steins - in Folge der mechanischen Steifigkeit von plattenähnlichen Geometrien bezüglich Verformungen parallel zu ihrer Größenprojektionsflächen besonders leicht zu erhöhten Thermo- spannungen. Kalte Kanten werden dabei in Folge ihrer vergleichsweise geringen thermischen Dehnung von heißeren Zent- ralbereichen, die einer größeren thermischen Dehnung unterworfen sind, unter Zug gesetzt und können bei Überschreiten der Materialfestigkeit zur Rissbildung, ausgehend von den Kanten des Hitzeschildsteins, führen.Heat shield stone due to the exposure to hot gas, a three-dimensional temperature distribution within the heat shield stone. This is characterized by a drop in temperature from the hot side to the wall side and, as a result of the sealing air cooling of the edges ("edge cooling") from central points in the ceramic heat shield brick to the cooled edges. In the case of heat shield stones which are typically parallel to the hot side or to the wall side, the temperature gradient perpendicular to the wall side surface leads to comparatively only low thermal stresses, as long as there is no impediment to the thermally induced bulging for the heat shield stone in the installed state. On the other hand, a temperature gradient parallel to the wall - starting from an edge to an inner area of the heat shield brick - leads particularly easily to increased thermal stresses due to the mechanical rigidity of plate-like geometries with regard to deformations parallel to their size projection surfaces. As a result of their comparatively low thermal expansion, hot edges are subjected to hot central areas that are subject to greater thermal expansion, and if the material strength is exceeded, cracks can form, starting from the edges of the heat shield brick.
Mit der Erfindung wird nunmehr ein völlig neues Konzept aufgezeigt, insbesondere ein Versagen des Hitzeschildsteins in Folge des Rissbildungsproblems, ausgehend von den Kanten des Hitzeschildsteins, zu vermeiden. Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, dass thermisch bedingte Zugspan- nungen in der Regel nur dort auftreten, wo Temperaturgradienten vorhanden sind. Wird nunmehr verhindert, dass von den Kanten des Hitzeschildsteins ausgehende Temperaturgradienten tief in das innere des Hitzeschildsteins eindringen, so können hierdurch bedingte Risse nur begrenzt eindringen bzw. bilden sich erst garnicht. Dabei können kurze, von den Kanten ausgehende Risse, die nur geringfügig in Richtung des inneren des Hitzeschildsteins eindringen, toleriert werden, da diese die Funktionsfähigkeit des Hitzeschildsteins theoretisch sowie auch in der praktischen Erfahrung nicht beeinträchtigen.With the invention, a completely new concept is now shown, in particular to avoid failure of the heat shield brick as a result of the crack formation problem, starting from the edges of the heat shield brick. The invention makes use of the knowledge that thermally induced tensile stresses generally only occur where there are temperature gradients. If it is now prevented that temperature gradients emanating from the edges of the heat shield brick penetrate deep into the interior of the heat shield brick, cracks caused thereby can penetrate only to a limited extent or do not form at all. Short cracks emanating from the edges and penetrating only slightly towards the inside of the heat shield brick can be tolerated, since these do not affect the functionality of the heat shield brick theoretically or in practical experience.
Mit der Erfindung wird ein Hitzeschildstein bereitgestellt, dessen Wärmeleitfähigkeit lokal gezielt eingestellt ist, um Rissbildung und Risswachstum zu vermeiden. Hierzu ist der Kernbereich von einem Randbereich mit einem Randmaterial umgeben, dessen Wärmeleitfähigkeit niedriger ist als die des Kernmaterials. Es wird also ein Zweistoff-Hitzeschildstein angegeben mit einer thermischen Isolierung im Randbereich, aufgrund der gezielten Materialwahl für das Randmaterial, mit gegenüber dem Kernmaterial verringerter Wärmeleitfähigkeit. Der Kernbereich und der Randbereich sind dabei integrale Bestandteile des Hitzeschildsteins, so dass ein Hitzeschild- stein mit über dessen Volumen variabler Wärmeleitfähigkeit bereitgestellt ist. Durch die größere Wärmeleitfähigkeit im Kernbereich wird erreicht, dass sich im Kernbereich ein parallel zur Heißseite näherungsweise ausgeglichenes Temperaturprofil einstellt. Der Kernbereich bleibt somit weitgehend wärmespannungsfrei. Temperaturgradienten und hiermit verknüpfte Wärmespannungen treten nur im Randbereich auf.With the invention, a heat shield brick is provided, the thermal conductivity of which is set locally in order to avoid crack formation and crack growth. For this purpose, the core area is surrounded by an edge area with an edge material whose thermal conductivity is lower than that of the core material. A two-component heat shield brick is therefore specified with thermal insulation in the edge area, due to the targeted choice of material for the edge material, with a reduced thermal conductivity compared to the core material. The core area and the edge area are integral components of the heat shield brick, so that a heat shield brick is provided with a thermal conductivity that is variable over its volume. The greater thermal conductivity in the core area ensures that an approximately balanced temperature profile is established in the core area parallel to the hot side. The core area thus remains largely free of thermal stress. Temperature gradients and associated thermal stresses only occur in the edge area.
Der Randbereich umfasst dabei vorteilhafterweise auch die äußeren Kanten des Hitzeschildsteins, so dass diese aufgrund der gegenüber dem Kernbereich geringeren Wärmeleitfähigkeit als thermische Isolierung bzw. als Isolationsbereich wirken. Von besonderem Vorteil ist hierbei, dass die Länge von ther- ospannungsbedingten Rissen verkürzt wird, weil diese auf den Randbereich beschränkt sind, wodurch der Hitzeschildstein be- züglich einer Rissbildung stabilisiert ist.The edge region advantageously also includes the outer edges of the heat shield brick, so that, due to the lower thermal conductivity compared to the core region, they act as thermal insulation or as an insulation region. It is particularly advantageous here that the length of cracks caused by thermal stress is shortened because they are limited to the edge region, as a result of which the heat shield brick is stabilized with respect to crack formation.
In bevorzugter Ausgestaltung des Hitzeschildsteins beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Randmaterials weniger als 60%, insbesondere weniger als 50% der Wärmeleitfähigkeit des Kern- materials. Der Hitzeschildstein wird demnach so ausgelegt, dass eine deutliche Absenkung der Wärmeleitfähigkeit am Übergang vom Kernbereich in den Randbereich zu verzeichnen ist. Der Randbereich wirkt dabei als thermische Isolierung, die den Kernbereich umgibt. Vorteilhaft umschließt dabei der Randbereich den Kernbereich unmittelbar, wobei ein stoffschlüssiger Verbund aus dem Kernmaterial und dem Randmaterial realisiert ist.In a preferred embodiment of the heat shield brick, the thermal conductivity of the edge material is less than 60%, in particular less than 50%, of the thermal conductivity of the core material. The heat shield brick is therefore designed so that there is a significant reduction in the thermal conductivity at the transition from the core area to the edge area. The edge area acts as thermal insulation that surrounds the core area. Advantageously, the edge area directly surrounds the core area, a cohesive composite of the core material and the edge material being realized.
Vorzugsweise ist das Randmaterial dabei porös, wobei die Porosität des Randmaterials gezielt so eingestellt ist, dass hierdurch die Wärmeleitfähigkeit des Randmaterials gegenüber der Wärmeleitfähigkeit des Kernmaterials abgesenkt ist. Über •die Dichteverteilung und Größeverteilung der Porenstruktur des Randmaterials kann in dem Randbereich die Wärmeleitfähigkeit je nach Anforderung im Belastungsfall gezielt eingestellt werden. Dabei kann gegebenenfalls auch innerhalb des Randbereichs eine Variation der lokalen Wärmeleitfähigkeit über eine entsprechende Variation der Porengröße- und Poren- durchmesserverteilung erreicht werden.The edge material is preferably porous, the porosity of the edge material being set in such a way that the thermal conductivity of the edge material is thereby reduced compared to the thermal conductivity of the core material. Via • the density distribution and size distribution of the pore structure of the edge material, the thermal conductivity in the edge area can be set in a targeted manner depending on the requirements in the event of a load. If necessary, a variation of the local thermal conductivity can also be achieved within the edge region by a corresponding variation of the pore size and pore diameter distribution.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist das Kernmaterial und das Randmaterial aus demselben keramischen Grundmaterial, insbesondere einer Feuerfestkeramik, gebildet. Durch diese Materialidentität des Grundmaterials ist ein besonderes guter Stoffschluss zwischen dem Kernmaterial und dem Randmaterial erzielbar. Zur Erzielung der gewünschten porösen Struktur in- nerhalb des Randbereichs kann beispielsweise bei der Herstellung des Hitzeschildsteins das Einmischen von so genannten Porenbildnern in das Grundmaterial vorgesehen sein. Der Porenbildner wird dabei vorteilhafterweise im kantennahen Bereich, das heißt im Randbereich des Dröhnlings eingepresst oder eingegossen. Während dem Sinther-Prozess verflüchtigt sich der Porenbildner und hinterlässt die Poren, die die effektive Wärmeleitfähigkeit des Grundmaterials entsprechend absenken. Im Kernbereich wird dieser Porenbildner vorzugsweise nicht angewandt, so dass die gewünschte Absenkung der Wär- meleitfähigkeit beim Übergang von Kernbereich in den Randbereich resultiert. In vorteilhafter Ausgestaltung ist entlang der Heißseite des Hitzeschildsteins die axiale Erstreckung des Randbereichs kleiner als 20%, insbesondere zwischen etwa 5 und 10%, der axialen Gesamterstreckung des Hitzeschildsteins. Insbesondere wird der Hitzeschildstein an allen vom Randbereich umfassten Kanten mit vom Kernmaterial abweichender niedriger Wärmeleitfähigkeit im Abstand von etwa kleiner als 10% der jeweiligen Gesamterstreckung (Traglänge) mit einer Absenkung der Wärmeleitfähigkeit gegenüber der Wärmeleitfähigkeit des Kernbe- reichs auf kleiner als 50% des Kernmaterials versehen.In a particularly preferred embodiment, the core material and the edge material are formed from the same ceramic base material, in particular a refractory ceramic. This material identity of the base material makes it possible to achieve a particularly good material bond between the core material and the edge material. In order to achieve the desired porous structure within the edge region, it is possible, for example, to incorporate so-called pore formers into the base material during the manufacture of the heat shield brick. The pore former is advantageously pressed or cast in the area near the edge, that is to say in the edge area of the drone. During the Sinther process, the pore former evaporates and leaves the pores, which reduce the effective thermal conductivity of the base material accordingly. This pore former is preferably not used in the core area, so that the desired lowering of the thermal conductivity results in the transition from the core area to the edge area. In an advantageous embodiment, the axial extent of the edge region along the hot side of the heat shield brick is less than 20%, in particular between about 5 and 10%, of the total axial extent of the heat shield brick. In particular, the heat shield brick is provided on all edges encompassed by the edge region with a lower thermal conductivity deviating from the core material at a distance of approximately less than 10% of the respective total extent (bearing length) with a reduction in the thermal conductivity compared to the thermal conductivity of the core area to less than 50% of the core material ,
Bevorzugt erstreckt sich der Randbereich von der Heißseite zu der Wandseite. In dieser Ausgestaltung ist der Kernbereich umfangsseitig vollständig von dem Randbereich umschlossen, so dass eine voll umfängliche thermische Isolierung des Kernbereichs unter Realisierung eines Stoffschlusses zwischen Kernmaterial und Randmaterial erreicht ist.The edge region preferably extends from the hot side to the wall side. In this embodiment, the core area is completely enclosed on the circumference by the edge area, so that a full-scale thermal insulation of the core area is achieved with a material bond between the core material and the edge material.
Bevorzugt weist der Hitzeschildstein eine an die Heißseite und die Wandseite angrenzende Umfangsseite mit einer Umfangsseitenfläche auf, die zumindest teilweise von dem Randmaterial gebildet ist. Bei einer zur Auswertung einer Brennkammerwand erforderlichen Anordnung einer Vielzahl von Hitzeschildsteinen sind die Spalte zwischen den Hitzeschildsteinen dabei zumindest teilweise von dem Randmaterial auf der Umfangsseitenfläche begrenzt. Vorteilhafterweise ist die Umfangsseitenfläche vollständig durch das Kernmaterial gebildet, so dass eine möglichst gute thermische Isolierung des Kernmaterials gegeben ist.The heat shield brick preferably has a peripheral side adjacent to the hot side and the wall side with a peripheral side surface which is at least partially formed by the edge material. In the case of an arrangement of a plurality of heat shield stones required for evaluating a combustion chamber wall, the gaps between the heat shield stones are at least partially delimited by the edge material on the peripheral side surface. The circumferential side surface is advantageously formed entirely by the core material, so that the core material is thermally insulated as well as possible.
Bevorzugt besteht der Hitzeschildstein aus einem keramischen Grundmaterial, insbesondere aus einer Feuerfestkeramik. Durch die Wahl einer Keramik als Grundmaterial für den Hitzeschildstein ist der Einsatz des Hitzeschildsteins bis zu sehr hohen Temperaturen sicher gewährleistet, wobei zugleich oxidative und/oder korrosive Angriffe, wie sie bei einer Beaufschlagung der Heißseite des Hitzeschildsteins mit einem heißen Medium, z. B. einem Heißgas auftreten, weitestgehend unschädlich für den Hitzeschildstein sind. Dies ist von besonders großem Vorteil beim Einsatz des Hitzeschildsteins in einer Brennkammer, weil selbst nach einem Anriss des Materials im Randbereich die Hitzeschildfunktion des Hitzeschildsteins weiterhin gewährleistet ist, insbesondere ist ein Versagen des Hitzeschildsteins, beispielsweise ein vollständiger Bruch, sicher vermieden, so dass auch keine Bruchstücke in den Brennraum gelangen können.The heat shield brick preferably consists of a ceramic base material, in particular of a refractory ceramic. By choosing a ceramic as the base material for the heat shield brick, the use of the heat shield brick is guaranteed up to very high temperatures, while at the same time oxidative and / or corrosive attacks, such as those when the hot side of the heat shield brick is exposed to a hot medium, z. B. occur a hot gas, are largely harmless to the heat shield brick. This is a particularly great advantage when using the heat shield brick in a combustion chamber, because even after the material in the edge region has been torn, the heat shield function of the heat shield brick is still guaranteed, in particular failure of the heat shield brick, for example a complete breakage, is reliably avoided, so that none Fragments can get into the combustion chamber.
Wirtschaftlich ergibt sich hieraus einerseits der Vorteil, dass im normalen Betriebsfall keine außerordentliche Wartung und/oder Revision einer den Hitzeschildstein aufweisenden Brennkammer erforderlich ist. Andererseits verfügt der Hitze- schildstein im Fall besonderer Vorkommnisse über Notlaufeigenschaften, so dass Folgeschäden für eine Turbine, beispielsweise für die Beschaufelung vermieden werden können, da durch die gezielte Einstellung der Wärmeleitfähigkeit in unterschiedlichen Bereichen des Hitzeschildsteins eine Rissaus- breitung weitgehend vermieden ist.Economically, this results on the one hand in the advantage that in normal operation no extraordinary maintenance and / or revision of a combustion chamber having the heat shield brick is required. On the other hand, in the event of special occurrences, the heat shield stone has emergency running properties, so that consequential damage for a turbine, for example for blading, can be avoided, since crack propagation is largely avoided by the targeted setting of the thermal conductivity in different areas of the heat shield stone.
Die Brennkammer kann zumindest mit den üblichen Wartungszyklen betrieben werden, wobei aber zudem eine Verlängerung der Standzeiten aufgrund der geringeren Rissausbreitungsneigung erzielbar ist.The combustion chamber can be operated at least with the usual maintenance cycles, but it is also possible to extend the service life due to the lower tendency to crack propagation.
Die auf eine Brennkammer gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung, die Hitzeschildsteine gemäß den obigen Ausführungen aufweist.The object directed to a combustion chamber is achieved according to the invention by a combustion chamber with an internal combustion chamber lining which has heat shield bricks according to the above statements.
Die auf eine Gasturbine gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gasturbine mit einer solchen Brennkammer . Die Vorteile einer solchen Brennkammer oder einer solchen Gasturbine ergeben sich entsprechend den Ausführungen zu dem Hitzeschildstein.The object directed to a gas turbine is achieved according to the invention by a gas turbine with such a combustion chamber. The advantages of such a combustion chamber or of such a gas turbine result from the explanations given for the heat shield brick.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen hierbei schematisch und teilweise vereinfacht:The invention is explained in more detail by way of example with reference to the drawings. They show schematically and partially simplified:
Figur 1 einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,FIG. 1 shows a half section through a gas turbine,
Figur 2 in einer perspektivischen Darstellung ein Hitzeschildstein,FIG. 2 shows a perspective view of a heat shield brick,
Figur 3 eine Schnittansicht des in der Figur 2 gezeigten Hitzeschildsteins entlang der Schnittlinie III-III.Figure 3 is a sectional view of the heat shield brick shown in Figure 2 along the section line III-III.
Figuren 4 bisFigures 4 to
Figur 7 verschiedene Ausgestaltungen eines Hitze- schildsteins mit einem Kernbereich und mit einem Randbereich.FIG. 7 different configurations of a heat shield stone with a core area and with an edge area.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical parts are provided with the same reference symbols in all figures.
Die Gasturbine 1 gemäß Figur 1 weist einen Verdichter 2 für Verbrennungsluft, eine Brennkammer 4 sowie eine Turbine 6 zum Antrieb des Verdichters 2 und eines nicht dargestellten Generators oder eine Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbine 6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 8 angeordnet, mit der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist, und die um ihre Mittelachse 9 drehbar gelagert ist. Die in der Art einer Ringbrennkammer ausgeführte Brennkammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt. Die Turbine 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8 verbundenen rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln 12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiter- hin umfasst die Turbine 6 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbine 6 befestigt sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag vom die Turbine 6 durchströmenden heißen Medium, dem Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehenen, aufeinander folgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinanderfolgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.The gas turbine 1 according to FIG. 1 has a compressor 2 for combustion air, a combustion chamber 4 and a turbine 6 for driving the compressor 2 and a generator (not shown) or a work machine. For this purpose, the turbine 6 and the compressor 2 are arranged on a common turbine shaft 8, also referred to as a turbine rotor, to which the generator or the working machine is also connected, and which is rotatably mounted about its central axis 9. The combustion chamber 4, which is designed as an annular combustion chamber, is equipped with a number of burners 10 for the combustion of a liquid or gaseous fuel. The turbine 6 has a number of rotatable rotor blades 12 connected to the turbine shaft 8. The blades 12 are arranged in a ring shape on the turbine shaft 8 and thus form a number of rows of blades. Furthermore, the turbine 6 comprises a number of stationary guide vanes 14, which are also attached to an inner casing 16 of the turbine 6 in a ring shape, with the formation of rows of guide vanes. The blades 12 are used to drive the turbine shaft 8 by transmitting momentum from the hot medium flowing through the turbine 6, the working medium M. The guide blades 14, on the other hand, serve to guide the flow of the working medium M between two successive rows of moving blades or rotating blade rings seen in the flow direction of the working medium M. A successive pair of a ring of guide blades 14 or a row of guide blades and a ring of rotor blades 12 or a row of rotor blades is also referred to as a turbine stage.
Jede Leitschaufel 14 weist eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 14 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 als Wandelement angeordnet ist. Die Plattform 18 ist dabei ein thermisch vergleichsweise stark belastetes Bauteil., das die äußere Begren- zung eines Heißgaskanals für das die Turbine 6 durchströmende Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufei 12 ist in analogerweise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 20 an der Turbinenwelle 8 befestigt.Each guide vane 14 has a platform 18, also referred to as a blade root, which is arranged as a wall element for fixing the respective guide vane 14 to the inner housing 16 of the turbine 6. The platform 18 is a thermally comparatively heavily loaded component that forms the outer boundary of a hot gas channel for the working medium M flowing through the turbine 6. Each rotor blade 12 is fastened in an analogous manner to the turbine shaft 8 via a platform 20, which is also referred to as a blade root.
Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Führungsring 21 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungsrings 21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbine 6 durchströmenden Arbeitsmedium M ausge- setzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende 22 der ihm gegenüberliegenden Laufschaufel 12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen ange- ordneten Führungsringe 21 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die die Innenwand 16 oder andere Gehäuse-Ein- bauteile vor einer thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende heiße Arbeitsmedium M schützt. Die Brennkammer 4 ist von einem Brennkammergehäuse 29 begrenzt, wobei brennkammerseitig eine Brennkammerwand 24 gebildet ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Brennkammer 4 als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von im Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 8 herum an- geordneten Brennern in einem gemeinsamen Brennkammerraum münden. Dazu ist die Brennkammer 4 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 8 herum positioniert ist.A guide ring 21 is arranged in each case between the platforms 18 of the guide vanes 14 of two adjacent rows of guide vanes which are arranged at a distance from one another. The outer surface of each guide ring 21 is also exposed to the hot working medium M flowing through the turbine 6 and is spaced in the radial direction from the outer end 22 of the rotor blade 12 opposite it by a gap. The between the adjacent rows of vanes Ordered guide rings 21 serve in particular as cover elements which protect the inner wall 16 or other housing built-in components against thermal overloading by the hot working medium M flowing through the turbine 6. The combustion chamber 4 is delimited by a combustion chamber housing 29, a combustion chamber wall 24 being formed on the combustion chamber side. In the exemplary embodiment, the combustion chamber 4 is configured as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of burners arranged in the circumferential direction around the turbine shaft 8 open into a common combustion chamber space. For this purpose, the combustion chamber 4 is configured in its entirety as an annular structure which is positioned around the turbine shaft 8.
Zur Erzielung eines vergleichweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 4 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1200 °C bis 1500 °C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu er ög- liehen, ist die Brennkammerwand 24 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildsteinen 26 gebildeten Brennkammerauskleidung versehen. Für einen heiß- gasbeständigen Aufbau der als Ringbrennkammer ausgestalteten Brennkammer 4 ist die Brennkammerauskleidung mit einer Viel- zahl von hochtemperaturfesten Hitzeschildsteinen 26 versehen, so dass auf diese Weise eine vollflächige, weitgehend leckagefreie Brennkammerauskleidung in dem Ringraum gebildet ist.In order to achieve a comparatively high efficiency, the combustion chamber 4 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of approximately 1200 ° C. to 1500 ° C. In order to achieve a comparatively long operating time even with these operating parameters, which are unfavorable for the materials, the combustion chamber wall 24 is provided on its side facing the working medium M with a combustion chamber lining formed from heat shield stones 26. For a hot gas-resistant construction of the combustion chamber 4 designed as an annular combustion chamber, the combustion chamber lining is provided with a large number of high-temperature-resistant heat shield bricks 26, so that in this way a complete, largely leak-free combustion chamber lining is formed in the annular space.
Figur 2 zeigt ein Hitzeschildstein 26 in perspektivischer An- sieht, wie er insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand 24 gemäß der Erfindung ausgestaltet ist. Der Brennkammerstein 26 weist eine quaderförmige oder quaderähnliche Geometrie auf und erstreckt sich entlang einer Längsachse 43 und einer im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse 43 verlaufen- den Querachse 45. Der Hitzeschildstein 26 weist eine von dem heißen Medium M beaufschlagbare Heißseite 35 und eine der Heißseite 35 gegenüberliegende Wandseite 33 auf. Von der Heißseite 35 zu der Wandseite 33 erstreckt sich durch das Innere des Hitzeschildsteins 26 ein Kernbereich 31 mit einem Kernmaterial 39. Der Kernbereich 31 ist von einem Randbereich 37 mit einem Randmaterial 41 umgeben, wobei die Wärmeleitfä- higkeit des Randmaterials 41 niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeit des Kernmaterials 39. Der Randbereich 37 umschließt den Kernbereich 31 vollumfänglich entlang den Kanten des qua- derförmigen oder quaderähnlichen Hitzeschildelements 26. Der Materialübergang von dem Kernmaterial 39 im Kernbereich 31 zu dem Randmaterial 41 in dem Randbereich 37 erfolgt durch einen Stoffschluss. Die Wärmeleitfähigkeit des Randmaterials 41 beträgt weniger als 50% der Wärmeleitfähigkeit des Kernmaterials 39. Hierdurch wird erreicht, dass beim Einsatz des Hitzeschildsteins 26 in der Brennkammer 4 einer Gasturbine 1 (vgl. Figur 1) sich im Kernbereich ein parallel zur Heißseite 35 näherungsweise ausgeglichenes Temperaturprofil einstellt. Der Kernbereich 31 bleibt in Folge der thermischen Isolationswirkung des Randbereichs 37 mit der abgesenkten Wärmeleitfähigkeit weitgehend wärmespannungsfrei. Temperaturgradienten und hiermit verknüpfte WärmeSpannungen treten folglich nur oder nahezu ausschließlich im Randbereich 37, das heißt nahe der Kanten des Hitzeschildsteins 26 auf. Somit wird die Länge von thermospannungsbedingten Rissen verkürzt, auf den Randbereich 31 beschränkt und der Hitzeschildstein 26 insgesamt bezüglich Rissbildung und Rissausbreitung gegenüber herkömmlichen Ausgestaltungen stabilisiert.FIG. 2 shows a perspective view of a heat shield brick 26 as it is designed in particular for lining a combustion chamber wall 24 according to the invention. The combustion chamber brick 26 has a cuboid or cuboid-like geometry and extends along a longitudinal axis 43 and a transverse axis 45 which is essentially perpendicular to the longitudinal axis 43. The heat shield brick 26 has a hot side 35 which can be acted upon by the hot medium M and one which is opposite the hot side 35 Wall side 33 on. Of the A hot zone 35 to the wall side 33 extends through the interior of the heat shield brick 26, a core area 31 with a core material 39. The core area 31 is surrounded by an edge area 37 with an edge material 41, the thermal conductivity of the edge material 41 being lower than the thermal conductivity of the Core material 39. The edge region 37 completely surrounds the core region 31 along the edges of the cuboid or cuboid-like heat shield element 26. The material transition from the core material 39 in the core region 31 to the edge material 41 in the edge region 37 takes place by means of a material bond. The thermal conductivity of the edge material 41 is less than 50% of the thermal conductivity of the core material 39. This ensures that when the heat shield brick 26 is used in the combustion chamber 4 of a gas turbine 1 (see FIG. 1), an approximately balanced temperature profile parallel to the hot side 35 is found in the core area established. The core region 31 remains largely free of thermal stress due to the thermal insulation effect of the edge region 37 with the reduced thermal conductivity. Temperature gradients and associated thermal stresses therefore occur only or almost exclusively in the edge region 37, that is to say near the edges of the heat shield brick 26. The length of cracks caused by thermal stress is thus shortened, limited to the edge region 31, and the heat shield brick 26 as a whole is stabilized with respect to crack formation and crack propagation compared to conventional designs.
Figur 3 zeigt eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie III-III des in Figur 2 dargestellten Hitzeschildsteins 26. Hierbei ist eine Ansicht des Hitzeschildsteins 26 in Richtung der Querachse 45 auf die Schnittfläche dargestellt. Der Kernbereich 31 ist quaderförmig oder quaderähnlich. Der Randbereich 37 umgibt den Kernbereich 31 vollumfänglich wobei sich der Randbereich 31 von der Heißseite 35 bis zu der Wandseite 33 erstreckt. Der Randbereich 37 besteht aus einem Randmaterial 41, wobei die Umfangsseitenfläche 49 das Randmaterial 41 aufweist. Die Umfangsseitenfläche 49 ist dabei die äußerste Begrenzungsfläche der Umfangsseite 47, welche an die Heißseite 35 und an die Wandseite 33 angrenzt. Zur Einstellung einer reduzierten Wärmeleitfähigkeit im Randbereich 41 gegenüber dem Kernbereich 31 ist das Randmaterial 41 als poröses Material mit einer Vielzahl von Poren ausgestaltet, wobei die Porosität des Randmaterials 41 gezielt so eingestellt ist, dass hierdurch die Wärmeleitfähigkeit des Randmaterials 41 gegenüber der Wärmeleitfähigkeit des Kernmaterials 39 auf ein gewünschtes Maß abgesenkt ist. Die Wärmeleitfähigkeit des Randmaterials 41 beträgt beispielsweise weniger als 60%, insbesondere weniger als 50% der Wärmeleitfähigkeit des Kernmaterials 39. Dabei kann das Kernmaterial 39 und das Randmaterial 41 beispielsweise aus demselben keramischen Grundmaterial, insbesondere einer Feuerfestkeramik, gebildet sein. Durch diese Stoffidentität des Grundmaterials für das Kernmaterial 39 und das Randmaterial 41 ist ein besonders fester und dauerhaltbarer Materialverbund realisiert.FIG. 3 shows a sectional view along the section line III-III of the heat shield brick 26 shown in FIG. 2. Here, a view of the heat shield brick 26 in the direction of the transverse axis 45 is shown on the cutting surface. The core area 31 is cuboid or cuboid-like. The edge region 37 completely surrounds the core region 31, the edge region 31 extending from the hot side 35 to the wall side 33. The edge region 37 consists of an edge material 41, the peripheral side surface 49 having the edge material 41. The peripheral side surface 49 is the outermost Boundary surface of the peripheral side 47, which is adjacent to the hot side 35 and the wall side 33. In order to set a reduced thermal conductivity in the edge region 41 compared to the core region 31, the edge material 41 is designed as a porous material with a large number of pores, the porosity of the edge material 41 being specifically set such that the thermal conductivity of the edge material 41 compared to the thermal conductivity of the core material 39 is thereby achieved is lowered to a desired level. The thermal conductivity of the edge material 41 is, for example, less than 60%, in particular less than 50%, of the thermal conductivity of the core material 39. The core material 39 and the edge material 41 can be formed, for example, from the same ceramic base material, in particular a refractory ceramic. This material identity of the base material for the core material 39 and the edge material 41 results in a particularly strong and durable material composite.
Die Einstellung einer gewünschten Porosität zur Absenkung der Wärmeleitfähigkeit in dem Randbereich 37 erfolgt beispielsweise durch Einmischen von geeigneten Porenbildnern in die keramische Masse, wobei die Porenbildner in den durch den Randbereich 37 definierten kantennahen Bereich des Dröhnlings eingepresst oder eingegossen werden. Während dem Sinter-Pro- zess verflüchtigt sich der Porenbildner und hinterlässt Poren mit vorbestimmter Porendurchmesserverteilung und Porendichte- verteilung innerhalb des Randbereichs 37. Der Hitzeschildstein 26 wird somit in Randbereich 37 mit vom Kernmaterial 39 abweichender niedrigerer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise mit einer Absenkung der Wärmeleitfähigkeit auf kleiner 50% des Kernmaterials 39 versehen. Dabei ist entlang der Heißseite 35 die axiale Erstreckung dR des Randbereichs 37 kleiner als 20%, insbesondere zwischen etwas 5% und 10% der axialen Gesamterstreckung L des Hitzeschildsteins 26. Folglich ist in dieser Ausgestaltung die axiale Erstreckung dκ des Kernbereichs 31 mit dem Kernmaterial 39 deutlich größer als die axiale Erstreckung dR des Randbereichs 37. Die Vorteile des Kernmaterials 39 in den Kernbereich 31 im Hinblick auf die Resistenz gegenüber Hochtemperaturbelastung und Beaufschlagung mit einem heißen Medium M, beispielsweise einem Heißgas, bleiben somit weitgehend erhalten, wobei eine Rissbildung insbesondere auf der Heißseite 35 im Kernbereich 31 durch die thermische Isolationswirkung des porösen Randmaterials 41 auch bei hoher Temperaturbelastung oder Temperaturwechselbelastung weitgehend unterdrückt ist. Eine eventuelle Rissbildung oder Rissausbreitung kann allenfalls in Randbereich 37 auftreten, wo dies tolerierbar ist.A desired porosity for lowering the thermal conductivity in the edge region 37 is set, for example, by mixing suitable pore formers into the ceramic mass, the pore formers being pressed or poured into the region of the blast element defined by the edge region 37. During the sintering process, the pore former evaporates and leaves pores with a predetermined pore diameter distribution and pore density distribution within the edge region 37. The heat shield brick 26 is thus in the edge region 37 with a lower thermal conductivity that deviates from the core material 39, for example with a reduction in the thermal conductivity to less 50% of the core material 39 provided. Along the hot side 35, the axial extent d R of the edge region 37 is less than 20%, in particular between about 5% and 10% of the total axial extent L of the heat shield brick 26. Consequently, in this embodiment, the axial extent d κ of the core region 31 with the Core material 39 significantly larger than the axial extent d R of the edge region 37. The advantages of Core material 39 in the core area 31 with regard to the resistance to high-temperature stress and exposure to a hot medium M, for example a hot gas, are thus largely retained, cracking in particular on the hot side 35 in the core area 31 due to the thermal insulation effect of the porous edge material 41 is largely suppressed even at high temperature loads or temperature changes. A possible crack formation or crack propagation can possibly occur in edge area 37, where this is tolerable.
Die Figuren 4 bis 7 zeigen weitere Ausgestaltungen des Hitzeschildsteins 26 mit Modifizierung der Geometrie des Hitzeschildsteins 26 (vgl. Figur 6 und 7) bzw. mit Variation der Geometrie von Kernbereich 31 und Randbereich 37. In einer Schnittansicht zeigt dabei Figur 4 ein Hitzeschildelement 26 mit einem sich von der Heißseite 35 zu der Wandseite 33 erstreckenden Randbereich 37, wobei der Querschnitt des Randbereichs 37 sich zu der Wandseite 33 hin verhängt. Entspre- chend nimmt der Querschnitt des Kernbereichs 31 von der Heißseite 35 zu der Kaltseite 33 kontinuierlich zu. Demgegenüber zeigt Figur 5 ein Ausführungsbeispiel des Hitzeschildsteins 26, bei dem der Randbereich 37 mit dem Randmaterial 41 eine Teilfläche der Umfangsseitenfläche 49 bildet. Der Randbereich 37 ist der Heißseite 35 zugewandt und ist zugleich ein Bestandteil der Heißseite 35. Die Umfangsseitenfläche 49 weist sowohl das Kernmaterial 39 als auch das Randmaterial 41 auf, wobei das Randmaterial 41 der Heißseite 35 zugewandt ist und das Kernmaterial 39 der Wandseite 33 zugewandt ist. Je nach anwendungstypischer Belastungsfall für den Hitzeschildstein 26 kann sowohl die Geometrie des Randbereichs 37 und des Kernbereichs 31 als auch die lokalen Wärmeleitungseigenschaften im Randbereich 37 durch Einstellen einer entsprechenden Porosität des Randmaterials 41 im Randbereich 37 modifiziert und angepasst werden. Die Figuren 6 und 7 zeigen unterschiedliche Geometrien des Hitzeschildsteins 26 in einer Draufsicht auf die Heißseite 35. In beiden Ausführungsbeispielen ist die Geometrie des Kernbereichs 31 im Wesentlichen zylinderförmig und erstreckt sich von der Heißseite 35 zu der Kaltseite 33. Der äußere Begrenzungsrand des Hitzeschildelements 26 ist in Figur 6 von quadratischer Geometrie und in Figur 7 von sechseckiger Geometrie. Der Randbereich 37 ergibt sich im Wesentlichen als Komplementärvolumen zu dem zylinderförmigen Kernbereich 31. Zur thermischen Isolierung weist das Randmaterial 41 eine Porosität auf, so dass im Randbereich 37 eine gegenüber dem Kernbereich 31 deutlich erniedrigte Wärmeleitfähigkeit erzielt ist. Das Kernmaterial 39 und das Randmaterial 41 sind aus identischem Grundmaterial oder im Wesentlichen ähnlichem Grundmaterial aufgebaut, so dass der Übergang von dem Kernbereich 31 zu dem Randbereich 37 in Form eines stoffschlüssigen, weitgehend homogenen Materialverbunds erreicht ist, der zwar chemisch identisch oder ähnlich, aber aufgrund der physikalischen Wirkung der gezielt eingestellten Porosität des Randmaterials 41 die gewünschte Absenkung der Wärmeleitfähigkeit vom Kernbereich 31 zu dem Randbereich 37 verursacht. FIGS. 4 to 7 show further refinements of the heat shield block 26 with modification of the geometry of the heat shield block 26 (see FIGS. 6 and 7) or with variation of the geometry of the core region 31 and edge region 37. In a sectional view, FIG. 4 shows a heat shield element 26 with an edge region 37 which extends from the hot side 35 to the wall side 33, the cross section of the edge region 37 curving towards the wall side 33. Accordingly, the cross section of the core region 31 increases continuously from the hot side 35 to the cold side 33. In contrast, FIG. 5 shows an exemplary embodiment of the heat shield brick 26, in which the edge region 37 forms a partial surface of the peripheral side surface 49 with the edge material 41. The edge region 37 faces the hot side 35 and is at the same time a component of the hot side 35. The peripheral side surface 49 has both the core material 39 and the edge material 41, the edge material 41 facing the hot side 35 and the core material 39 facing the wall side 33 , Depending on the typical load case for the heat shield brick 26, both the geometry of the edge region 37 and the core region 31 and the local heat conduction properties in the edge region 37 can be modified and adapted by setting a corresponding porosity of the edge material 41 in the edge region 37. FIGS. 6 and 7 show different geometries of the heat shield brick 26 in a top view of the hot side 35. In both exemplary embodiments, the geometry of the core region 31 is essentially cylindrical and extends from the hot side 35 to the cold side 33. The outer boundary edge of the heat shield element 26 is 6 of square geometry and FIG. 7 of hexagonal geometry. The edge region 37 essentially results as a complementary volume to the cylindrical core region 31. For the thermal insulation, the edge material 41 has a porosity, so that in the edge region 37 a significantly reduced thermal conductivity compared to the core region 31 is achieved. The core material 39 and the edge material 41 are constructed from identical base material or essentially similar base material, so that the transition from the core region 31 to the edge region 37 is achieved in the form of a materially integral, largely homogeneous material composite, which is chemically identical or similar, but due to the physical effect of the specifically set porosity of the edge material 41 causes the desired lowering of the thermal conductivity from the core area 31 to the edge area 37.

Claims

Patentansprüche claims
1. Hitzeschildstein (26), insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand (24), mit einer von einem heißen Medium (M) beaufschlagbaren Heißseite (35) und einer der Heißseite (35) gegenüberliegenden Wandseite (33) , und mit einem sich von der Heißseite (35) zu der Wandseite (33) erstreckenden Kernbereich (31) mit einem Kernmaterial (39), dadur ch g e kenn z e i chne t , dass der Kernbe- reich (31) von einem Randbereich (37) mit einem Randmaterial (41) umgeben ist, dessen Wärmeleitfähigkeit niedriger ist als die des Kernmaterials (39) .1. Heat shield brick (26), in particular for lining a combustion chamber wall (24), with a hot side (35) which can be acted upon by a hot medium (M) and a wall side (33) opposite the hot side (35), and with one from the hot side (35) to the wall side (33) extending core area (31) with a core material (39), so that the core area (31) is surrounded by an edge area (37) with an edge material (41) whose thermal conductivity is lower than that of the core material (39).
2. Hitzeschildstein (26) nach Anspruch 1, dadur ch g e kenn z e i chne t , dass die Wärmeleitfähigkeit des Randmaterials (41.) weniger als 60 %, insbesondere weniger als 50%, der Wärmeleitfähigkeit des Kernmaterials (39) beträgt.2. Heat shield brick (26) according to claim 1, so that the thermal conductivity of the edge material (41.) is less than 60%, in particular less than 50%, of the thermal conductivity of the core material (39).
3. Hitzeschildstein- (26) nach Anspruch 1 oder 2, da du r ch ge kenn z e i chne t , dass das Randmaterial (41) porös ist, wobei die Porosität des Randmaterials (41) gezielt so eingestellt ist, dass hierdurch die Wärmeleitfähigkeit des Randmaterials (41) gegenüber der Wärmeleit- fähigkeit des Kernmaterials (39) abgesenkt ist.3. Heat shield stone (26) according to claim 1 or 2, since you mark the mark that the edge material (41) is porous, wherein the porosity of the edge material (41) is specifically set so that the thermal conductivity of the Edge material (41) is lowered compared to the thermal conductivity of the core material (39).
4. Hitzeschildstein (26) nach Anspruch 3, da dur ch ge k enn z e i chne t , dass das Kernmaterial (39) und das Randmaterial (41) aus demselben kera i- sehe Grundmaterial, insbesondere einer Feuerfestkeramik, gebildet sind. 4. Heat shield brick (26) according to claim 3, since it is known that the core material (39) and the edge material (41) are formed from the same ceramic base material, in particular a refractory ceramic.
5. Hitzeschildstein (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadu r ch ge k enn z e i chne t , dass das Kernma- terial (39) und das Randmaterial (41) einen stdffschlüssigen Materialverbund bilden. 5. Heat shield brick (26) according to one of claims 1 to 4, so that the core material (39) and the edge material (41) form an interlocking material composite.
6. Hitzeschildstein (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadur ch g e kenn z e i chne t , dass entlang der Heißseite (35) die axiale Erstreckung (dR) des Randbereichs (37) kleiner als 20 %, insbesondere zwischen 5 % und 10 %, der axialen Gesamterstreckung (L) ist.6. The heat shield brick (26) according to one of claims 1 to 5, so that the axial extent (d R ) of the edge region (37) is less than 20%, in particular between 5%, along the hot side (35). and 10%, the total axial extent (L).
7. Hitzeschildstein (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kenn z e i chne t , dass sich der Randbereich (37) von der Heißseite (35) zu der Wandseite (33) erstreckt.7. heat shield brick (26) according to any one of claims 1 to 5, characterized ge z e i chne t that the edge region (37) extends from the hot side (35) to the wall side (33).
8. Hitzeschildstein (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e kenn z e i chne t , eine an die Heißseite (35) und die Wandseite (33) angrenzende Umfangsseite (47), die eine Umfangsseitenfläche (49) aufweist, die zumindest teilweise von dem Randmaterial (41) gebildet ist.8. heat shield brick (26) according to any one of claims 1 to 7, characterized ge ge zei chne t, one on the hot side (35) and the wall side (33) adjacent peripheral side (47) having a peripheral side surface (49) at least is partially formed by the edge material (41).
9. Brennkammer (4) mit einer inneren Brennkammerauskleidung, die Hitzeschildsteine (26) nach einem der vorhergehenden An- sprüche aufweist.9. Combustion chamber (4) with an internal combustion chamber lining, which has heat shield bricks (26) according to one of the preceding claims.
10. Gasturbine (1) mit einer Brennkammer (4) nach Anspruch 9. 10. Gas turbine (1) with a combustion chamber (4) according to claim 9.
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